Skip to content

README.md

Latest commit

 

History

History
401 lines (302 loc) · 23.4 KB

README.md

File metadata and controls

401 lines (302 loc) · 23.4 KB
Raw

TitraLab MicroPython Curriculum

หลักสูตร MicroPython สำหรับ TitraLab

รายวิชา: 2302311 Integrated Chemistry Laboratory I ภาควิชา: เคมี คณะวิทยาศาสตร์ จุฬาลงกรณ์มหาวิทยาลัย Department of Chemistry, Faculty of Science, Chulalongkorn University

ภาพรวม (Overview)

โฟลเดอร์นี้ประกอบด้วยหลักสูตร MicroPython สำหรับบอร์ด TitraLab ESP32 ออกแบบมาเพื่อสอนนิสิตเคมีที่ไม่มีพื้นฐานการเขียนโปรแกรม ให้สามารถสร้างระบบไทเทรตกรด-เบสอัตโนมัติได้

This folder contains the MicroPython curriculum for the TitraLab ESP32 board, designed to teach chemistry students with no programming background to build an automated acid-base titration system.

กลุ่มเป้าหมาย (Target Audience)

  • นิสิตเคมีชั้นปีที่ 2-3 (2nd-3rd year Chemistry undergraduates)
  • มีพื้นฐานเคมีวิเคราะห์ ไทเทรชัน สมการ Nernst
  • ไม่ต้องมีพื้นฐานการเขียนโปรแกรมมาก่อน

เส้นทางการเรียนรู้ 3 สัปดาห์ (3-Week Learning Progression)

+===========================================================================+
|                   TitraLab Learning Progression                           |
|                   เส้นทางการเรียนรู้ TitraLab                              |
+===========================================================================+

   Week 1                      Week 2                      Week 3
   สัปดาห์ที่ 1                   สัปดาห์ที่ 2                   สัปดาห์ที่ 3
===========================================================================

 +-------------------+       +-------------------+       +-------------------+
 |    พื้นฐาน         |       |   การสอบเทียบ      |       |   ระบบเต็มรูปแบบ   |
 |   Fundamentals    |       |    Calibration    |       |    Full System    |
 +-------------------+       +-------------------+       +-------------------+
 | - LED, Button     |       | - pH Sensor Cal.  |       | - Auto Titration  |
 | - ADC, PWM        | ----> | - Flow Rate Cal.  | ----> |   (HCl + NaOH)    |
 | - DS18B20, TFT    |       | - Inheritance     |       | - MicroPad + BLE  |
 | - OOP พื้นฐาน      |       | - Composition     |       | - Lean 3 Files    |
 +-------------------+       +-------------------+       +-------------------+
        |                           |                           |
        v                           v                           v
   3 ชั่วโมง                     3 ชั่วโมง                     3 ชั่วโมง
   3 hours                      3 hours                      3 hours

===========================================================================
ความซับซ้อน:  ง่าย -----------------------------------------> ซับซ้อน
Complexity:   Simple ---------------------------------------> Complex
===========================================================================

โครงสร้างโฟลเดอร์ (Folder Structure)

MicroPython/
+-- Week_1/              # พื้นฐานฮาร์ดแวร์และ OOP เบื้องต้น
|   +-- core/            # ไฟล์หลักสำหรับการสอน (9 ไฟล์)
|   +-- extras/          # สื่อเสริม, แบบฝึกหัด, ตัวอย่างเพิ่มเติม
|   +-- lib/             # ไลบรารีที่จำเป็น (ili9341, xglcd_font, etc.)
|   +-- fonts/           # ไฟล์ฟอนต์สำหรับจอ TFT
|   +-- pins.py          # การกำหนดขา GPIO มาตรฐาน
|   +-- README.md        # คู่มือ Week 1
|
+-- Week_2/              # การสอบเทียบเซ็นเซอร์และ OOP ขั้นกลาง
|   +-- 01_pH_Sensor/    # การวัดและสอบเทียบ pH
|   +-- 02_Pump_Control/ # การสอบเทียบอัตราการไหล
|   +-- 03_OOP_Advanced/ # Inheritance, Composition, @property
|   +-- lib/             # คลาส OOP สำหรับอ้างอิง
|   +-- exercises/       # แบบฝึกหัดพร้อมเฉลย
|   +-- README.md        # คู่มือ Week 2
|
+-- Week_3/              # ระบบไทเทรตอัตโนมัติ (บทเรียน Lean สำหรับ MicroPad)
|   +-- 01_titration_auto.py  # โปรแกรมหลัก (ห้ามคัดลอกเป็น main.py!)
|   +-- titration.py     # โมดูลเคมี (calibration + ตรวจจับจุดสมมูล)
|   +-- experiment.py    # ค่าคงที่การทดลอง
|   +-- USER_MANUAL.md   # คู่มือผู้ใช้
|   +-- LAB_DIRECTION.md # คู่มือปฏิบัติการ
|   +-- README.md        # คู่มือ Week 3
|
+-- SeniorProject/       # ตัวอย่างโปรเจกต์นิสิตรุ่นพี่
|   +-- Hemmawan_Saon/
|   +-- Nuttakit_Deemon/
|
+-- README.md            # ไฟล์นี้ - ภาพรวมหลักสูตร

