利用ESP32和Phyphox描绘电容器电量与电压关系图像
实验场景
1 引言
自从2020年国庆节期间学会了ESP32与Phyphox的蓝牙通信之后，微主就一直想解决电容器电压与电量关系的可视化问题，试图对充电电流积分得出电荷量，然后描绘出电量-电压关系图像。
理想很丰满，现实很骨感，不管怎么调试，就是得不到理想的正比关系图像，甚是急人。
正月初一，微主重新梳理了这个实验，选用2200微法的电容器为研究对象，串联限流电阻为2000欧姆，利用ESP32自带的5伏电源进行充电实验，取得了十分理想的效果。
2 设计思路
实验时，利用IO33脚测量电容器的电压，再通过欧姆定律计算出限流电阻中的电流；将得到的电压电流数据利用蓝牙发送给智能手机中搭载的Phyphox；Phyphox将电流作积分运算，得到电荷量；最后在Phyphox中描绘出电容器的电量-电压曲线。
3 ESP32编程
/*
描绘出电容器的特性曲线。
*/
#include <phyphoxBle.h>
int Pin1 = 33;//读取电容器电压
float Ic = 0;//电容器的电流
float Vc = 0;//电容器的电压
float R = 2000.0; //定值电阻
void setup()
{
PhyphoxBLE::start("Phyphox蓝牙实验");
PhyphoxBleExperiment plotPhotoResistor;
plotPhotoResistor.setTitle("电容器q-u曲线的描绘");
plotPhotoResistor.setCategory("Phyphox蓝牙实验");
plotPhotoResistor.setDescription("张怀华，焦作十一中，本实验用定值电阻R与待测电容器C相串联，测量出电容器的电压、电流、积分出电量，描绘出电容器的q-u曲线。");
//View
PhyphoxBleExperiment::View firstView;
firstView.setLabel("MyView"); //Create a "view"
//Graph
PhyphoxBleExperiment::Graph firstGraph;
firstGraph.setLabel("电容器的q-u曲线");
firstGraph.setUnitX("V");
firstGraph.setUnitY("C");
firstGraph.setLabelX("电压");
firstGraph.setLabelY("电量");
firstGraph.setChannel(1,2);//启用第1、2个蓝牙信道
firstView.addElement(firstGraph);
plotPhotoResistor.addView(firstView);
PhyphoxBLE::addExperiment(plotPhotoResistor);
}
void loop()
{
float Vc = analogRead(Pin1) * 5.0 / 1024.0 / 4.0;//读取电容器两端电压
if (Vc != 0.0)
{
Ic = (5.0 - Vc) / R;//计算电容器内部电流
PhyphoxBLE::write(Vc,Ic);//电压和电流数据利用蓝牙发送
};
delay(10);
PhyphoxBLE::poll();
}
4 Phyphox实验编程
在此实验中，ESP32每10毫秒测量和发送一组电压、电流数据，Phyphox对电流作积分运算电路时，是每个0.01秒将电流值累加起来，累加值除以采样频率100Hz，就得到了冲入电容器中的电荷量。
在Phyphox中以二维码方式添加实验，扫描下面的二维码，可以将本实验加载到手机中。
Phyphox实验加载二维码
5 数据分析
电路搭建成功后，正常进行实验操作，Phyphox就会自动绘制出相关函数关系图像。
在本实验中，依次绘制出了电压-时间关系图像、电流-时间关系图像、电量-时间关系图像和电量-电压关系图像。
实验图像
如果仔细观察电压-时间关系图像和电量-时间关系图像，可以发现电量和电压随时间的变化规律非常相似。
q-u关系图像
将电量-电压关系图像展成全屏，将图像作线性拟合，可以发现电量-电压关系图像是一条过原点的倾斜的直线。电量-电压关系图像的斜率为1988微法，与电容器的标称值2200微法比较接近。
6 结论
在电容器充电过程中，电容器中的电荷量与电容器两端电压成正比例。
实验装置
| 创客焦作 |
河南创客焦作是焦作市创客教育名师工作室的微信公众平台，以创客教育为主要研究方向，分享创客案例，讲解创新方法，启迪创意设计，开展科学探究，组织社会调查，指导论文写作，参加创客大赛和专利申请，发现、培养和成就一批具有创新潜质的学生。
河南公众号码：chuangkejiaozuo
河南名师博客：http://blog.sina.com.cn/updays