【雕爷学编程】MicroPython手册之 ESP32 ADC （模数转换）

MicroPython是为了在嵌入式系统中运行Python 3编程语言而设计的轻量级版本解释器。与常规Python相比，MicroPython解释器体积小(仅100KB左右)，通过编译成二进制Executable文件运行，执行效率较高。它使用了轻量级的垃圾回收机制并移除了大部分Python标准库，以适应资源限制的微控制器。

MicroPython主要特点包括:
1、语法和功能与标准Python兼容,易学易用。支持Python大多数核心语法。
2、对硬件直接访问和控制,像Arduino一样控制GPIO、I2C、SPI等。
3、强大的模块系统,提供文件系统、网络、图形界面等功能。
4、支持交叉编译生成高效的原生代码,速度比解释器快10-100倍。
5、代码量少,内存占用小,适合运行在MCU和内存小的开发板上。
6、开源许可,免费使用。Shell交互环境为开发测试提供便利。
7、内置I/O驱动支持大量微控制器平台，如ESP8266、ESP32、STM32、micro:bit、掌控板和PyBoard等。有活跃的社区。

MicroPython的应用场景包括:
1、为嵌入式产品快速构建原型和用户交互。
2、制作一些小型的可 programmable 硬件项目。
3、作为教育工具,帮助初学者学习Python和物联网编程。
4、构建智能设备固件,实现高级控制和云连接。
5、各种微控制器应用如物联网、嵌入式智能、机器人等。

使用MicroPython需要注意:
1、内存和Flash空间有限。
2、解释执行效率不如C语言。
3、部分库函数与标准版有差异。
4、针对平台优化语法,订正与标准Python的差异。
5、合理使用内存资源,避免频繁分配大内存块。
6、利用原生代码提升速度关键部位的性能。
7、适当使用抽象来封装底层硬件操作。

总体来说,MicroPython让Python进入了微控制器领域，是一项重要的创新，既降低了编程门槛，又提供了良好的硬件控制能力。非常适合各类物联网和智能硬件的开发。

ESP32 是一款功能丰富的微控制器，集成了 Wi-Fi 和蓝牙连接功能，适合物联网开发的强大而实惠的平台。ESP32 的主要特点有：

1、处理器：CPU：Xtensa 双核（或单核）32 位 LX6 微处理器，工作频率为 160 或 240 MHz，性能可达 600 DMIPS。超低功耗（ULP）协处理器。
2、内存：520 KiB RAM，448 KiB ROM。
3、无线连接：Wi-Fi：802.11 b/g/n。蓝牙：v4.2 BR/EDR 和 BLE。
4、外设：12 位 SAR ADC 最多支持 18 个通道，2 个 8 位 DAC，10 个触摸传感器，4 个 SPI，2 个 I2S，2 个 I2C，3 个 UART，SD/SDIO/MMC 主机控制器，SDIO/SPI 从设备控制器，以太网 MAC 接口，CAN 总线 2.0，红外远程控制器，电机 PWM，LED PWM 最多支持 16 通道。
4、安全性：硬件加速 AES、SHA-2、RSA、ECC、随机数生成器（RNG）等。
5、可靠性：工作温度范围为 –40°C 到 +125°C。具有动态电压调整和时钟门控等功能，可适应外部条件的变化和降低功耗。
6、灵活性：可作为独立系统运行应用程序或作为主机 MCU 的从设备，通过 SPI / SDIO 或 I2C / UART 接口提供 Wi-Fi 和蓝牙功能。具有高度集成的天线开关、RF balun、功率放大器、低噪声放大器、滤波器和电源管理模块等。

MicroPython 的 ESP32 ADC（模数转换）是指使用 MicroPython 语言来实现 ESP32 开发板的 ADC（模数转换）功能，实现对模拟信号的数字化采样。下面将从以下三个方面来介绍 MicroPython 的 ESP32 ADC（模数转换）：

