| name | @6171/pendulum-g-experiment |
| version | 1.0.0 |
| description | ESP8266/ESP32 + 磁簧开关/霍尔传感器 单摆测重力加速度实验套件。
硬件搭建→固件烧录→数据采集→Web仪表盘→g值计算→教学文档，一站式完成。
Use when the user wants to build a pendulum g-measurement experiment,
measure gravity with a micro-controller, or needs a complete physics
experiment package with hardware + firmware + dashboard + teaching materials.
|
| author | tea |
| tags | ["esp32","esp8266","pendulum","physics-experiment","hall-sensor","reed-switch","gravity","teaching"] |
📐 单摆测g实验技能
核心能力
构建一整套单片机磁敏自动计时单摆实验，包含：
- 硬件方案（BOM + 电路图 + 3D打印件设计）
- 固件（Arduino/ESP-IDF，串口协议）
- 电脑端监控台（Python WebSocket + 实时仪表盘）
- 教学文档（教案、学生工作单、调试手册、误差预算）
- 数据分析（T²-L拟合、摆角对比、误差分析）
硬件方案
传感器选择决策树
用户想做单摆测g？
├── 有 A3144E 霍尔传感器
│ ├── 接线正确（VCC→3.3V, OUT→GPIO14+10kΩ上拉, GND→GND）
│ │ └── 正常使用，去抖设 3000μs
│ └── 反接烧毁/无响应
│ └── ⚠️ 替换为磁簧开关（四脚常开型，类似 MKA10110）
│ ├── 一脚接 GND，另一脚接 GPIO14（内置上拉即可）
│ ├── 无需外部上拉电阻，不怕反接
│ └── 去抖设 2000μs（磁簧抖动比霍尔多）
│
├── 有磁簧开关 → 直接使用，比霍尔更稳定
│
└── 从零开始 → 推荐磁簧开关方案（便宜、可靠）
关键参数
| 参数 | 值 | 说明 |
|---|
| 传感器 | 磁簧开关 / A3144E 霍尔 | 下降沿触发 |
| 去抖时间 | 2000-3000μs | 磁簧需更小 |
| 周期测量 | 50个周期取平均 | 精度±0.001s |
| 摆角控制 | ≤5° | 小角度近似误差最小 |
| 摆长测量 | 线长+球半径 | 1mm误差→g误差0.1% |
常见故障
- 霍尔传感器反接烧毁 — A3144E 反接必烧，无保护。修复：换磁簧开关
- 磁簧开关 count 不增 — 用万用表测通断，手动靠近磁铁看串口输出
- WebSocket 端口冲突 —
lsof -ti:8765 | xargs kill -9
- 异步代码错误 —
pendulum_monitor.py 中 await asyncio.sleep(0) 必须放在 async 函数内，不能用在 __main__ 顶层
固件开发
引脚分配
ESP8266 (Wemos D1 Mini) 推荐引脚：
D1 (GPIO5) → OLED SCL
D2 (GPIO4) → OLED SDA
D3 (GPIO0) → 磁簧信号输入（下降沿中断）
D4 (GPIO2) → LED 指示灯
D5 (GPIO14) → 按键 SW1
D6 (GPIO12) → 按键 SW2
ESP32 推荐引脚：
GPIO21 → OLED SDA
GPIO22 → OLED SCL
GPIO14 → 传感器信号（下降沿中断）
GPIO27 → 按键 SW1
GPIO26 → 按键 SW2
GPIO25 → LED
串口协议
115200 baud, 8N1
L=1.000 设置摆长(米)
mode0 单次测周期
mode1 T²-L 拟合模式
mode2 摆角对比模式
reset 清零
data 输出CSV
calib=9.79 设置本地g参考值
info 输出系统信息
烧录步骤
- Arduino IDE 安装 ESP32/ESP8266 板支持包
- 安装库：Adafruit_SSD1306, Adafruit_GFX
- 选择板型、端口、烧录
- 串口监视器 115200 验证
监控台
启动
pip3 install pyserial websockets
python3 pendulum_monitor.py --port /dev/cu.usbserial-140
架构
ESP32 ──串口──→ pendulum_monitor.py ──WebSocket──→ 浏览器仪表盘
│
└── HTTP :8080 提供页面
端口配置
| 用途 | 默认端口 | 配置参数 |
|---|
| HTTP 仪表盘 | 8080 | --http-port |
| WebSocket | 8765 | --ws-port |
| 串口 | 自动检测 | --port |
文档输出
当用户需要完整方案包时，生成以下文件结构：
pendulum_g/
├── 01_硬件方案.md # 原理、BOM、电路图
├── 02_固件代码.md # 烧录指南 + 完整代码
├── 03_打印件设计.md # 3D打印文件描述
├── 04_教学教案.md # 2课时教案
├── 05_数据可视化.md # Python绘图脚本
├── README.md
├── index.html # 下载页
├── pendulum_monitor.py # 一体化监控台
├── firmware/
│ ├── pendulum_g.ino # 完整固件
│ └── serial_logger.py # 串口日志工具
├── docs/
│ ├── 调试手册.md # 故障排查决策树
│ ├── 学生工作单.md # 可打印工作单
│ ├── 误差预算表.md # 误差分析
│ ├── BOM采购清单.md # 标准版/零3D打印版/班级套装
│ ├── 装配工艺指南.md # 装配步骤
│ └── 测试报告模板.md # 测试报告模板
└── web/
└── dashboard.html # 独立仪表盘HTML
交付格式
- 教学/通用文档 → HTML（无MD）
- 评委/正式提交 → Word (.docx)
- 教学PPT → PPTX
- 整体打包 → tar.gz
- 3D打印件 → STL文件
用户场景
| 用户说 | 做什么 |
|---|
| "我要做个单摆测g实验" | 出完整方案，BOM→固件→仪表盘→文档 |
| "霍尔传感器坏了" | 推荐磁簧开关替代方案，更新固件 |
| "帮我搭仪表盘" | 生成/推送 pendulum_monitor.py，启动预览 |
| "我要参赛" | 完整方案包 + Word评委材料 + PPT |
| "数据不准" | 查调试手册决策树，摆长/摆角/去抖 |