ตารางสรุปรายสัปดาห์ (Weekly Summary Table)

สัปดาห์ หัวข้อหลัก แนวคิด OOP ผลลัพธ์
Week 1 LED, Button, ADC, PWM, DS18B20, TFT, Buzzer Class, Object, Constructor, Method เข้าใจฮาร์ดแวร์ TitraLab
Week 2 pH Sensor Calibration, Pump Flow Rate Inheritance, Composition, @property ได้ค่าสอบเทียบ (R-squared >= 0.99)
Week 3 Full Auto Titration ผ่านแอป MicroPad (BLE) การแบ่งโมดูล (titration.py, experiment.py) ไทเทรตสำเร็จ + ไฟล์ CSV

สิ่งที่ต้องเตรียม (Prerequisites)

ซอฟต์แวร์ (Software)

รายการ คำอธิบาย ดาวน์โหลด
Thonny IDE IDE สำหรับเขียนและอัปโหลดโค้ด MicroPython thonny.org
CP210x USB Driver ไดรเวอร์สำหรับเชื่อมต่อ ESP32 ผ่าน USB Silicon Labs
Python 3.x (สำหรับ EquivPoint) วิเคราะห์จุดสมมูล python.org

ฮาร์ดแวร์ (Hardware)

รายการ คำอธิบาย
บอร์ด TitraLab ESP32-WROOM-32 พร้อมอุปกรณ์ต่อพ่วง
เซ็นเซอร์ pH พร้อมวงจรขยายสัญญาณ LMC6482
ปั๊มเพอริสตาลติก 12V DC ควบคุมด้วย PWM
สารละลายบัฟเฟอร์ pH 4.00, 7.00, 10.00 สำหรับสอบเทียบ
สารไทแทรนต์ เช่น NaOH 0.1M

เริ่มต้นอย่างรวดเร็ว (Quick Start)

ขั้นตอนที่ 1: ติดตั้ง Thonny และ Driver

  1. ดาวน์โหลดและติดตั้ง Thonny IDE
  2. ติดตั้ง CP210x USB driver (ถ้ายังไม่มี)
  3. เชื่อมต่อบอร์ด TitraLab ผ่านสาย USB

ขั้นตอนที่ 2: ตั้งค่า Thonny สำหรับ ESP32

  1. เปิด Thonny
  2. ไปที่ Tools > Options > Interpreter
  3. เลือก "MicroPython (ESP32)"
  4. เลือก COM port ที่ถูกต้อง
  5. คลิก OK

ขั้นตอนที่ 3: อัปโหลดไลบรารี

  1. ไปที่ View > Files เพื่อเปิด File Browser
  2. อัปโหลดโฟลเดอร์ Week_1/lib/ ไปยัง ESP32
  3. อัปโหลดโฟลเดอร์ Week_1/fonts/ ไปยัง ESP32

ขั้นตอนที่ 4: เริ่มเรียนรู้

  1. เปิดไฟล์ Week_1/core/01_led_class.py
  2. กด F5 หรือคลิกปุ่ม Run
  3. ดูผลลัพธ์ใน Shell panel

เส้นทางการเรียน (Learning Path)

เริ่มต้นที่นี่!
      |
      v
Week_1/README.md  -->  Week_2/README.md  -->  Week_3/README.md
      |                       |                       |
      v                       v                       v
   พื้นฐาน               การสอบเทียบ            ระบบเต็มรูปแบบ

