4.3.9 Micro:bit Multi-sensor OLED Monitoring Platform

4.3.9.1 Übersicht

In diesem Projekt verwenden wir das micro:bit-Board als zentrale Verarbeitungseinheit, um die Werte seiner eingebauten Sensoren (einschließlich Lichtsensor, Temperatursensor, Mikrofon) sowie externer Sensoren (wie PM2.5-Staubsensor, Niederschlagsensor und Solare Ultraviolett-Sensor) auszulesen. Diese Werte werden dann in Echtzeit über die I2C-Schnittstelle auf dem OLED angezeigt.

Gleichzeitig kann die Drehung des Lüfters auf dem 130-Motor-Modul durch Drücken der Taste A auf dem micro:bit-Board gesteuert werden, und das Versprühen von Wassernebel aus dem Zerstäubungsmodul kann durch Drücken der Taste B auf dem micro:bit-Board gesteuert werden.

4.3.9.2 Benötigte Komponenten


micro:bit V2 Board ×1	micro:bit Shield ×1	OLED-Display ×1

PM2.5-Staubsensor ×1	Motor ×1	Niederschlagsensor ×1

Ultraviolett-Sensor ×1	Batteriehalter ×1	AA-Batterien (selbst bereitgestellt) ×6

micro USB-Kabel ×1	4-poliges Kabel ×3	3-poliges Kabel ×3

Zerstäubungsmodul ×1	Lüfter ×1

4.3.9.3 Anschlussdiagramm

⚠️ Bitte achten Sie beim Verdrahten auf die Drahtfarbe.

Ultraviolettsensor	Drahtfarbe	micro:bit Shield-Pin	micro:bit Board-Pin
G	black	G	G
V	red	V2	V
S	yellow	0	P0

Niederschlagsensor	Drahtfarbe	micro:bit Shield-Pin	micro:bit Board-Pin
G	black	G	G
V	red	V1	V
S	yellow	1	P1

PM2.5-Staubsensor	Drahtfarbe	micro:bit Shield-Pin	micro:bit Board-Pin
GND	black	G	G
VCC	red	V2	V
LED	blue	9	P9
OUT	green	2	P2

Zerstäubungsmodul	Drahtfarbe	micro:bit Shield-Pin	micro:bit Board-Pin
G	black	G	G
V	red	V2	V
S	yellow	16	P16

Motor	Drahtfarbe	micro:bit Shield-Pin	micro:bit Board-Pin
G	black	G	G
V	red	V2	V
IN+	blue	13	P13
IN-	green	15	P15

OLED-Display	Drahtfarbe	micro:bit Shield-Pin	micro:bit Board-Pin
GND	black	G	G
VCC	red	V2	V
SDA	blue	20	P20
SCL	green	19	P19

4.3.9.4 Ablaufdiagramm

4.3.9.5 Testcode

⚠️ Tipp 1: Bevor Sie den Code auf das Microbit-Board herunterladen, importieren Sie bitte die Bibliotheksdatei “oled_ssd1306.py”, siehe “Import Library on MU” .

⚠️ Tipp 2: Falls die Bibliotheksdatei “XHT11.py” bereits auf das micro:bit-Board importiert wurde, muss sie vom micro:bit-Board entfernt werden. Andernfalls führt dies zu unzureichendem Speicher auf dem Microbit-Motherboard, wodurch das Herunterladen des Beispielcodes auf das Microbit-Board nicht erfolgreich ist.

Klicken Sie auf die Schaltfläche “Files”, dann rechtsklicken Sie in der linken Box auf die Bibliotheksdatei “XHT11.py”, es erscheint die Option “Delete (cannot be undone)”, klicken Sie auf “Delete (cannot be undone)”. Damit wurde die Bibliotheksdatei “XHT11.py” gelöscht.

