构建一个Arduino温度数据记录系统，可读取LM35传感器的温度并将其存储到CSV文本文件中

在本项目中，您将学习如何使用Arduino Uno和Python构建一个低成本的多通道数据采集(DAQ)系统。该系统可实时采集多个通道的传感器数据，并自动将测量结果保存到CSV(逗号分隔值)文件中，便于在电子表格软件或其他数据处理工具中进行分析。

引言

DAQ系统设计用于同时监测四个独立传感器的温度，并可根据需要扩展以支持更多通道，因此非常适合用于实验、环境监测和教育项目。

硬件

•Arduino Uno

•基于LM324运算放大器的模拟前端

•以及四个LM35温度传感器

传感器的模拟信号在经过LM324电路进行调理后，由Arduino内置的10位ADC(ATmega328P)采样。

将传感器读数数字化后，Arduino通过USB虚拟串口将数据传输到Windows电脑或Mac。一个Python应用程序接收这些数据，实时显示，并将每次测量结果记录到CSV文件中，以便永久保存和后续分析。

什么是CSV文件以及它们的工作原理

CSV(逗号分隔值)文件是存储表格数据最简单且最广泛使用的格式之一。在CSV文件中，每一行代表一条记录，而逗号则用于分隔该行中的各个值或字段。由于其采用纯文本格式，因此可以使用文本编辑器、Microsoft Excel或Google Sheets等电子表格软件，以及Python等编程语言来创建、查看和编辑CSV文件。

Python Arduino 数据记录仪的硬件设计

LM35温度传感器产生的低电平模拟信号首先通过一个LM324四路运算放大器进行放大，然后输入到Arduino Uno的模拟输入端口。

每个放大级的电压增益设置为3.44，以提高传感器输出电压，从而提升Arduino 10位ADC的测量分辨率。

信号调理电路以一个LM324四路运算放大器为核心，每个LM35温度传感器分别由一个放大器负责。关于放大器设计的详细说明，包括电路图和增益计算，可参见LM35放大器设计文章。

放大后的输出连接到Arduino Uno的方式如下：

•放大器通道1(AN1)→ Arduino A0

•放大器通道2(AN2)→ Arduino A1

•放大器通道3(AN3)→ Arduino A2

•放大器通道4(AN4)→ Arduino A3

Arduino Uno 通过其 USB 接口连接到计算机，该接口同时也充当虚拟串行(COM)端口。这种串行连接使 Arduino 能够实时将温度测量数据传输给运行在电脑上的 Python 应用程序。

在采样四个模拟输入通道并将传感器电压转换为数字值后，Arduino 会通过串行端口以简单、逗号分隔的格式发送温度读数。每个串行消息包含四个 LM35 温度传感器的读数，顺序如下：

温度1、温度2、温度3、温度4

例如，一个典型的串行数据包可能如下所示：

25.3，24.9，26.1，25.7

Python 应用程序会持续读取每个传入的数据包，提取其中的四个温度值，在屏幕上显示，并将这些数据存储到 CSV 文件中，以便后续分析和可视化。

Python数据记录系统软件架构

Python数据记录器代码首先创建一个唯一的CSV文件，用于存储温度测量数据。

文件名会根据当前日期和时间自动生成，确保每次日志会话都保存到不同的文件中。

创建文件后，程序会写入一行标题，包含每列数据的名称。

接下来，Python 应用程序使用 PySerial 库与 Arduino 建立串行连接。由于 Arduino 在打开串行端口时会自动复位，因此程序会在开始数据采集前短暂等待板子重启。

一旦建立通信，数据记录器便进入连续采集循环。在每次迭代中，Python程序会向Arduino发送字符“$”，以请求获取一组新的温度读数。作为回应，Arduino测量四个LM35传感器，并将数据以单行文本格式返回，格式如下：

温度1、温度2、温度3、温度4

Python 程序接收这些数据，记录计算机当前的日期和时间，并将时间戳与四个温度值结合，生成一条完整的日志条目。

随后，该条目会被追加到CSV文件中，整个过程持续循环进行，从而实现温度数据的实时记录。

该程序还会安装一个CTRL+C(SIGINT)信号处理程序，使用户能够随时安全地停止数据记录。当用户按下CTRL+C时，采集循环将优雅退出，CSV文件会被正确关闭，并在程序终止前释放串行端口。

运行 Python 数据记录器代码

在运行 Python 数据记录器之前，请确保您的 Windows 电脑上已安装 PySerial 库。

如果您是PySerial的新手，请参考我们的PySerial教程，其中介绍了如何安装该库以及使用Python与串行设备进行通信的方法。

接下来，确定分配给您的Arduino Uno的COM端口编号。

您可以通过在 Windows 中打开设备管理器，然后展开“端口(COM 和 LPT)”部分来找到它。

请注意与Arduino关联的COM端口，因为您需要在Python程序中指定它。

更新COM端口编号(如有需要)后，打开命令提示符，进入包含Python脚本的文件夹，并使用以下命令运行程序：

如果您的系统使用 Python 启动器，您也可以通过以下方式启动程序：

程序启动后，将连接到Arduino，创建一个带有时间戳文件名的新CSV文件，并开始实时记录温度数据。

数据记录结束后，您可以打开生成的CSV文件，使用Microsoft Excel、LibreOffice Calc或其他支持CSV文件的电子表格应用程序。然后，您就可以对记录的温度数据进行整理、筛选和分析。

在 Excel 中从 CSV 数据创建图表

您可以在 MS Excel 中使用快速分析工具，以直观的方式生成图表或图形来展示您的数据。

本文编译自hackster.io