Osciloscópio DIY com Arduino Nano (10 Hz–50 kHz) e LCD 128×64

Componentes e Materiais

• Arduino Nano R3 × 1
• Capacitor 100 µF × 1
• LCD ST7920 128×64 × 1
• Potenciômetro rotativo (genérico) × 2
• Chave táctil momentânea × 3

Ferramentas Necessárias

• Ferro de solda

Aplicativos e Serviços Online

• Arduino IDE

Sobre este Projeto

Este projeto descreve como construir um osciloscópio simples com faixa de 10 Hz a 50 kHz. É uma faixa extremamente ampla, considerando que o dispositivo não usa conversor digital-analógico externo, apenas o Arduino.

O resultado é exibido em um LCD relativamente grande (ST7920) com resolução 128×64 pixels. A área de medição é 96×64 e a área de informação é 32×64, onde são mostrados frequência do sinal de teste, Vpp, etc.

É extremamente simples de construir e consiste em poucos componentes:

• Arduino Nano
• Display LCD ST7920 128×64
• Três chaves momentâneas
• Dois potenciômetros
• Um capacitor 100 µF

O dispositivo possui várias funções:

• Auto trigger (exibição muito estável)
• Velocidade de varredura: 0,02 ms/div ~ 10 ms/div, segundo escala 1-2-5 em nove níveis
• Função Hold: congela forma de onda e parâmetros

Este projeto foi publicado no blog de Wu Hanqing com o código original. Fiz alterações mínimas pois construí baseado no hardware de um projeto anterior. Como visto no vídeo, o instrumento tem visualização muito clara devido à tela grande e um auto trigger surpreendentemente bom. A posição vertical da imagem é ajustada com potenciômetro de 50 kΩ, e o contraste com 10 kΩ. Testado com gerador de sinais senoidal e retangular.

Embora não seja um instrumento profissional, ainda serve para fins educacionais ou em laboratório para testar sinais de baixa frequência, sendo muito fácil de fazer e extremamente barato.

Código

#include <U8glib.h>
U8GLIB_ST7920_128X64_4X u8g(6, 5, 4); // SCK, MOSI, CS

int Input = A0;
int Key_add = 8;
int Key_sub = 9;
int Key_hold = 10;

int x, y;
int i, i1, i2, V_min, V_max, V_mid, t, t0, t1, sta, Key = 1, hold = 0;
long Freq;
float Vpp;
int Y[96];
int Buffer[192];

// Bitmap para tela inicial (logo)
const uint8_t L[] PROGMEM = { /* dados do bitmap omitidos por brevidade */ };

void setup() {
  pinMode(Key_add, INPUT); digitalWrite(Key_add, HIGH);
  pinMode(Key_sub, INPUT); digitalWrite(Key_sub, HIGH);
  pinMode(Key_hold, INPUT); digitalWrite(Key_hold, HIGH);

  ADMUX = 0x60;  // configuração ADC
  ADCSRA = 0xe2; // ADC auto-trigger, prescaler

  u8g.setFont(u8g_font_5x7);
  u8g.firstPage();
  do {
    u8g.drawBitmapP(0, 0, 16, 64, L);
  } while (u8g.nextPage());
  delay(2000);
}

void loop() {
  sample();
  Measure();
  Transform();
  Key_scan();
  if (hold == 0) {
    u8g.firstPage();
    do { draw(); } while (u8g.nextPage());
  }
}

void sample() {
  for (i = 0; i < 192; i++) {
    Buffer[i] = ADCH;
    switch (Key) {
      case 1: break;
      case 2: delayMicroseconds(4); break;
      case 3: delayMicroseconds(10); break;
      case 4: delayMicroseconds(23); break;
      case 5: delayMicroseconds(60); break;
      case 6: delayMicroseconds(123); break;
      case 7: delayMicroseconds(248); break;
      case 8: delayMicroseconds(623); break;
      case 9: delayMicroseconds(1247); break;
      default: break;
    }
  }
}

void Measure() {
  V_max = Buffer[0]; V_min = Buffer[0];
  for (i = 0; i < 192; i++) {
    if (Buffer[i] > V_max) V_max = Buffer[i];
    if (Buffer[i] < V_min) V_min = Buffer[i];
  }
  V_mid = (V_max + V_min) / 2;
  Vpp = (V_max - V_min) * 5.0 / 255.0;