Vollständiger Code:

'''
Theme: A multi-sensor OLED monitoring platform based on Micro:bit
Function: OLED displays the values of multiple sensors
Compiling IDE: MU 1.2.0
Author: https://docs.keyestudio.com
'''
# import related libraries
from microbit import *
from oled_ssd1306 import *
import math
import time

display.show(Image.HAPPY)  # LED matrix displays a happy pattern

# initialize and clear oled
initialize()
clear_oled()

# Hardware connection: PM2.5 dust sensor
out_Pin = pin2
led_Pin = pin9

# Hardware connection: steam sensor
Steam_PIN = pin1
WET_VALUE = 1023
DRY_VALUE = 0

# Initialize the ADC pin (the ultraviolet sensor is connected to pin0)
uv_sensor = pin0

# Time parameter
delayTime = 280
delayTime2 = 40
offTime = 9680

def map_value(value, in_min, in_max, out_min, out_max):
    """Linearly map the input values to the output range"""
    if in_max - in_min == 0:
        return out_min
    return (value - in_min) * (out_max - out_min) // (in_max - in_min) + out_min

def get_rain_percentage():
    """Read the sensor and return the percentage of rainfall"""
    raw_value = Steam_PIN.read_analog()
    percentage = map_value(raw_value, DRY_VALUE, WET_VALUE, 0, 100)
    return max(0, min(100, percentage))

def read_uv_index():
    raw_value = uv_sensor.read_analog()
    if raw_value > 1023:
        raw_value = 1023
    elif raw_value < 0:
        raw_value = 0
    uvi = raw_value * (15.0 / 1023)
    return round(uvi, 1)

def microsecond_delay(us):
    """Precise microsecond delay"""
    start = time.ticks_us()
    while time.ticks_diff(time.ticks_us(), start) < us:
        pass

while True:
    # Measurement sequence
    led_Pin.write_digital(0)      # LED OFF
    microsecond_delay(delayTime)   # 280μs
    dustVal = out_Pin.read_analog()  # Read the PM2.5 dust sensor
    microsecond_delay(delayTime2)  # 40μs
    led_Pin.write_digital(1)      # LED ON
    microsecond_delay(offTime)     # 9680μs

    Lightintensity = display.read_light_level()
    Temperature = temperature()
    soundLevel = microphone.sound_level()
    rain_percent = get_rain_percentage()
    uv = read_uv_index()
    clear_oled()
    if button_a.is_pressed(): # if button_a.is pressed
        sleep(200)
        pin13.write_digital(1) # the fan is rotating.
        pin15.write_digital(0)
        sleep(200)
    else: # or
        pin13.write_digital(0) # the fan does not rotate.
        pin15.write_digital(0)
    if button_b.is_pressed(): # if button_b.is pressed
        pin16.write_digital(0) # the atomization module sprays water mist.
        sleep(200)
        pin16.write_digital(1)
        sleep(3000)
        pin16.write_digital(0)
        sleep(200)
        pin16.write_digital(1)
        sleep(1000)
    else: # or
        pin16.write_digital(1) # the atomization module does not spray water mist.

    add_text(0, 0, "Temper:")
    add_text(7, 0, str(int(Temperature)) + "C") # Display the Temperature value on the OLED
    add_text(0, 2, "UV:")
    add_text(3, 2, str(int(uv))) # Display the UV value on the OLED
    add_text(5, 2, " | Rain:")
    add_text(13, 2, str(int(rain_percent)) + "%") # Display the percentage of rainfall on the OLED
    add_text(0, 4, "Light:")
    add_text(6, 4, str(Lightintensity)) # Display the light intensity on the OLED
    add_text(9, 4, " | Sound:")
    add_text(18, 4, str(soundLevel)) # Display the noise intensity on the OLED
    # Calculation and display
    if dustVal > 36.455:
        # The exact same calculation formula
        voltage = dustVal / 1024.0
        pm25 = (voltage - 0.0356) * 120000 * 0.035

        # OLED displays detailed PM2.5dust value information.
        add_text(0, 6, "PM2.5dust:")
        add_text(10, 6, str(round(pm25)) + "ug/m3")
    else:
        print("Low value:", dustVal)
    sleep(500)

Kurze Erläuterung:

① Importieren der Bibliotheken microbit, oled_ssd1306, math und time.

from microbit import *
from oled_ssd1306 import *
import math
import time

② Die 5×5-LED-Matrix zeigt .

display.show(Image.HAPPY)

③ OLED initialisieren und OLED löschen.

initialize()
clear_oled()

④ Initialisieren der Pins des PM2.5-Staubsensors.

out_Pin = pin2
led_Pin = pin9

⑤ Initialisieren des Pins und der Variablen des Niederschlagssensors.