主要特点：

简单易用：MicroPython 语言是一种高级语言，它具有简洁、清晰、易读的语法，可以让开发者快速上手，无需复杂的配置和编译过程，只需将 MicroPython 固件烧录到 ESP32 开发板上，就可以通过串口或者 WebREPL 来交互式地执行代码，或者将代码保存到开发板的文件系统中。
丰富多样：ESP32 开发板有两个 ADC 单元，分别为 ADC1 和 ADC2。ADC1 有 8 个通道，对应 GPIO 32-39；ADC2 有 10 个通道，对应 GPIO 0, 2, 4, 12-15, 25-27。每个 ADC 通道可以独立地设置分辨率和衰减系数，支持 9-12 位的分辨率范围，支持 0-3.3V 的电压范围。MicroPython 提供了 machine.ADC 类，可以方便地创建和控制 ADC 对象。machine.ADC 类提供了 init、deinit、read_u16、read_uv、atten 和 width 等方法，可以实现 ADC 的初始化、关闭、读取原始值、读取电压值、设置衰减系数和设置分辨率等功能。
功能强大：MicroPython 的 ESP32 ADC（模数转换）可以实现多种功能，例如测量电池电压、测量光照强度、测量温度、测量声音等。通过读取 ADC 的原始值或者电压值，可以获取模拟信号的变化情况，并进行相应的处理和显示。

应用场景：

电池电压测量：利用 MicroPython 的 ESP32 ADC（模数转换），可以测量 ESP32 开发板上连接的电池的电压，并在 OLED 显示屏上显示。例如，可以使用 machine.ADC 类来创建一个 ADC 对象，并设置衰减系数为 11dB，并使用 read_uv 方法来读取电池的电压值。
光照强度测量：利用 MicroPython 的 ESP32 ADC（模数转换），可以测量 ESP32 开发板上连接的光敏电阻的光照强度，并根据光照强度来控制 LED 的亮度。例如，可以使用 machine.ADC 类来创建一个 ADC 对象，并设置分辨率为 9位，并使用 read_u16 方法来读取光敏电阻的原始值。
温度测量：利用 MicroPython 的 ESP32 ADC（模数转换），可以测量 ESP32 开发板上连接的 NTC 热敏电阻的温度，并在 OLED 显示屏上显示。例如，可以使用 machine.ADC 类来创建一个 ADC 对象，并设置衰减系数为 6dB，并使用 read_uv 方法来读取 NTC 热敏电阻的电压值，并根据 NTC 热敏电阻的特性公式来计算温度值。

需要注意的事项：

硬件兼容性：由于 ESP32 开发板有多种型号和厂商，不同的开发板可能有不同的引脚分配和外设配置。因此，在使用 MicroPython 的 ADC 类时，需要根据具体的开发板来选择正确的引脚编号，并注意引脚之间是否有冲突或者限制。此外，在使用一些特殊的外设时，例如光敏电阻或者 NTC 热敏电阻时，需要检查是否有对应的电阻或者电路，并注意是否需要额外的硬件连接或者配置。
软件更新性：由于 MicroPython 是一个活跃的开源项目，它会不断地更新和改进，添加新的功能和修复旧的问题。因此，在使用 MicroPython 的 ESP32 ADC（模数转换）时，需要关注 MicroPython 的官方网站1 和社区2 ，及时获取最新的固件和文档，并根据需要进行更新和升级。同时，也需要注意 MicroPython 的版本兼容性，避免因为版本不一致而导致的错误或者异常。
内存管理性：由于 ESP32 开发板的内存资源有限，MicroPython 在运行时会进行动态的内存分配和回收，使用垃圾回收机制来管理内存。因此，在使用 MicroPython 的 ESP32 ADC（模数转换）时，需要注意内存的使用情况，避免出现内存不足或者内存泄漏的问题。为了提高内存的利用率和效率，可以使用一些技巧和方法，例如使用字节码而不是源码来执行程序，使用 const 关键字来定义常量，使用 ujson 和 ubinascii 模块来处理数据等。