ไลบรารีที่จำเป็น (Required Libraries)

ไลบรารีทั้งหมดอยู่ในโฟลเดอร์ Week_1/lib/ ให้อัปโหลดไปยัง ESP32 ก่อนใช้งาน

ไฟล์ คำอธิบาย จำเป็น
ili9341.py ไดรเวอร์จอ TFT ILI9341 ใช่
xglcd_font.py ไลบรารีแสดงฟอนต์ ใช่
sdcard.py ไดรเวอร์ SD Card ไม่*
titralab_simple.py คลาสพื้นฐาน TitraLab ใช่

*หมายเหตุ: Week 3 ใช้ ESP32 flash storage แทน SD Card

ไฟล์ฟอนต์ (Font Files)

อยู่ในโฟลเดอร์ Week_1/fonts/:

ไฟล์ ขนาด การใช้งาน
ArcadePix9x11.c 9x11 px ข้อความเล็ก, ค่าตัวเลข
EspressoDolce18x24.c 18x24 px หัวข้อ, ค่า pH หลัก

ตารางอ้างอิงขา GPIO (GPIO Pin Reference)

ตารางนี้แสดงขา GPIO หลักที่ใช้ในบอร์ด TitraLab (ดูรายละเอียดเพิ่มเติมที่ Week_1/pins.py)

ขาหลักที่ใช้บ่อย (Commonly Used Pins)

อุปกรณ์ GPIO ค่าคงที่ ประเภท หมายเหตุ
LED สีแดง 2 LED_RED Output แสดงข้อผิดพลาด
LED สีเขียว 4 LED_GREEN Output แสดงสถานะปกติ
Button 1 34 BUTTON1 Input-only SELECT/ยืนยัน
Button 2 35 BUTTON2 Input-only UP/เลื่อนขึ้น
Button 3 39 BUTTON3 Input-only DOWN/เลื่อนลง
pH Sensor 32 PH_PIN ADC1 อ่านแรงดัน 0-3.3V (ห้ามใช้ GPIO25 — ADC2 ชนกับ Wi-Fi)
Temperature 16 DS18B20_PIN OneWire เซ็นเซอร์อุณหภูมิ
Pump 21 PUMP_PIN PWM ควบคุมปั๊มไทแทรนต์
Buzzer 26 BUZZER_PIN PWM เสียงแจ้งเตือน

ข้อควรระวัง (Important Notes)

  • GPIO34, 35, 39 เป็นขา input-only ไม่มี internal pull-up/pull-down
  • GPIO0, 2, 5, 12, 15 มีข้อจำกัดในการใช้งาน (boot mode pins)
  • ดูรายละเอียดทั้งหมดที่ Week_1/pins.py

การไหลของข้อมูลใน Week 3 (Data Flow in Week 3)

+==========================================================================+
|                      TitraLab Data Flow (Week 3)                          |
|                    การไหลของข้อมูลในระบบ TitraLab                          |
+==========================================================================+

  +-------------+     +-------------+     +-------------+
  |   Sensors   |     |    ESP32    |     | TFT Display |
  |  เซ็นเซอร์   | --> |   ประมวลผล   | --> |   แสดงผล    |
  +-------------+     +-------------+     +-------------+
  | - pH Probe  |     |             |
  | - DS18B20   |     +------+------+
  +-------------+            |
                             v
                    +----------------+
                    | Flash Storage  |
                    | (ไฟล์ CSV)      |
                    +----------------+
                             |
                             v
                    +----------------+
                    |  Thonny IDE    |
                    |  (ดาวน์โหลด)    |
                    +----------------+
                             |
                             v
                    +----------------+
                    |  EquivPoint    |
                    | (วิเคราะห์ข้อมูล) |
                    +----------------+
                             |
                             v
                    +----------------+
                    | จุดสมมูล (Ve)   |
                    | Equivalence Pt |
                    +----------------+

==========================================================================

ขั้นตอนหลังการไทเทรต (Post-Titration Steps)

  1. บันทึกข้อมูล - ระบบบันทึก pH, ปริมาตร, อุณหภูมิ ลง ESP32 flash
  2. ดาวน์โหลดไฟล์ - ใช้ Thonny IDE ดาวน์โหลดไฟล์ CSV จาก ESP32
  3. วิเคราะห์ข้อมูล - ใช้ EquivPoint (Python tool) หาจุดสมมูลที่แม่นยำ
  4. คำนวณความเข้มข้น - ใช้สูตร C1V1 = C2V2

