第9周小组作业：使用示波器测量 Grove 传感器

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任务概述

根据第9周课程大纲的要求，我们小组需要选择输入设备，使用示波器测量其电信号特性，分析并理解其工作原理。在本次作业中，我们将：

XIAO ESP32C3 与 Grove DHT11 温湿度传感器测试教程（由冯磊编写）
XIAO ESP32S3 与 ADXL345L 三轴加速度计测试教程（由刘鸿泰编写）

XIAO ESP32C3 与 Grove DHT11 温湿度传感器测试教程

我测量使用了 OWON EDS102CV 示波器，这是一款双通道数字存储示波器，采样率高达1GS/s，带宽100MHz，适合测量和分析各种电子信号。

OWON EDS102CV 示波器

主要技术规格：

带宽：100MHz
通道数：2
最大采样率：1GS/s
时基范围：2ns/div - 100s/div
垂直灵敏度：2mV/div - 10V/div
显示屏：8英寸彩色LCD

示波器的功能说明，可以参考 Katherine 的文档：Week12. Input Devices。

Grove DHT11温湿度传感器简介

Grove DHT11 是一款 Seeed Studio 制造的基本的数字温湿度传感器，专为入门级电子项目设计。以下是它的主要特点：

基本规格

测量范围：温度0-50°C，湿度20-90%RH
精度：温度±2°C，湿度±5%RH
分辨率：温度1°C，湿度1%RH
供电电压：3.3V-5.5V
数据输出：单总线数字信号

特点

Grove接口：采用标准Grove接口设计，无需焊接，即插即用
低功耗：平均工作电流0.5mA，待机电流为100μA左右
体积小：传感器模块尺寸小，便于集成到各类项目中
信号传输距离：标准条件下可达20米
长期稳定性：校准系数存储在OTP内存中，确保长期稳定工作

工作原理

DHT11内部包含一个电阻式湿度测量元件和一个NTC温度测量元件。传感器采集环境数据后，通过单总线协议将数字信号输出到微控制器。一次完整的数据包含40位数据，包括湿度整数部分、湿度小数部分、温度整数部分、温度小数部分以及校验和。

通信协议

DHT11使用简化的单总线通信协议：

主机发送开始信号：拉低数据线至少18ms，然后拉高20-40μs
传感器响应：拉低数据线80μs，然后拉高80μs
数据传输：每个数据位由50μs低电平信号开始，接着的高电平长度决定数据位是"0"还是"1"
- "0"：高电平持续26-28μs
- "1"：高电平持续70μs

应用场景

家庭自动化项目：室内环境监测
气象站：简易天气监测
教育项目：Arduino、树莓派和其他微控制器入门学习
植物养护：室内植物生长环境监测
简易温湿度显示器：与LCD/OLED显示屏结合

优缺点

优点：

价格低廉，适合初学者
使用简单，代码库丰富
Grove接口便于快速原型设计

缺点：

精度相对较低，不适合高精度要求场景
测量范围有限，不适合极端环境
更新速率较慢，推荐测量间隔≥2秒

这款传感器是初学者学习输入设备和传感器通信协议的理想选择，特别适合MIT Fab Academy输入设备课程这样的教育环境。

材料准备

XIAO ESP32C3开发板
Grove DHT11温湿度传感器
OWON EDS102CV示波器
示波器探头
连接线
USB数据线
电脑（安装Arduino IDE）

第一部分：硬件连接

连接DHT11到XIAO ESP32C3
- 将Grove DHT11的VCC引脚连接到XIAO ESP32C3的3.3V
- 将Grove DHT11的GND引脚连接到XIAO ESP32C3的GND
- 将Grove DHT11的DATA引脚连接到XIAO ESP32C3的D2（数字引脚2）

接线图如下图所示。

XIAO ESP32C3 与 Grove DHT11 的接线图

连接示波器探头
- 将示波器CH1探头的探针连接到DHT11的DATA引脚
- 将示波器CH1探头的接地夹连接到电路的GND
连接XIAO ESP32C3到电脑
- 使用USB数据线将XIAO ESP32C3连接到电脑

设备链接后如下图所示。

设备实际连接的现场图片

第二部分：软件设置

安装必要的库
- 打开Arduino IDE
- 进入"工具" > "管理库"
- 搜索并安装"DHT sensor library"和"Adafruit Unified Sensor"库
- 搜索并安装"Seeed XIAO ESP32C3"板支持（如果尚未安装）
基础代码编写
- 创建新的Arduino草图
- 复制以下代码：

cpp

// Example testing sketch for various DHT humidity/temperature sensors
  // Written by ladyada, public domain
  
