基于树莓派的实验数据采集与处理系统

摘要：在传统实验教学中，部分实验测量数据量大，人工处理过程繁琐，为提升实验质效，引入自动化数据采集和快速处理理念，以RC暂态电路为例，基于树莓派和A/D转换器搭建实验硬件平台，利用Python开发实验数据传输与处理软件，实现实验数据自动采集、快速处理，自动生成拟合曲线，辅助学生判读实验结果。实际应用表明，数据采集与处理系统丰富了实验教学，培养了学生的自主学习和实践能力，有助于提升大学物理实验的教学质量。

关键词：树莓派A/D转换数据自动采集数据自动处理

中图分类号：TE933.3

ExperimentalDataAcquisitionandProcessingSystemBasedonRaspberryPi

—TakingRCTransientCircuitasanExample

SONGYanni

SchoolofMathematicalSciences，NanjingTechUniversity，Nanjing，JiangsuProvince，211816China

Abstract：Inthetraditionalexperimentteaching，someexperimentmeasurementdataarelargeandmanualprocessingistedious.Toimprovetheexperimentalqualityandefficiency，automaticdataacquisitionandrapidprocessingconceptareintroducedTakingRCtransientcircuitasanexample，experimentalhardwareplatformwasbuiltbasedonraspberrypieandA/Dconverter，andexperimentaldatatransmissionandprocessingsoftwarewasdevelopedwithPythontoachieveautomaticexperimentaldataacquisition，rapidprocessing，automaticgenerationfittingcurve，assiststudentsinterprettheexperimentalresults.Practicalapplicationshowsthattheplatformenrichestheexperimentalteaching，cultivatesthestudents'independentlearningandpracticalability，andhelpsimprovetheteachingqualityofcollegephysicsexperiments.

KeyWords：RaspberryPi;A/Dconversion;Automaticdataacquisition;Automaticdataprocessing

在物理学领域，实验数据的准确性和可靠性对于理论推导和结论得出的影响是至关重要的。任何物理理论都需要经过实验的验证，而实验数据的采集与处理则是这一验证过程中的核心环节。同时，数据的精度越高，其后续处理效率也会相应提升，从而使得实验结果更为可靠。因此，如何优化实验数据的采集与处理，一直是科研人员关注的焦点。

树莓派（RaspberryPi）作为一种微型计算机，具有强大的数据处理能力，因此在科研领域得到了广泛的应用。而模数转换器PCF8591则是一种高精度的数据采集设备，能够将模拟信号转换为数字信号，为后续的数据处理提供准确的数据源。基于此，本文将围绕树莓派这一数据处理工具，深入探讨如何通过模数转换器PCF8591来优化实验数据的采集，进而改进RC暂态电路的实验过程和结果。下面将详细介绍实验数据的采集和处理过程，包括数据采集的精度、处理效率以及如何确保数据的可靠性和准确性。

1硬件

树莓派4B作为最新一代的产品，不仅继承了前代的优点，更是在性能和功能上有了显著的提升。优势：（1）树莓派4B的体积小巧精致，但却拥有令人惊叹的计算能力；（2）树莓派4B的功耗非常低，这使得它成为长时间运行的稳定选择；（3）树莓派4B拥有40个GPIO通用输入/输出口，这为开发者提供了丰富的接口选择；（4）编程语言的多样性也是树莓派4B的一大优势。无论你是Python、C，树莓派都能满足你的需求。这种灵活性使得开发者可以根据项目需求选择最适合的编程语言，从而提高开发效率和代码质量。

PCF8591是一个功能强大的8位CMOS数据采集器件，它使用I2C通信协议与其他设备进行数据交互。这种通信方式具有高可靠性和长距离传输的优势，因此在许多应用中得到了广泛的应用。在一个系统中，可以同时使用多个PCF8591，每个设备都有其独特的地址，从而避免了地址冲突的问题。

为了实现树莓派与PCF8591之间的通信，需要将树莓派的SCL和SDA引脚分别连接到PCF8591的SCL和SDA引脚上。这样，树莓派就成为了这个I2C通信系统中的主设备，可以控制PCF8591的读写操作，并读取它所采集的实验数据。连接完成后，树莓派就可以通过特定的代码来配置PCF8591的参数；然后PCF8591进行数据采集工作，并将结果发送回树莓派进行处理或分析[1-2]。

2软件

本系统在树莓派中利用Python开发实验数据传输与处理系统。Python是一种具有动态语法意义的高层编辑语言，编写程序时不需要考虑底层细节，提高开发效率；Python可拓展性高，除自身编写外，还可以混合使用C语言、Java语言等；Python编写的程序可以打包为独立的exe文件，方便在任何环境下运行。综上所述，Python在开发实验数据传输与处理系统中优势更突出[3]。

