【原】居家實(shí)驗(yàn)：為phyphox插上壓強(qiáng)計(jì)的翅膀(一)

新用戶5228KeDY 2021-10-10

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居家實(shí)驗(yàn)：為phyphox插上壓強(qiáng)計(jì)的翅膀(一)

零. 背景說(shuō)明

使用phyphox已經(jīng)有一段時(shí)間了，它里面帶了一個(gè)氣壓計(jì)實(shí)驗(yàn)，但是是灰色的，即使你點(diǎn)擊它，它也只會(huì)提示這個(gè)實(shí)驗(yàn)不可用。據(jù)說(shuō)有氣壓計(jì)的手機(jī)，要么是旗艦機(jī)，要么是商務(wù)機(jī)，據(jù)說(shuō)華為Mate上面就有，可是P系列上面就沒有。蘋果不了解。一個(gè)封閉的系統(tǒng)以安全自居，但是可玩性、開放性和所帶來(lái)的創(chuàng)造的熱情與火花就差得遠(yuǎn)了。

phyphox團(tuán)隊(duì)隊(duì)長(zhǎng)塞巴斯蒂安(我記不住那人名字)好多個(gè)宣傳視頻里都有phyphox結(jié)合氣壓計(jì)的實(shí)驗(yàn)，這里使用常用常見的GY68-BMP180氣壓傳感器在phyphox體外嫁接一個(gè)氣壓計(jì)——當(dāng)然，研究BMP180并不是為了phyphox，而是打算琢磨一下熱學(xué)實(shí)驗(yàn)。

這個(gè)記錄，是沒有規(guī)劃的。寫哪算哪，只是整理。整理的原因，一方面BMP180有好幾款封裝，而且有的已經(jīng)不再受到官方支持，有的會(huì)在網(wǎng)上由微弱的力量支持著一些Arduino擴(kuò)展庫(kù)，甚至還能看到51的、STM32的擴(kuò)展庫(kù)——因?yàn)槭情_源的，所以用起來(lái)并不容易。這里整理的，都是我親自試驗(yàn)過(guò)的，要保證它們能用。此外，看起來(lái)簡(jiǎn)單的東西，往往并不簡(jiǎn)單，整理下來(lái)，可備未來(lái)自己用，亦可為他人參照之。內(nèi)容只兩片，一為BMP180與國(guó)際壓強(qiáng)方程的應(yīng)用，另一為藍(lán)牙BLE與phyphox通訊。

一. BMP180與國(guó)際壓強(qiáng)方程

1.BMP180氣壓傳感器

BMP180氣壓傳感是最為常用常見的氣壓傳感器，如圖1。介紹它的文章特別多，挑幾個(gè)重點(diǎn)列在這里：壓強(qiáng)可測(cè)范圍300hPa至1100hPa(hPa百帕)，高度可測(cè)范圍從海拔以下數(shù)百米至海拔9000米，分辨率可達(dá)0.03hPa(0.25米) 0.06hPa(0.5米)，這和設(shè)置模型有關(guān)。

需特別注意的是，BMP180電源為3.3V，萬(wàn)不可將其與Arduino 5V相接，雖然有不少文章說(shuō)可以接5V，說(shuō)有穩(wěn)壓及電平轉(zhuǎn)換云云，未免于電子市場(chǎng)之極大豐富尚缺乏想象。

BMP180有溫度輸出和溫度補(bǔ)償功能，這在價(jià)格平易使用方便的傳感器里是不多見的。

圖1 BMP180的常見封裝

2.測(cè)量數(shù)據(jù)