  // REQUIRES the following Arduino libraries:
  // - DHT Sensor Library: https://github.com/adafruit/DHT-sensor-library
  // - Adafruit Unified Sensor Lib: https://github.com/adafruit/Adafruit_Sensor
  
  #include "DHT.h"
  
  #define DHTPIN D2   // Digital pin connected to the DHT sensor
  
  #define DHTTYPE DHT11   // DHT 11
  
  DHT dht(DHTPIN, DHTTYPE);
  
  void setup() {
    Serial.begin(9600);
    Serial.println(F("DHTxx test!"));
  
    dht.begin();
  }
  
  void loop() {
    // Wait a few seconds between measurements.
    delay(2000);
  
    // Reading temperature or humidity takes about 250 milliseconds!
    // Sensor readings may also be up to 2 seconds 'old' (its a very slow sensor)
    float h = dht.readHumidity();
    // Read temperature as Celsius (the default)
    float t = dht.readTemperature();
    // Read temperature as Fahrenheit (isFahrenheit = true)
    float f = dht.readTemperature(true);
  
    // Check if any reads failed and exit early (to try again).
    if (isnan(h) || isnan(t) || isnan(f)) {
      Serial.println(F("Failed to read from DHT sensor!"));
      return;
    }
  
    // Compute heat index in Fahrenheit (the default)
    float hif = dht.computeHeatIndex(f, h);
    // Compute heat index in Celsius (isFahreheit = false)
    float hic = dht.computeHeatIndex(t, h, false);
  
    Serial.print(F("Humidity: "));
    Serial.print(h);
    Serial.print(F("%  Temperature: "));
    Serial.print(t);
    Serial.print(F("°C "));
    Serial.print(f);
    Serial.print(F("°F  Heat index: "));
    Serial.print(hic);
    Serial.print(F("°C "));
    Serial.print(hif);
    Serial.println(F("°F"));
  }

上传代码
- 选择正确的开发板："工具" > "开发板" > "Seeed Studio XIAO Series" > "Seeed Studio XIAO ESP32C3"
- 选择正确的端口："工具" > "端口" > 选择XIAO连接的COM端口
- 点击上传按钮

如果硬件连接正常，在 Arduino 的串口监视器可以看到下图所示的传感器数据，用示波器测量的时候，保持传感器持续输出数据。

保持 Arduino IDE 的串口监视器始终能看到传感器输出的数据

第三部分：示波器测量

配置示波器设置
- 打开OWON EDS102CV示波器。
- 设置时基（Time/Div）为2ms/div，开始观察。
- 设置电压刻度（Volts/Div）为1V/div。
- 确保CH1被选中并显示。
观察DHT11通信信号
- 观察示波器显示的波形
- DHT11使用单总线协议，您应该能看到以下特征：
  - 开始信号：低电平持续至少18ms，然后高电平80μs。
  - 数据传输：每个位由50μs低电平+26-28μs高电平（表示"0"）或50μs低电平+70μs高电平（表示"1"）组成。
调整示波器设置
- 如果信号不清晰，尝试调整触发电平。
- 使用示波器的单次（Single）按钮触发功能捕获完整的通信过程，成果捕获数据后，。左上角的 Run/Stop 按钮会变红暂停，如下图所示。

使用右侧的单次（Single）按钮，可以自动捕获 Grove DHT11 的数据传输周期

- 使用“添加测量>快照全部”功能测量信号的综合报告，如下图所示。

“添加测量>快照全部”功能可以获得信号的综合报告

第四部分：测量与分析

基于示波器给出的报告，以下是测量参数的列表形式报告：

参数中文名称	测量值
周期 (T)	93.095μs
频率 (F)	10.74KHz
平均值 (V)	1.526V
峰峰值 (Vp)	3.380V
均方根值 (Vk)	2.250V
最小值 (Mi)	-20.00mV
底端值 (Vb)	-20.00mV
过冲 (Os)	1.2%
上升时间 (RT)	<10.000μs
正脉宽 (PW)	20.000μs
正占空比 (D)	20.0%
延迟 (PD)	?
周期均方根 (TR)	370.9mV
工作周期 (WP)	20.0%
最大值 (Ma)	3.360V
顶端值 (Vt)	3.320V
幅度 (Va)	3.340V
顶冲 (Ps)	0.0%
下降时间 (FT)	<10.000μs
负脉宽 (NW)	80.000μs
负占空比 (~D)	80.0%
失真 (ND)	?
同标均方根 (CR)	0.000mV
相位 (RP)	0.000rad

