Python 库 adafruit-circuitpython-mcp3xxx 详解

1. 功能介绍

adafruit-circuitpython-mcp3xxx 是 Adafruit 开发的 CircuitPython 库，用于与 Microchip 的 MCP3xxx 系列 ADC（模数转换器）芯片通信。这些芯片能将模拟信号（如传感器输出的电压）转换为数字信号，便于微控制器或单板计算机（如 Raspberry Pi、ESP32 等）读取。

支持的芯片型号包括：

• MCP3008（8 通道，10 位分辨率）
• MCP3004（4 通道，10 位分辨率）
• MCP3208（8 通道，12 位分辨率）
• MCP3204（4 通道，12 位分辨率）

2. 安装方法

需先安装 CircuitPython 环境，再通过 pip 安装库：

# 基础安装
pip install adafruit-circuitpython-mcp3xxx

# 若使用 SPI 通信，可能需要额外依赖
pip install adafruit-blinka  # 用于在非 CircuitPython 设备上模拟 CircuitPython API

3. 核心语法与参数

3.1 初始化 SPI 通信

MCP3xxx 系列通过 SPI 协议通信，需先初始化 SPI 总线：

import board
import digitalio
import busio

# 初始化 SPI 总线
spi = busio.SPI(clock=board.SCK, MISO=board.MISO, MOSI=board.MOSI)
cs = digitalio.DigitalInOut(board.D5)  # 片选引脚（根据硬件连接修改）

3.2 初始化 ADC 芯片

以 MCP3008 为例：

from adafruit_mcp3xxx.mcp3008 import MCP3008

# 创建 MCP3008 实例
mcp = MCP3008(spi, cs)

3.3 读取模拟值

通过 analog_in 类读取指定通道的数值：

from adafruit_mcp3xxx.analog_in import AnalogIn

# 配置通道（例如通道 0）
chan = AnalogIn(mcp, MCP3008.P0)

# 读取数值
print("原始值:", chan.value)       # 原始 ADC 读数（0~1023 对应 MCP3008）
print("电压值:", chan.voltage)     # 转换后的电压（V）

3.4 关键参数

• spi：SPI 总线对象，包含时钟、MISO、MOSI 引脚配置。
• cs：片选引脚（数字输出），用于选中特定 ADC 芯片。
• channel：ADC 通道（如 MCP3008.P0 至 MCP3008.P7）。

4. 实际应用案例

案例 1：读取光敏电阻值

import board
import busio
import digitalio
from adafruit_mcp3xxx.mcp3008 import MCP3008
from adafruit_mcp3xxx.analog_in import AnalogIn

# 初始化 SPI 和 MCP3008
spi = busio.SPI(clock=board.SCK, MISO=board.MISO, MOSI=board.MOSI)
cs = digitalio.DigitalInOut(board.D5)
mcp = MCP3008(spi, cs)

# 连接光敏电阻到通道 0
light_sensor = AnalogIn(mcp, MCP3008.P0)

while True:
    print(f"光照值: {light_sensor.value}, 电压: {light_sensor.voltage:.2f}V")
    time.sleep(1)

案例 2：测量温度（使用 NTC 热敏电阻）

import time
import board
import busio
import digitalio
from adafruit_mcp3xxx.mcp3008 import MCP3008
from adafruit_mcp3xxx.analog_in import AnalogIn

# 初始化硬件
spi = busio.SPI(clock=board.SCK, MISO=board.MISO, MOSI=board.MOSI)
cs = digitalio.DigitalInOut(board.D5)
mcp = MCP3008(spi, cs)
ntc = AnalogIn(mcp, MCP3008.P1)

# NTC 计算参数（需根据型号调整）
B_VALUE = 3950
REFERENCE_TEMP = 25  # 摄氏度
REFERENCE_RESISTANCE = 10000  # 10kΩ 下拉电阻

while True:
    # 计算 NTC 电阻
    resistance = REFERENCE_RESISTANCE * (65535 / ntc.value - 1)
    # 转换为温度
    temp = 1 / (1/(REFERENCE_TEMP + 273.15) + (math.log(resistance/REFERENCE_RESISTANCE))/B_VALUE) - 273.15
    print(f"温度: {temp:.1f}°C")
    time.sleep(2)