实际运用程序参考代码案例：

案例1：电池电压测量：这个程序可以测量 ESP32 开发板上连接的电池的电压，并在 OLED 显示屏上显示。首先，导入 machine、utime 和 ssd1306 模块，并创建一个 Pin 对象、一个 I2C 对象、一个 SSD1306_I2C 对象和一个 ADC 对象。然后，进入一个循环，每隔一秒从 ADC 对象读取电池的电压值，并在 OLED 显示屏上显示。

# 导入模块
import machine
import utime
import ssd1306# 创建 Pin 对象
scl = machine.Pin(19)
sda = machine.Pin(18)
bat = machine.Pin(35)# 创建 I2C 对象
i2c = machine.I2C(scl=scl, sda=sda)# 创建 SSD1306_I2C 对象
display = ssd1306.SSD1306_I2C(128, 64, i2c)# 创建 ADC 对象
adc = machine.ADC(bat)
adc.atten(machine.ADC.ATTN_11DB) # 设置衰减系数为 11dB# 主循环
while True:# 从 ADC 对象读取电池的电压值（以微伏为单位）voltage = adc.read_uv()# 将电压值转换为伏特（保留两位小数）voltage = voltage / 1000000voltage = round(voltage, 2)# 清除显示缓冲区display.fill(0)# 在 OLED 显示屏上显示电压值display.text("Battery Voltage:", 0, 0)display.text("{} V".format(voltage), 0, 10)display.show()# 延迟一秒utime.sleep(1)

案例2：电池电压测量：这个程序可以测量 ESP32 开发板上连接的电池的电压，并在 OLED 显示屏上显示。首先，导入 machine、utime 和 ssd1306 模块，并创建一个 Pin 对象、一个 I2C 对象、一个 SSD1306_I2C 对象和一个 ADC 对象。然后，进入一个循环，每隔一秒从 ADC 对象读取电池的电压值，并在 OLED 显示屏上显示。

# 导入模块
import machine
import utime
import ssd1306# 创建 Pin 对象
scl = machine.Pin(19)
sda = machine.Pin(18)
bat = machine.Pin(35)# 创建 I2C 对象
i2c = machine.I2C(scl=scl, sda=sda)# 创建 SSD1306_I2C 对象
display = ssd1306.SSD1306_I2C(128, 64, i2c)# 创建 ADC 对象
adc = machine.ADC(bat)
adc.atten(machine.ADC.ATTN_11DB) # 设置衰减系数为 11dB# 主循环
while True:# 从 ADC 对象读取电池的电压值（以微伏为单位）voltage = adc.read_uv()# 将电压值转换为伏特（保留两位小数）voltage = voltage / 1000000voltage = round(voltage, 2)# 清除显示缓冲区display.fill(0)# 在 OLED 显示屏上显示电压值display.text("Battery Voltage:", 0, 0)display.text("{} V".format(voltage), 0, 10)display.show()# 延迟一秒utime.sleep(1)

案例3：光照强度测量：这个程序可以测量 ESP32 开发板上连接的光敏电阻的光照强度，并根据光照强度来控制 LED 的亮度。首先，导入 machine 模块，并创建一个 ADC 对象和一个 PWM 对象。然后，进入一个循环，每隔一秒从 ADC 对象读取光敏电阻的原始值，并根据原始值来改变 PWM 对象的占空比，从而改变 LED 的亮度。

# 导入模块
import machine# 创建 ADC 对象
ldr = machine.ADC(machine.Pin(34))
ldr.width(machine.ADC.WIDTH_9BIT) # 设置分辨率为 9位# 创建 PWM 对象
led = machine.PWM(machine.Pin(12), freq=1000)# 主循环
while True:# 从 ADC 对象读取光敏电阻的原始值（以 0-511 范围内的整数表示）ldr_value = ldr.read_u16()# 打印光敏电阻的原始值print(ldr_value)# 根据光敏电阻的原始值来改变 PWM 对象的占空比（以 0-1023 范围内的整数表示）led.duty(ldr_value * 2)# 延迟一秒utime.sleep(1)