这些参数全面描述了DHT11传感器通信信号的电气特性、时间特性和频率特性，为分析数据传输协议提供了重要依据。

1. 通信周期分析

通过 OWON EDS102CV 示波器的单次（Single）触发模式捕获，我们观察到完整的 DHT11 数据传输周期为：

周期(T): 93.095μs
频率(F): 10.74KHz

这表明DHT11传感器在数据传输阶段的基本位脉冲周期约为 93μs，与 DHT11 规格说明中的 80-100μs 的典型值范围相符。

2. 数据位特征分析

从示波器图像可以观察到：

波形特征：方波信号，呈现高低电平交替
峰峰值(Vp): 3.380V，表明信号从接近 0V 摆动到约 3.3V，符合 3.3V 供电逻辑电平
占空比：
- 正占空比(D): 20.0%
- 负占空比(~D): 80.0%

这个占空比数据非常重要，它显示 DHT11 在传输数据时，高电平占用约20%的时间，低电平占用约80%的时间。这符合 DHT11 通信协议中"0"和"1"的编码方式——通过高电平持续时间的不同来区分数据位的值。

3. 电压特性分析

平均电压值(V): 1.526V
最大值(Ma): 3.360V
顶端值(Vt): 3.320V
峰值(Vp): 3.380V

电压特性显示高电平稳定在 3.3V 左右，这与 XIAO ESP32C3 的 3.3V 逻辑电平匹配。平均电压为 1.526V，反映了低电平状态占用了更多的时间比例。

4. 时间特性分析

上升时间(RT): <10.000μs
下降时间(FT): <10.000μs
正脉宽(PW): 20.000μs
负脉宽(NW): 80.000μs

这些时间参数与 DHT11 协议规范一致。特别是正脉宽 20μs 和负脉宽 80μs 的比例，刚好对应于20%:80%的占空比。

观察结果与分析

信号完整性 观察到的波形显示信号稳定清晰，没有明显的噪声干扰或信号畸变，表明连接良好且传感器工作正常。
协议特性 捕获的波形清晰展示了 DHT11 的单总线通信特性：
- 数据以连续的脉冲串形式传输
- 每个数据位以固定的低电平开始，后跟可变长度的高电平
- 整体时序稳定，没有明显的抖动
位编码验证 根据 DHT11 协议，"0"位由 50μs 低电平 +26-28μs 高电平组成，"1"位由 50μs 低电平+70μs 高电平组成。从示波器测量结果看，负脉宽(低电平)约为80μs，正脉宽(高电平)约为20μs，这表明我们捕获的主要是表示"0"的数据位。

实验报告结论

硬件连接评估

XIAO ESP32C3 与 Grove DHT11 的连接方式简单有效，使用 D2 引脚作为数据线足以实现稳定通信。示波器的连接未对信号产生明显干扰，成功捕获了完整的通信波形。

DHT11通信协议特点

通过示波器观测，我们验证了 DHT11 使用的单总线通信协议具有以下特点：

信号电平范围为0-3.3V，与微控制器逻辑电平匹配。
基本通信周期约为 93μs，频率为 10.74KHz。
数据编码采用占空比编码方式，通过高电平持续时间区分"0"和"1"
信号具有良好的边沿特性，上升和下降时间均小于10μs

应用场景分析

基于观测结果，DHT11 传感器适用于：

非高精度环境监测系统，如家庭气象站。
教育和学习单总线通信协议的演示。
简易的环境控制系统，如温室控制。
低成本物联网设备的环境感知组件。

XIAO ESP32S3 与 ADXL345L 三轴加速度计测试教程

Seeed Studio Grove 3-Axis Digital Compass

任务目标

建立 XIAO ESP32S3 与 ADXL345L 的 I2C 通信连接
通过逻辑分析仪捕获 I2C 协议通信波形
解析 0x32 起始寄存器数据获取三轴加速度值