在实验数据传输与处理系统中，需要一个简洁清晰的界面来展示实验数据及处理结果。Python中常用的GUI（GraphicsUsersInterface）库有：Tkinter、PyQt和wxPython。本系统的界面设计选用Tkinter，其在界面设计上的优势：（1）简单好用，操作简便；（2）适用领域广，可用于windows/linux操作系统，实现本地窗口风格；（3）界面直观，方便使用，适用于开发各种系统[4-5]。

3RC暂态电路实验的数据传输与处理系统

3.1RC暂态电路

RC电路，又称电阻-电容电路，由一个电阻器和一个电容器组成，广泛应用于模拟电路和脉冲数字电路中。RC电路的时间常数用表示，其大小决定了充放电时间的快慢。对充电而言，时间常数是电容电压从0增长到所需要的时间；对于放电而言，是电容电压从下降到所需要的时间[6]。

3.2设备连接

本系统的设备连接：一方面模数转换器PCF8591与RC暂态电路连接，PCF8591的AIN01和GND引脚分别接至电容器的正极和负极，用来实时采集电容器两端的电压；另一方面PCF8591与树莓派连接，将采集的数据传输至树莓派，通过I2C总线方式实现，PCF8591的串行时钟SCL和数据地址SDA分别连接至树莓派的串行时钟SCL.1和数据地址SDA.1。树莓派给PCF8591供电，PCF8591的VCC端和GND端分别连接至树莓派的VCC端和GND端。

3.3软件设计

软件设计部分基于树莓派系统，使用python语言，主要分为数据采集和数据处理两部分。

树莓派操作系统初始化；建立树莓派与PCF8591的I2C通信；创建新的excel文件，准备采集并收集实验数据；创建便捷控制实验数据采集启停的界面，方便控制数据采集的启停；按照预先设计的频率采集实验数据；将时间与实验数据对应填入Excel表格，保存，等待后续处理。

初始化数据处理系统，定义拟合函数；创建直观的数据处理操作界面，从Excel中选择指定实验数据进行处理，方便快捷地操纵实验数据处理进程；实验数据经NumPy计算后，调用Matplotlib库中的Pyplot拟合得到对应的曲线，可以将同一条件下的拟合曲线展示于同一个坐标系中，通过对比获得实验结论。

4结果与讨论

RC暂态电路通过改变电阻阻值R、电容容量C来改变暂态电路的时间常数，研究时间常数与暂态电路的充放电之间的关系，电容器两端电压值与暂态电路的充放电电压最值之间的关系。基于树莓派和PCF8591搭建实验硬件平台，利用Python开发实验数据传输与处理系统，实现实验数据自动采集、快速处理，自动生成拟合曲线，根据拟合曲线辅助学生分析RC暂态电路各个变量之间的变化关系。

固定电容容量C=470μf，电阻阻值R分别取100kΩ、50kΩ、10kΩ，采集实验数据后，拟合RC暂态电路充放电过程中电容器两端电压随时间t的曲线图。随着电阻的变化，拟合曲线的变化趋势明显。其中图1表示各参数下的充电曲线，图2为各参数下的放电曲线。随着电阻阻值R的变化，时间常数发生有规律的变化，显然时间常数与电阻阻值呈线性变化。

同样，可以测试固定电阻阻值R=100kΩ，，改变电容容量C为940μf、470μf、235μf，采集实验数据后，拟合RC暂态电路充放电过程中电容器两端电压随时间的曲线，随着电容容量的变化，拟合曲线的变化趋势也很明显。也可以测试电阻阻值和电容容量都可变的情况，采集实验数据后，拟合RC暂态电路充放电过程中的曲线，观察拟合曲线的变化趋势。

5结语

树莓派的可开发性高，不仅能够外接多种传输设备，还能运行python和C编程语言。通过编写代码，轻松实现系统开发等功能，同时能够提高学生的硬件设计和软件编程能力。本文以RC暂态电路实验为例，展示了树莓派在大学物理实验中的实际应用。基于树莓派的实验数据采集与处理系统，实现了实验数据的自动采集和处理，对于提高实验效率和准确度，具有十分重要的意义。

参考文献

[1] 李明.基于树莓派的PCF8591数据采集系统设计[J].电子技术与软件工程，2023（10）：18-20.

[2] 张涛.I2C通信协议及其在数据采集中的应用[M].北京：电子工业出版社，2021：12-15.

[3] 陈金立，周镕，陈宣，等.一种基于树莓派的气象数据监测教学实验设计[J].实验技术与管理，2021，38（6）：189-192，198.

[4] 孔欣茹.基于树莓派的温度巡检机器人设计与实现[D].太原：山西大学，2023.

[5] 徐元聪.基于树莓派的吸烟手势检测研究[D].荆州：长江大学，2023.

[6] 刘雪琳，章钰琪，董爱国.基于Python的物理实验数据处理系统设计与实现[J].实验技术与管理，2021，38（3）：74-78.