Python 库 adafruit-circuitpython-mcp3421 详解

1. 功能概述

adafruit-circuitpython-mcp3421 是一个用于控制 MCP3421 高精度模数转换器 (ADC) 的 CircuitPython 库。MCP3421 是一款低噪声、高精度的 18 位 ADC，支持 I2C 通信，适用于需要精确测量模拟信号（如传感器数据）的场景。该库提供了简洁的接口，方便在 CircuitPython 兼容设备（如 Raspberry Pi Pico、ESP32 等）上读取 MCP3421 的转换数据。

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2. 安装方法

需先安装 CircuitPython 环境，再通过 pip 安装库：

pip install adafruit-circuitpython-mcp3421

同时需确保硬件连接正确：MCP3421 的 SDA 和 SCL 引脚与开发板的 I2C 引脚连接，并接好电源（通常 3.3V）。

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3. 基本语法与参数

核心类：MCP3421

初始化方法：

adafruit_mcp3421.MCP3421(i2c_bus, address=0x68)

• 参数：
  • i2c_bus：I2C 总线对象（如 board.I2C()）。
  • address：MCP3421 的 I2C 地址（默认 0x68，可通过硬件引脚修改）。

常用方法：

1. configure(resolution=12, gain=1, continuous=False)
   配置 ADC 转换参数：

   • resolution：分辨率（12/14/16/18 位，对应转换时间递增）。
   • gain：增益（1/2/4/8，放大输入信号）。
   • continuous：是否连续转换（True 为连续模式，False 为单次模式）。

2. read()
   读取转换后的电压值（单位：伏特），返回浮点数。

3. read_raw()
   读取原始 ADC 转换值（整数），需结合分辨率和增益计算实际电压。

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4. 实际应用案例

案例 1：基础电压测量

import board
import adafruit_mcp3421

i2c = board.I2C()  # 初始化 I2C 总线
mcp = adafruit_mcp3421.MCP3421(i2c)

# 配置为 16 位分辨率，增益 1，单次转换模式
mcp.configure(resolution=16, gain=1)

voltage = mcp.read()
print(f"电压: {voltage:.6f} V")

案例 2：连续模式读取

import board
import adafruit_mcp3421
import time

i2c = board.I2C()
mcp = adafruit_mcp3421.MCP3421(i2c)

# 连续模式，18 位分辨率（最高精度）
mcp.configure(resolution=18, continuous=True)

while True:
    print(f"电压: {mcp.read():.6f} V")
    time.sleep(0.5)  # 连续模式下需等待转换完成

案例 3：使用增益放大小信号

# 测量微伏级信号（如传感器输出）
mcp.configure(resolution=16, gain=8)  # 增益 8 倍放大
small_voltage = mcp.read()
print(f"放大后电压: {small_voltage:.6f} V")
print(f"实际电压: {small_voltage / 8:.6f} V")  # 除以增益得到真实值

案例 4：温度测量（配合热电偶）

# 假设热电偶输出经放大后连接到 MCP3421
mcp.configure(resolution=16, gain=4)
voltage = mcp.read()

# 热电偶转换公式（示例：K 型热电偶，放大电路增益 100）
temperature = (voltage / 100) * 250  # 简化公式，实际需校准
print(f"温度: {temperature:.2f} °C")

案例 5：电池电压监测

# 测量锂电池电压（通过分压电阻将 0-4.2V 转为 0-2.1V）
mcp.configure(resolution=14, gain=1)
measured_voltage = mcp.read()
actual_voltage = measured_voltage * 2  # 分压比 1:1
print(f"电池电压: {actual_voltage:.2f} V")

案例 6：光照强度测量（配合光敏电阻）

# 光敏电阻串联固定电阻，中间节点接 MCP3421
mcp.configure(resolution=12, gain=1)
voltage = mcp.read()

# 电压与光照强度成反比（需校准）
light_intensity = 1000 / (voltage + 0.001)  # 示例公式
print(f"光照强度: {light_intensity:.1f} lux")

案例 7：原始数据读取与自定义计算

mcp.configure(resolution=18, gain=2)
raw_value = mcp.read_raw()

# 18 位分辨率下，电压 = 原始值 * (2.048V / (2^17 * 增益))
# 参考电压为 2.048V，18 位模式下有效范围为 ±2^17
voltage = raw_value * (2.048 / (131072 * 2))
print(f"原始值: {raw_value}, 计算电压: {voltage:.6f} V")

案例 8：多设备同时读取（不同 I2C 地址）

i2c = board.I2C()
mcp1 = adafruit_mcp3421.MCP3421(i2c, address=0x68)  # 设备 1
mcp2 = adafruit_mcp3421.MCP3421(i2c, address=0x69)  # 设备 2（地址通过硬件修改）

mcp1.configure(resolution=16)
mcp2.configure(resolution=16)

print(f"设备 1 电压: {mcp1.read():.6f} V")
print(f"设备 2 电压: {mcp2.read():.6f} V")

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5. 常见错误与注意事项

错误 1：I2C 通信失败

• 现象：OSError: [Errno 121] Remote I/O error
• 原因：I2C 接线错误、设备地址错误或电源问题。
• 解决：检查接线（SDA/SCL 引脚是否对应）、用 I2C 扫描工具确认地址（如 adafruit_bus_device 库）。

错误 2：读取超时

• 现象：TimeoutError 或返回固定值。
• 原因：分辨率过高（如 18 位需 62.5ms 转换时间），单次模式下未等待完成。
• 解决：连续模式下增加等待时间，或根据分辨率计算所需延迟。

错误 3：电压值异常（超出范围）

• 现象：读数始终为最大值或最小值。
• 原因：输入电压超过参考电压（通常 2.048V），或增益设置不当。
• 解决：通过分压电阻降低输入电压，或减小增益。

注意事项：

1. 参考电压：MCP3421 内置 2.048V 参考电压，输入电压需在此范围内（或通过增益调整）。
2. 分辨率与速度：分辨率越高，转换时间越长（12 位约 1ms，18 位约 62.5ms）。
3. 噪声处理：高精度模式下建议增加滤波电容，或多次读取取平均值。
4. 电源稳定性：供电电压波动会影响测量精度，建议使用稳压电源。

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通过上述内容，可以全面了解 adafruit-circuitpython-mcp3421 的使用方法，并在实际项目中灵活应用于各类高精度模拟信号测量场景。

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