ADXL345L 技术规格

核心参数

参数	规格值
通信协议	I2C/SPI（本教程使用I2C）
测量范围	±2g/±4g/±8g/±16g
分辨率（±2g）	4mg/LSB
输出数据速率	0.1Hz - 3200Hz
工作电压	2.0V - 3.6V
I2C 地址	0x53 (SDO=GND)
三轴数据寄存器	0x32-0x37（X/Y/Z LSB）

寄存器功能说明

• 0x32：X轴数据低字节（X0）
• 0x33：X轴数据高字节（X1）
• 0x34：Y轴数据低字节（Y0）
• 0x35：Y轴数据高字节（Y1）
• 0x36：Z轴数据低字节（Z0）
• 0x37：Z轴数据高字节（Z1）

硬件连接指南

1. XIAO ESP32S3 与 ADXL345L 接线

ADXL345L 引脚	XIAO ESP32S3 引脚
VCC	3.3V
GND	GND
SDA	D4（I2C_SDA）
SCL	D5（I2C_SCL）
SDO	GND（地址0x53）

2. 逻辑分析仪连接

逻辑分析仪通道	连接点
CH0	SDA 线（白色线）
CH1	SCL 线（红色线）
GND	电路板GND

将ADX345L 与 XIAO ESP32S3 连接，并连接逻辑分析仪

软件实现

1. Arduino 代码框架

cpp

#include <Wire.h>
#include <ADXL345.h>


ADXL345 adxl; //variable adxl is an instance of the ADXL345 library

void setup() {
    Serial.begin(9600);
    adxl.powerOn();

    //set activity/ inactivity thresholds (0-255)
    adxl.setActivityThreshold(75); //62.5mg per increment
    adxl.setInactivityThreshold(75); //62.5mg per increment
    adxl.setTimeInactivity(10); // how many seconds of no activity is inactive?

    //look of activity movement on this axes - 1 == on; 0 == off
    adxl.setActivityX(1);
    adxl.setActivityY(1);
    adxl.setActivityZ(1);

    //look of inactivity movement on this axes - 1 == on; 0 == off
    adxl.setInactivityX(1);
    adxl.setInactivityY(1);
    adxl.setInactivityZ(1);

    //look of tap movement on this axes - 1 == on; 0 == off
    adxl.setTapDetectionOnX(0);
    adxl.setTapDetectionOnY(0);
    adxl.setTapDetectionOnZ(1);

    //set values for what is a tap, and what is a double tap (0-255)
    adxl.setTapThreshold(50); //62.5mg per increment
    adxl.setTapDuration(15); //625us per increment
    adxl.setDoubleTapLatency(80); //1.25ms per increment
    adxl.setDoubleTapWindow(200); //1.25ms per increment

    //set values for what is considered freefall (0-255)
    adxl.setFreeFallThreshold(7); //(5 - 9) recommended - 62.5mg per increment
    adxl.setFreeFallDuration(45); //(20 - 70) recommended - 5ms per increment

    //setting all interrupts to take place on int pin 1
    //I had issues with int pin 2, was unable to reset it
    adxl.setInterruptMapping(ADXL345_INT_SINGLE_TAP_BIT,   ADXL345_INT1_PIN);
    adxl.setInterruptMapping(ADXL345_INT_DOUBLE_TAP_BIT,   ADXL345_INT1_PIN);
    adxl.setInterruptMapping(ADXL345_INT_FREE_FALL_BIT,    ADXL345_INT1_PIN);
    adxl.setInterruptMapping(ADXL345_INT_ACTIVITY_BIT,     ADXL345_INT1_PIN);
    adxl.setInterruptMapping(ADXL345_INT_INACTIVITY_BIT,   ADXL345_INT1_PIN);

    //register interrupt actions - 1 == on; 0 == off
    adxl.setInterrupt(ADXL345_INT_SINGLE_TAP_BIT, 1);
    adxl.setInterrupt(ADXL345_INT_DOUBLE_TAP_BIT, 1);
    adxl.setInterrupt(ADXL345_INT_FREE_FALL_BIT,  1);
    adxl.setInterrupt(ADXL345_INT_ACTIVITY_BIT,   1);
    adxl.setInterrupt(ADXL345_INT_INACTIVITY_BIT, 1);
}

void loop() {

    //Boring accelerometer stuff
    int x, y, z;
    adxl.readXYZ(&x, &y, &z); //read the accelerometer values and store them in variables  x,y,z
    // Output x,y,z values
    Serial.print("values of X , Y , Z: ");
    Serial.print(x);
    Serial.print(" , ");
    Serial.print(y);
    Serial.print(" , ");
    Serial.println(z);

    double xyz[3];
    double ax, ay, az;
    adxl.getAcceleration(xyz);
    ax = xyz[0];
    ay = xyz[1];
    az = xyz[2];
    Serial.print("X=");
    Serial.print(ax);
    Serial.println(" g");
    Serial.print("Y=");
    Serial.print(ay);
    Serial.println(" g");
    Serial.print("Z=");
    Serial.print(az);
    Serial.println(" g");
    Serial.println("**********************");
    delay(500);