Steam_PIN = pin1
WET_VALUE = 1023
DRY_VALUE = 0

⑥ Initialisieren des Pins des Solar-Ultraviolettsensors.

uv_sensor = pin0

⑦ Festlegen der Anfangswerte der Zeitvariablen.

delayTime = 280
delayTime2 = 40
offTime = 9680

⑧ Definition einer Map-Unterfunktion (um einen Zahlenbereich linear auf einen anderen abzubilden).

def map_value(value, in_min, in_max, out_min, out_max):
    """Linearly map the input values to the output range"""
    if in_max - in_min == 0:  
        return out_min
    return (value - in_min) * (out_max - out_min) // (in_max - in_min) + out_min

⑨ Definition einer Unterfunktion zur Ermittlung des Niederschlagsprozentsatzes.

def get_rain_percentage():
    """Read the sensor and return the percentage of rainfall"""
    raw_value = Steam_PIN.read_analog()
    percentage = map_value(raw_value, DRY_VALUE, WET_VALUE, 0, 100)
    return max(0, min(100, percentage))

⑩ Definition einer Unterfunktion zur Ermittlung des vom Solaren Ultraviolettsensor erfassten UV-Index-Wertes.

def read_uv_index():
    raw_value = uv_sensor.read_analog()
    if raw_value > 1023:
        raw_value = 1023
    elif raw_value < 0:
        raw_value = 0
    uvi = raw_value * (15.0 / 1023)
    return round(uvi, 1)

⑪ Definition einer Unterfunktion für Mikrosekunden-Verzögerung.

def microsecond_delay(us):
    """Precise microsecond delay"""
    start = time.ticks_us()
    while time.ticks_diff(time.ticks_us(), start) < us:
        pass

⑫ Steuerung der Messzeit des PM2.5-Staubsensors, hauptsächlich zur Erkennung der Staubkonzentration in der Luft.

led_Pin.write_digital(0)       # LED AUS
microsecond_delay(delayTime)   # 280μs
dustVal = out_Pin.read_analog()  # PM2.5-Staubsensor auslesen
microsecond_delay(delayTime2)  # 40μs
led_Pin.write_digital(1)       # LED AN
microsecond_delay(offTime)     # 9680μs

⑬ Auslesen der Werte für Lichtintensität, Temperatur, Lautstärke, Niederschlagsmenge und Ultraviolett.

Lightintensity = display.read_light_level()
Temperature = temperature()
soundLevel = microphone.sound_level()
rain_percent = get_rain_percentage()
uv = read_uv_index()

⑭ Verzweigungsanweisung: if()…else…

Drücken Sie die Taste A auf dem micro:bit-Board, und der Motor treibt den Lüfter an. Andernfalls dreht sich der Lüfter nicht.

if button_a.is_pressed(): # wenn button_a gedrückt ist
    sleep(200)
    pin13.write_digital(1) # der Lüfter dreht sich.
    pin15.write_digital(0)
     sleep(200)
else: # oder
    pin13.write_digital(0) # der Lüfter dreht sich nicht.
    pin15.write_digital(0)

⑮ Verzweigungsanweisung: if()…else…

Drücken Sie die Taste B auf dem micro:bit-Board, und das Zerstäubungsmodul sprüht Wassernebel. Andernfalls arbeitet es nicht.

if button_b.is_pressed(): # wenn button_b gedrückt ist
    pin16.write_digital(0) # das Zerstäubungsmodul sprüht Wassernebel.
    sleep(200)
    pin16.write_digital(1)
    sleep(3000)
    pin16.write_digital(0)
    sleep(200)
    pin16.write_digital(1)
    sleep(1000)
 else: # oder
    pin16.write_digital(1) # das Zerstäubungsmodul sprüht keinen Wassernebel.