案例4：温度测量：这个程序可以测量 ESP32 开发板上连接的 NTC 热敏电阻的温度，并在 OLED 显示屏上显示。首先，导入 machine、utime、ssd1306 和 math 模块，并创建一个 Pin 对象、一个 I2C 对象、一个 SSD1306_I2C 对象和一个 ADC 对象。然后，进入一个循环，每隔一秒从 ADC 对象读取 NTC 热敏电阻的电压值，并根据 NTC 热敏电阻的特性公式来计算温度值，并在 OLED 显示屏上显示。

# 导入模块
import machine
import utime
import ssd1306
import math# 创建 Pin 对象
scl = machine.Pin(19)
sda = machine.Pin(18)
ntc = machine.Pin(35)# 创建 I2C 对象
i2c = machine.I2C(scl=scl, sda=sda)# 创建 SSD1306_I2C 对象
display = ssd1306.SSD1306_I2C(128, 64, i2c)# 创建 ADC 对象
adc = machine.ADC(ntc)
adc.atten(machine.ADC.ATTN_6DB) # 设置衰减系数为 6dB# 定义 NTC 热敏电阻的参数
R0 = 10000 # NTC 热敏电阻的标称电阻（10K）
B = 3950 # NTC 热敏电阻的 B 常数（3950K）
T0 = 298.15 # NTC 热敏电阻的标称温度（25℃，转换为开尔文温度）
R1 = 10000 # 分压电路中的另一个电阻（10K）# 主循环
while True:# 从 ADC 对象读取 NTC 热敏电阻的电压值（以微伏为单位）voltage = adc.read_uv()# 计算 NTC 热敏电阻的电阻值（以欧姆为单位）resistance = R1 * voltage / (3300000 - voltage)# 根据 NTC 热敏电阻的特性公式来计算温度值（以开尔文为单位）temperature = 1 / (1 / T0 + math.log(resistance / R0) / B)# 将温度值转换为摄氏度（保留两位小数）temperature = temperature - 273.15temperature = round(temperature, 2)# 清除显示缓冲区display.fill(0)# 在 OLED 显示屏上显示温度值display.text("Temperature:", 0, 0)display.text("{} C".format(temperature), 0, 10)display.show()# 延迟一秒utime.sleep(1)

案例5：读取电位器数值：

import machineadc = machine.ADC(machine.Pin(34))  # 初始化ADC对象，使用引脚34# 读取电位器数值
value = adc.read()  # 读取ADC的原始数值
voltage = value * 3.3 / 4095  # 将数值转换为电压值
print("Voltage:", voltage)

这个示例演示了如何使用MicroPython读取连接在ESP32上的电位器的数值。在MicroPython环境下，将以下代码复制到REPL中。代码通过machine.ADC类创建一个ADC对象，并指定连接的引脚（例如34）。通过调用read()方法，可以读取ADC的原始数值，然后将数值转换为电压值。

案例6：温度传感器测量：

import machine
import timeadc = machine.ADC(machine.Pin(35))  # 初始化ADC对象，使用引脚35# 温度传感器测量
def read_temperature():value = adc.read()  # 读取ADC的原始数值voltage = value * 3.3 / 4095  # 将数值转换为电压值temperature = (voltage - 0.5) * 100  # 根据传感器的特性计算温度值return temperature# 每隔1秒钟测量一次温度并打印
while True:temperature = read_temperature()print("Temperature:", temperature, "°C")time.sleep(1)

这个示例演示了如何使用MicroPython测量温度传感器的温度值。在MicroPython环境下，将以下代码复制到REPL中。代码通过machine.ADC类创建一个ADC对象，并指定连接的引脚（例如35）。通过定义一个函数read_temperature()来读取ADC的原始数值，并根据传感器的特性计算温度值。在示例中，使用了简单的线性关系来计算温度，你可以根据具体的传感器型号和特性进行调整。