}

逻辑分析仪验证

1. 典型I2C通信波形

抓取读取三轴数据是的逻辑数据

波形特征解析：

Start Condition：SCL高电平时SDA由高→低
Address Frame：0x53 (7位地址+R/W位)
Register Write：发送0x32寄存器地址
Data Read：连续读取6字节数据（每个字节后跟随ACK）

ADX345L 数据手册

2. 数据解析验证

从数据手册可得三轴的GAIN如下

X: 0.00376390
Y: 0.00376009
Z: 0.00349265

寄存器地址	原始值（HEX）	计算	实际加速度(g)
0x32 (X0)	0x34	52 * 0.00376390	+0.1957228g
0x33 (X1)	0x00
0x34 (Y0)	0x05	-251 * 0.00376009	-0.94378259g
0x35 (Y1)	0xFF
0x36 (Z0)	0x43	67 * 0.00349265	+0.23400755g
0x35 (Z1)	0x00

实际读取结果符合预取

计算结果验证以及展示

实验报告结论

1. 协议验证结果

• I2C时序符合标准规范，SCL时钟频率实测为 100kHz
• 寄存器读取顺序与数据手册完全一致
• 数据解析算法验证通过，误差范围在±0.005g内

2. 工程应用建议

• 运动检测：结合阈值中断功能实现跌落检测
• 姿态识别：通过三轴数据计算设备倾角
• 低功耗优化：调整输出数据速率降低功耗

第9周小组作业：使用示波器测量 Grove 传感器 ​

任务概述 ​

XIAO ESP32C3 与 Grove DHT11 温湿度传感器测试教程 ​

Grove DHT11温湿度传感器简介 ​

基本规格 ​

特点 ​

工作原理 ​

通信协议 ​

应用场景 ​

优缺点 ​

材料准备 ​

第一部分：硬件连接 ​

第二部分：软件设置 ​

第三部分：示波器测量 ​

第四部分：测量与分析 ​

1. 通信周期分析 ​

2. 数据位特征分析 ​

3. 电压特性分析 ​

4. 时间特性分析 ​

观察结果与分析 ​

实验报告结论 ​

硬件连接评估 ​

DHT11通信协议特点 ​

应用场景分析 ​

XIAO ESP32S3 与 ADXL345L 三轴加速度计测试教程 ​

任务目标 ​

ADXL345L 技术规格 ​

核心参数 ​

寄存器功能说明 ​

硬件连接指南 ​

1. XIAO ESP32S3 与 ADXL345L 接线 ​

2. 逻辑分析仪连接 ​

软件实现 ​

1. Arduino 代码框架 ​

逻辑分析仪验证 ​

1. 典型I2C通信波形 ​

2. 数据解析验证 ​

实验报告结论 ​

1. 协议验证结果 ​

2. 工程应用建议 ​

第9周小组作业：使用示波器测量 Grove 传感器

任务概述

XIAO ESP32C3 与 Grove DHT11 温湿度传感器测试教程

Grove DHT11温湿度传感器简介

基本规格

特点

工作原理

通信协议

应用场景

优缺点

材料准备

第一部分：硬件连接

第二部分：软件设置

第三部分：示波器测量

第四部分：测量与分析

1. 通信周期分析

2. 数据位特征分析

3. 电压特性分析

4. 时间特性分析

观察结果与分析

实验报告结论

硬件连接评估

DHT11通信协议特点

应用场景分析

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任务目标

ADXL345L 技术规格

核心参数

寄存器功能说明

硬件连接指南

1. XIAO ESP32S3 与 ADXL345L 接线

2. 逻辑分析仪连接

软件实现

1. Arduino 代码框架

逻辑分析仪验证

1. 典型I2C通信波形

2. 数据解析验证

实验报告结论

1. 协议验证结果

2. 工程应用建议