Python仪器仪表开发

本文将详细介绍使用Python进行仪器仪表开发的方方面面。从硬件控制、数据采集到数据可视化，我们将一步步进行阐述。

一、硬件控制

1.1 GPIO控制

使用Python的GPIO库可以方便地控制单片机的IO口，实现对外部设备的控制。以下是一个控制LED灯闪烁的示例：

import RPi.GPIO as GPIO
import time

# 设置BCM编码方式
GPIO.setmode(GPIO.BCM)

# 设置LED灯为输出模式
GPIO.setup(18, GPIO.OUT)

# 控制LED灯闪烁5次
for i in range(5):
    GPIO.output(18, GPIO.HIGH)
    time.sleep(1)
    GPIO.output(18, GPIO.LOW)
    time.sleep(1)

# 清理GPIO资源
GPIO.cleanup()

1.2 串口通信

使用Python的serial库可以通过串口与外部设备进行通信。下面是一个使用串口发送命令并接收返回数据的示例：

import serial

# 打开串口
ser = serial.Serial('/dev/ttyUSB0', 9600)

# 发送命令
ser.write(b'AT\r\n')

# 接收返回数据
response = ser.readall()

# 关闭串口
ser.close()

二、数据采集

2.1 传感器数据采集

使用Python的sense_hat库可以方便地对树莓派Sense HAT板上的各种传感器进行数据采集。以下是一个读取温湿度传感器数据并显示在LED矩阵上的示例：

from sense_hat import SenseHat

# 创建SenseHat对象
sense = SenseHat()

# 获取温湿度数据
temperature = sense.get_temperature()
humidity = sense.get_humidity()

# 在LED矩阵上显示温湿度数据
sense.show_message("Temp: {0:.1f}C Humidity: {1:.1f}%".format(temperature, humidity))

2.2 数据存储

使用Python的sqlite3库可以方便地进行数据存储和查询。以下是一个存储温湿度数据到SQLite数据库的示例：

import sqlite3
from sense_hat import SenseHat

# 创建数据库连接
conn = sqlite3.connect('sensor_data.db')
cursor = conn.cursor()

# 创建数据表
cursor.execute("CREATE TABLE IF NOT EXISTS sensor_data (temperature REAL, humidity REAL)")

# 获取温湿度数据
sense = SenseHat()
temperature = sense.get_temperature()
humidity = sense.get_humidity()

# 插入数据
cursor.execute("INSERT INTO sensor_data (temperature, humidity) VALUES (?, ?)", (temperature, humidity))

# 提交事务并关闭数据库连接
conn.commit()
conn.close()

三、数据可视化

3.1 使用Matplotlib绘图

使用Python的Matplotlib库可以方便地进行各种数据的可视化。下面是一个绘制温湿度曲线图的示例：

import sqlite3
import matplotlib.pyplot as plt

# 连接数据库并查询数据
conn = sqlite3.connect('sensor_data.db')
cursor = conn.cursor()
cursor.execute("SELECT temperature, humidity FROM sensor_data")
data = cursor.fetchall()

# 分离温度和湿度数据
temperature = [row[0] for row in data]
humidity = [row[1] for row in data]

# 绘制曲线图
plt.plot(temperature, label='Temperature')
plt.plot(humidity, label='Humidity')

# 添加图例
plt.legend()

# 显示图像
plt.show()

# 关闭数据库连接
conn.close()

3.2 使用Plotly创建交互式图表

使用Python的Plotly库可以创建交互式的数据可视化图表，并在Web上进行展示。以下是一个使用Plotly创建温湿度图表的示例：

import sqlite3
import plotly.graph_objects as go

# 连接数据库并查询数据
conn = sqlite3.connect('sensor_data.db')
cursor = conn.cursor()
cursor.execute("SELECT temperature, humidity FROM sensor_data")
data = cursor.fetchall()

# 分离温度和湿度数据
temperature = [row[0] for row in data]
humidity = [row[1] for row in data]

# 创建温湿度图表
fig = go.Figure()
fig.add_trace(go.Scatter(x=list(range(len(temperature))), y=temperature, name='Temperature'))
fig.add_trace(go.Scatter(x=list(range(len(humidity))), y=humidity, name='Humidity'))

# 显示图表
fig.show()

# 关闭数据库连接
conn.close()