  // detecção de cruzamento por zero para frequência
  for (i = 0; i < 97; i++) {
    if (Buffer[i] < V_mid && Buffer[i+1] >= V_mid) { i1 = i; break; }
  }
  for (i = i1 + 1; i < 98 + i1; i++) {
    if (Buffer[i] < V_mid && Buffer[i+1] >= V_mid) { i2 = i; break; }
  }
  t = i2 - i1;
  if (t > 0) Freq = 8000 / t; else Freq = 0;
}

void Transform() {
  for (sta = 0; sta < 96; sta++) {
    if (Buffer[sta] < 128 && Buffer[sta+2] > 128) break;
  }
  for (i = 0; i < 96; i++) Y[i] = 63 - (Buffer[i+sta] >> 2);
}

void draw() {
  // desenha forma de onda
  for (x = 0; x < 95; x++) u8g.drawLine(x, Y[x], x, Y[x+1]);
  
  // moldura e grade
  u8g.drawFrame(0, 0, 97, 64);
  u8g.drawLine(48, 0, 48, 63); // centro vertical
  u8g.drawLine(0, 32, 96, 32); // centro horizontal
  for (x = 0; x < 96; x += 8) u8g.drawLine(x, 31, x, 33);
  for (y = 0; y < 64; y += 8) u8g.drawLine(47, y, 49, y);
  for (x = 8; x < 96; x += 8)
    for (y = 8; y < 64; y += 8)
      u8g.drawPixel(x, y);

  // painel de informações (lado direito)
  u8g.drawStr(98, 7, "MS/div");
  u8g.drawStr(98, 23, "V/div");
  u8g.drawStr(98, 30, "0.324");
  u8g.drawStr(98, 40, "Vpp");
  u8g.setPrintPos(98, 47); u8g.print(Vpp); u8g.drawStr(118, 47, "V");
  u8g.drawStr(98, 55, "F(HZ)");

  switch (Key) {
    case 1: u8g.drawStr(98, 14, "0.02"); u8g.setPrintPos(98, 62); u8g.print(Freq * 50); break;
    case 2: u8g.drawStr(98, 14, "0.05"); u8g.setPrintPos(98, 62); u8g.print(Freq * 20); break;
    case 3: u8g.drawStr(98, 14, "0.1");  u8g.setPrintPos(98, 62); u8g.print(Freq * 10); break;
    case 4: u8g.drawStr(98, 14, "0.2");  u8g.setPrintPos(98, 62); u8g.print(Freq * 5); break;
    case 5: u8g.drawStr(98, 14, "0.5");  u8g.setPrintPos(98, 62); u8g.print(Freq * 2); break;
    case 6: u8g.drawStr(98, 14, "1");    u8g.setPrintPos(98, 62); u8g.print(Freq); break;
    case 7: u8g.drawStr(98, 14, "2");    u8g.setPrintPos(98, 62); u8g.print(Freq / 2); break;
    case 8: u8g.drawStr(98, 14, "5");    u8g.setPrintPos(98, 62); u8g.print(Freq / 5); break;
    case 9: u8g.drawStr(98, 14, "10");   u8g.setPrintPos(98, 62); u8g.print(Freq / 10); break;
    default: break;
  }
}

void Key_scan() {
  if (digitalRead(Key_add) == LOW) {
    while (digitalRead(Key_add) == LOW); Key++; if (Key == 10) Key = 9; delay(10);
  }
  if (digitalRead(Key_sub) == LOW) {
    while (digitalRead(Key_sub) == LOW); Key--; if (Key == 0) Key = 1; delay(10);
  }
  if (digitalRead(Key_hold) == LOW) {
    while (digitalRead(Key_hold) == LOW); hold = ~hold; delay(10);
  }
}

Esquemático