先上測(cè)量數(shù)據(jù)。從最簡(jiǎn)單的場(chǎng)景開始。

BMP180與Arduino連接完畢，直接測(cè)量家里室內(nèi)壓強(qiáng)和溫度(7樓)：

BMP180直接放置在桌子上，壓強(qiáng)1000.49hPa，溫度26.01C。

舉到一臂高處，大約上升0.5cm，壓強(qiáng)顯示1000.45hPa，溫度顯示26.02C。

放在桌子下方，位置下降大約1.0米，壓強(qiáng)顯示1000.62hPa，溫度顯示25.90C。

這確實(shí)靈敏得令人難以置信?。。?/p>

十分顯然，我們可以猜測(cè)phyphox氣壓計(jì)實(shí)驗(yàn)的原理了。我們知道，國(guó)際壓強(qiáng)方程為

其中h是海拔高度，P為當(dāng)前位置大氣壓，為海平面大氣壓強(qiáng)，均以hPa為單位。那么，我們只要能夠知道就能夠讓BMP180向我們匯報(bào)高度了，去哪里得到呢？當(dāng)然最好的辦法是到地面測(cè)量一下，另一個(gè)辦法是到https://www.查詢實(shí)時(shí)海平面氣壓圖，如圖2，這個(gè)網(wǎng)站有中文。

圖2 海平面氣壓圖

我整理這些文字時(shí)，我家里的氣壓已經(jīng)變化了，大約1001.50hPa，如圖3，于是

確實(shí)暴露了7樓的位置，比較符合實(shí)際。

圖3 大氣壓強(qiáng)瞬息五變~~

但是這里面也有一些問題：

(1)一個(gè)是從氣壓分布圖看，若北京海平面氣壓取1003hPa，那么得到的高度只有12米，這和BMP180強(qiáng)大的分辨率是不相符的；

(2)北京地區(qū)雖地處平原，但海拔也并非零米，大概是從地表面算起的。

(3)一個(gè)校準(zhǔn)的方法，是把h替換成，這樣從數(shù)據(jù)擬合里可以把提取出來(lái)。

3.接線圖

這個(gè)小板需要自己焊排針，好在只有4根。然后按照以下的針腳對(duì)應(yīng)。圖省了。

BMP180> Arduino Uno

VIN > 3V3 #<------要超級(jí)小心，不能使用5V，還是要尊重DataSheet數(shù)據(jù)

GND > GND

SCL > A5

SDA > A4

4.實(shí)驗(yàn)圖

圖4 實(shí)驗(yàn)圖

5.串口監(jiān)視器

圖5 串口監(jiān)視器

6.計(jì)劃研究

有的動(dòng)了，有的還沒動(dòng)，有的可能已經(jīng)沒興趣了。

(1)通過(guò)國(guó)際壓強(qiáng)方程得到壓強(qiáng)與海拔的正或逆的關(guān)系；

(2)嫁接到手機(jī)，完成著名的phyphox手機(jī)壓強(qiáng)計(jì)電梯高度實(shí)驗(yàn)；

(3)可以嘗試氣體三定律實(shí)驗(yàn)，可簡(jiǎn)易完成PT關(guān)系

(4)實(shí)驗(yàn)測(cè)量阿伏伽德羅常數(shù)

7.技術(shù)補(bǔ)充

條目式列舉如下。

(1)BMP180通訊方式是I2C，可以查看Arduino電路圖知道它與BMP180的接線方法；

(2)部分BMP180是5針、甚至6針的，似乎是過(guò)時(shí)的產(chǎn)品，它們的支持庫(kù)特別雜亂，且經(jīng) 常與wire庫(kù)沖突，盡量不用這些雜牌支持庫(kù)；

(3)所有的支持庫(kù)里最好的，是Sparkfun的開源支持庫(kù)BMP180_Breakout_Arduino_Library；

(4)電源電壓3.3V，沒有保證的情況下，先別用5V。

(5)本例代碼及解釋，更詳細(xì)的，請(qǐng)自行去閱讀支持庫(kù)源碼。

#include <Wire.h>
#include <SFE_BMP180.h>

SFE_BMP180 bmp180;

void setup() {
  Serial.begin(9600);
  bool success = bmp180.begin();

  if (success) {
    Serial.println("BMP180 init success");
  }
}

void loop() {

  char status;
  double T, P;
  bool success = false;

  status = bmp180.startTemperature();

  if (status != 0) {
    delay(1000);
    status = bmp180.getTemperature(T);

    if (status != 0) {
      status = bmp180.startPressure(3);

      if (status != 0) {
        delay(status);
        status = bmp180.getPressure(P, T);

        if (status != 0) {
          Serial.print("Pressure: ");
          Serial.println(P);
          Serial.println(" hPa");

          Serial.print("Temperature: ");
          Serial.print(T);
          Serial.println(" C");
        }
      }
    }
  }
}