案例7：电池电压监测：

import machine
import timeadc = machine.ADC(machine.Pin(39))  # 初始化ADC对象，使用引脚39# 电池电压监测
def check_battery_voltage():value = adc.read()  # 读取ADC的原始数值voltage = value * 2 / 4095  # 将数值转换为电压值（假设使用2V参考电压）return voltage# 每隔10秒钟检测一次电池电压并打印
while True:battery_voltage = check_battery_voltage()print("Battery Voltage:", battery_voltage, "V")time.sleep(10)

这个示例演示了如何使用MicroPython监测电池的电压。在MicroPython环境下，将以下代码复制到REPL中。代码通过machine.ADC类创建一个ADC对象，并指定连接的引脚（例如39）。通过定义一个函数check_battery_voltage()来读取ADC的原始数值，并根据参考电压和ADC的位数计算电池的电压值。在示例中，假设使用了2V的参考电压，你可以根据实际情况进行调整。这些示例代码提供了使用MicroPython的ESP32 ADC（模数转换）的实际运用程序参考。请根据自己的需求和硬件配置进行适当的调整和修改。

案例8：读取模拟输入电压：

import machineadc = machine.ADC(machine.Pin(36))  # 初始化ADC对象，引脚36为ADC引脚while True:value = adc.read()  # 读取ADC值voltage = (value / 4095) * 3.3  # 转换为电压值（假设参考电压为3.3V）print("ADC Value:", value)print("Voltage:", voltage)

在上述示例中，我们使用machine.ADC()创建一个ADC对象，将其与引脚36（一个ADC引脚）关联。然后，使用一个无限循环来不断读取模拟输入电压。使用adc.read()函数读取ADC值，该函数返回0到4095之间的整数。然后，将ADC值转换为电压值，假设参考电压为3.3V。通过将ADC值除以4095，然后乘以参考电压，可以得到相应的电压值。最后，打印ADC值和对应的电压值。

案例9：监测光线传感器：

import machine
import timeadc = machine.ADC(machine.Pin(36))  # 初始化ADC对象，引脚36为ADC引脚while True:value = adc.read()  # 读取ADC值if value < 1000:print("Light detected")else:print("No light detected")time.sleep(1)

在上述示例中，我们使用machine.ADC()创建一个ADC对象，将其与引脚36（一个ADC引脚）关联。然后，使用一个无限循环来不断读取模拟输入电压。使用adc.read()函数读取ADC值。根据光线传感器的特性，假设当ADC值低于1000时表示检测到光线，否则表示没有检测到光线。根据这个条件，打印相应的消息。通过使用time.sleep()函数延迟1秒，实现每秒进行一次光线检测。

案例10：温度传感器：

import machine
import timeadc = machine.ADC(machine.Pin(36))  # 初始化ADC对象，引脚36为ADC引脚while True:value = adc.read()  # 读取ADC值voltage = (value / 4095) * 3.3  # 转换为电压值（假设参考电压为3.3V）temperature = (voltage - 0.5) * 100  # 转换为温度值（假设传感器输出电压与温度成线性关系）print("Temperature:", temperature, "°C")time.sleep(1)

在上述示例中，我们使用machine.ADC()创建一个ADC对象，将其与引脚36（一个ADC引脚）关联。然后，使用一个无限循环来不断读取模拟输入电压。使用adc.read()函数读取ADC值。然后，将ADC值转换为电压值，假设参考电压为3.3V。接下来，根据传感器的特性，假设传感器输出电压与温度成线性关系。通过将电压值减去0.5，然后乘以100，可以得到相应的温度值。最后，打印温度值，并使用time.sleep()函数延迟1秒，实现每秒进行一次温度检测。

请特别注意，以上示例仅供参考，具体的使用方法可能因不同的硬件平台和MicroPython版本而有所差异。在实际编程中，你需要根据你所使用的硬件和具体需求进行适当的调整。