⑯ Anzeige der Werte von Ultraviolett, Temperatur, Niederschlagsmenge, Lichtintensität und Geräuschpegel auf dem OLED.

add_text(0, 0, "Temper:")
add_text(7, 0, str(int(Temperature)) + "C") # Temperaturwert auf dem OLED anzeigen
add_text(0, 2, "UV:")
add_text(3, 2, str(int(uv))) # UV-Wert auf dem OLED anzeigen
add_text(5, 2, " | Rain:")
add_text(13, 2, str(int(rain_percent)) + "%") # Prozentuale Niederschlagsmenge auf dem OLED anzeigen
add_text(0, 4, "Light:")
add_text(6, 4, str(Lightintensity)) # Lichtintensität auf dem OLED anzeigen
add_text(9, 4, " | Sound:")
add_text(18, 4, str(soundLevel)) # Geräuschpegel auf dem OLED anzeigen

⑰ Wenn der Analogwert der PM2.5-Staubpartikel 36.455 überschreitet, kann daraus die Konzentration berechnet und auf dem OLED angezeigt werden. Andernfalls gibt der serielle Monitor die entsprechenden Staub-Analogwerte aus.

if dustVal > 36.455:
    # The exact same calculation formula
    voltage = dustVal / 1024.0
    pm25 = (voltage - 0.0356) * 120000 * 0.035

    # OLED displays detailed PM2.5dust value information.
    add_text(0, 6, "PM2.5dust:") 
    add_text(10, 6, str(round(pm25)) + "ug/m3") 
else:
    print("Low value:", dustVal)

4.3.9.6 Testergebnis

Nach dem Verdrahten und dem Einschalten über das Micro-USB-Kabel schließen Sie die externe Stromversorgung (6 AA-Batterien) an, um eine ausreichende Stromversorgung sicherzustellen, und klicken Sie auf “Flash”, um den Code auf das micro:bit-Board herunterzuladen.

Nachdem der Testcode hochgeladen wurde, drücken Sie die Reset-Taste auf der Rückseite des micro:bit.

Lesen Sie die Werte seiner eingebauten Sensoren (einschließlich Lichtsensor, Temperatursensor, Mikrofon) sowie externer Sensoren (wie PM2.5-Staubsensor, Niederschlagsensor und Solar-Ultraviolett-Sensor) aus. Anschließend werden Lichtintensität, Temperatur, Geräuschpegel, Niederschlagsintensität, Sonnen-UV-Intensität und PM2.5-Staubkonzentration in Echtzeit und anschaulich über das OLED-Anzeigefeld mit I2C-Schnittstelle dargestellt.

Pusten Sie Luft (oder erzeugen Sie ein sehr lautes Geräusch) in das Mikrofon auf dem Microbit-Board (⚠️ besondere Erinnerung: Pusten hat einen deutlich sichtbareren Effekt), und das OLED zeigt die Intensität des Luftstoßes (oder des Geräuschs) an.

Wenn Taste A auf dem micro:bit-Board gedrückt wird, dreht sich der Lüfter auf dem Motor-Modul. Wenn Taste B auf dem Board gedrückt wird, sprüht das Zerstäubungsmodul Wassernebel.

⚠️ Besonderer Hinweis: Manchmal kann die Spannung der externen Stromversorgung unzureichend sein. In solchen Fällen kann es erforderlich sein, die Taste auf dem micro:bit-Board zweimal zu drücken, bevor sich der Lüfter zu drehen beginnt oder das Zerstäubungsmodul Wassernebel versprüht.

⚠️ Hinweis: Die Bausteine (building blocks) im Experiment sind nicht in diesem Kit enthalten.

(Tipp: Falls kein Ergebnis sichtbar ist, drücken Sie bitte die Reset-Taste des micro:bit-Boards.)