案例 3：读取电位器值（旋钮控制）

# 硬件初始化同上
potentiometer = AnalogIn(mcp, MCP3008.P2)

while True:
    # 电位器值范围映射到 0~100
    percentage = (potentiometer.value / 65535) * 100
    print(f"电位器位置: {percentage:.1f}%")
    time.sleep(0.5)

案例 4：土壤湿度传感器

# 硬件初始化同上
soil_sensor = AnalogIn(mcp, MCP3008.P3)

while True:
    # 湿度值（假设 0 为干燥，65535 为湿润）
    moisture = (soil_sensor.value / 65535) * 100
    print(f"土壤湿度: {moisture:.1f}%")
    time.sleep(5)

案例 5：多通道数据采集

# 硬件初始化同上
channels = [
    AnalogIn(mcp, MCP3008.P0),  # 传感器 1
    AnalogIn(mcp, MCP3008.P1),  # 传感器 2
    AnalogIn(mcp, MCP3008.P2)   # 传感器 3
]

while True:
    for i, chan in enumerate(channels):
        print(f"通道 {i}: {chan.value}, {chan.voltage:.2f}V")
    time.sleep(1)

案例 6：电池电压监测

# 硬件初始化同上
battery_monitor = AnalogIn(mcp, MCP3008.P4)

# 假设通过分压电阻将电池电压减半（例如 12V 电池 → 6V 输入）
VOLTAGE_DIVIDER = 2

while True:
    actual_voltage = battery_monitor.voltage * VOLTAGE_DIVIDER
    print(f"电池电压: {actual_voltage:.2f}V")
    time.sleep(10)

案例 7：声音传感器（麦克风模块）

# 硬件初始化同上
sound_sensor = AnalogIn(mcp, MCP3008.P5)

while True:
    # 声音强度（数值越高声音越大）
    print(f"声音强度: {sound_sensor.value}")
    time.sleep(0.1)

案例 8：光照控制继电器（阈值触发）

import digitalio

# 硬件初始化同上
light_sensor = AnalogIn(mcp, MCP3008.P0)
relay = digitalio.DigitalInOut(board.D6)
relay.direction = digitalio.Direction.OUTPUT

LIGHT_THRESHOLD = 30000  # 光照阈值

while True:
    if light_sensor.value < LIGHT_THRESHOLD:
        relay.value = True  # 光线暗时打开继电器（如开灯）
        print("继电器开启")
    else:
        relay.value = False
        print("继电器关闭")
    time.sleep(1)

5. 常见错误与注意事项

5.1 常见错误

1. SPI 通信失败

   • 错误提示：OSError: [Errno 121] Remote I/O error
   • 原因：SPI 引脚连接错误、CS 引脚未正确配置、硬件接触不良。
   • 解决：检查引脚接线，确保 SPI 总线使能（如 Raspberry Pi 需通过 raspi-config 开启 SPI）。

2. 通道索引错误

   • 错误提示：ValueError: Invalid channel
   • 原因：使用了芯片不支持的通道（如 MCP3004 访问 P4 及以上通道）。
   • 解决：确认芯片型号支持的通道范围（MCP3004/3204 为 4 通道，MCP3008/3208 为 8 通道）。

3. 数值异常波动

   • 原因：电源噪声、传感器未校准、未加滤波电容。
   • 解决：增加电源滤波电容（100nF），对读数进行多次采样平均。

5.2 注意事项

1. 电压范围：MCP3xxx 输入电压范围为 0~Vref（通常接 3.3V，而非 5V，避免损坏芯片）。
2. SPI 速率：默认速率为 1MHz，过高可能导致通信不稳定。
3. 多芯片配置：多个 MCP3xxx 可共用 SPI 总线，但需各自独立的 CS 引脚。
4. 校准：高精度应用需校准（如测量电压时考虑参考电压误差）。
5. 兼容性：该库主要用于 CircuitPython 设备，在 Python 环境中需配合 adafruit-blinka 模拟层使用。

通过上述内容，可以全面了解 adafruit-circuitpython-mcp3xxx 的使用方法，并快速实现各类模拟信号采集场景。

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