打造可靠的 Arduino 能源监测与数据记录仪——分步指南

组件与物料

• Arduino UNO ×1
• Dr. Wattson 能量监测板（基于 Microchip MCP39F521）×1
• Dr. Wattson 专用亚克力外壳（含 IEC 插座、叉形接线端子）×1
• Adafruit MicroSD 卡扩展板 ×1
• LED（指示记录状态）×1
• 轻触开关（启停记录）×1
• 220 Ω 电阻 ×1

项目背景

Dr. Wattson 是一款基于 MCP39F521 单相功率监测芯片的开源断路板，内置电流/电压互感器，数字输出与市电完全隔离，安全测量交流有功/无功/视在功率、电压、电流、功率因数、频率等参数。动态范围 4000:1，可测 1 mA–4 A（经重新校准可扩展）。

硬件组装

1. 将 Dr. Wattson 装入亚克力外壳，接入市电插座与负载插座，所有高压走线封闭于外壳内，安全可靠。
2. I²C 接线：Dr. Wattson SCL→A5，SDA→A4，VIN→5V，GND→GND，3.3V→3.3V（二选一即可）。
3. MicroSD 卡模块 SPI 接线：CLK→D13，MISO→D12，MOSI→D11，CS→D10。
4. 按键接 D4，启用内部上拉（低电平触发），LED 接 D9（串 220 Ω）。

软件设计

使用 UpbeatLabs_MCP39F521 库（GitHub: upbeatlabs/drwattson）与 Button 库（JChristensen/Button，含消抖）。

核心逻辑

• setup()：初始化 SD 卡、Dr. Wattson、按键、LED；扫描 SD 卡现有 DATAxx.CSV 文件，选取最小未用编号作为新日志文件。
• loop()：按键消抖检测，释放时切换 readData 标志并翻转 LED；readData 为真时，每轮读取 MCP39F521 格式化数据（电流、有功/无功/视在功率），搭配 millis() 时间戳以 CSV 追加写入 SD 卡。
• 串口同时输出实时数据，配合终端 screen /dev/ttyUSB0 9600 并发送 ANSI 清屏序列（\x1Bc），实现原地刷新显示。

关键代码片段

// 文件名自动轮转
char filename[] = "DATA00.CSV";
for (uint8_t i = 0; i < 100; i++) {
  filename[4] = '0' + i/10;
  filename[5] = '0' + i%10;
  if (!SD.exists(filename)) break;
}

// 按键切换记录状态
myBtn.read();
if (myBtn.wasReleased()) {
  readData = !readData;
  digitalWrite(LED, readData);
}

// 记录数据
if (readData) {
  UpbeatLabs_MCP39F521_FormattedData fData;
  if (wattson.read(&data, NULL) == SUCCESS) {
    wattson.convertRawData(&data, &fData);
    unsigned long ms = millis();
    File f = SD.open(filename, FILE_WRITE);
    if (f) {
      f.print(ms); f.print(',');
      f.print(fData.currentRMS); f.print(',');
      f.print(fData.activePower); f.print(',');
      f.print(fData.reactivePower); f.print(',');
      f.println(fData.apparentPower);
      f.close();
    }
  }
}