ลิงก์ไปยัง README รายสัปดาห์ (Links to Weekly READMEs)

สัปดาห์ ลิงก์ คำอธิบาย
Week 1 Week_1/README.md พื้นฐานฮาร์ดแวร์, GPIO, ADC, PWM, OOP เบื้องต้น
Week 2 Week_2/README.md การสอบเทียบ pH และ Flow Rate, OOP ขั้นกลาง
Week 3 Week_3/README.md ระบบไทเทรตอัตโนมัติผ่านแอป MicroPad (BLE)

การเชื่อมโยงโปรแกรมกับเคมี (Programming-Chemistry Connection)

การเรียนรู้การเขียนโปรแกรมผ่านบอร์ด TitraLab ช่วยให้นิสิตเห็นความเชื่อมโยงที่ชัดเจน:

แนวคิดโปรแกรม แนวคิดเคมี ตัวอย่างใน TitraLab
Variable/ตัวแปร ค่าที่วัดได้ pH, temperature, volume
Loop/ลูป การวัดซ้ำ วัด pH ทุกวินาทีระหว่างไทเทรต
Conditional/เงื่อนไข การตรวจสอบ ถ้า pH > 7 แสดงว่าเป็นเบส
ADC สมการ Nernst แปลง mV -> pH
PWM ควบคุมอัตราการไหล ปรับความเร็วปั๊มตาม pH
Class/Object พิมพ์เขียว/ของจริง Class LED -> led_red, led_green
Inheritance ประเภทเซ็นเซอร์ BaseSensor -> pHSensor, TempSensor

คำศัพท์สำคัญ (Key Terminology)

คำศัพท์ OOP (OOP Terms)

English ภาษาไทย คำอธิบาย
Class คลาส พิมพ์เขียวสำหรับสร้าง Object
Object ออบเจกต์ สิ่งที่สร้างจาก Class (Instance)
Constructor ตัวสร้าง Method __init__ ที่ทำงานตอนสร้าง Object
Method เมธอด ฟังก์ชันที่อยู่ใน Class
Attribute แอตทริบิวต์ ตัวแปรที่อยู่ใน Class
Inheritance การสืบทอด Class ลูกรับคุณสมบัติจาก Class แม่
Composition การประกอบ Object มี Object อื่นเป็นส่วนประกอบ

คำศัพท์ฮาร์ดแวร์ (Hardware Terms)

English ภาษาไทย คำอธิบาย
GPIO จีพีไอโอ General Purpose Input/Output - ขาอเนกประสงค์
ADC เอดีซี Analog-to-Digital Converter - ตัวแปลงสัญญาณ (12-bit, 0-4095)
PWM พีดับเบิลยูเอ็ม Pulse Width Modulation (10-bit, 0-1023)
Duty Cycle ดิวตี้ไซเคิล สัดส่วนเวลาที่สัญญาณอยู่ที่ HIGH

คำศัพท์เคมี (Chemistry Terms)

English ภาษาไทย คำอธิบาย
Titration ไทเทรชัน การหาปริมาณสารด้วยการเติมสารไทแทรนต์
Equivalence Point จุดสมมูล จุดที่สารทำปฏิกิริยาพอดีกัน
Calibration การสอบเทียบ การปรับค่าเซ็นเซอร์ให้อ่านค่าถูกต้อง
Nernst Equation สมการเนิร์นสต์ E = E0 - (2.303RT/nF) x pH
Buffer Solution สารละลายบัฟเฟอร์ สารละลายที่มี pH คงที่

เกณฑ์ความสำเร็จ (Success Criteria)

เกณฑ์รายสัปดาห์ (Weekly Criteria)

สัปดาห์ เกณฑ์ สถานะ
Week 1 เข้าใจ LED, Button, ADC, PWM และสร้าง Class ง่ายๆ ได้ [ ]
Week 2 สอบเทียบ pH (R-squared >= 0.99) และ Flow Rate (%RSD < 5%) [ ]
Week 3 ไทเทรตสำเร็จ พบจุดสมมูล และวิเคราะห์ด้วย EquivPoint ได้ [ ]

ผลลัพธ์สุดท้าย (Final Deliverables)

  • ไฟล์สอบเทียบ /workspace/data/ph_calibration.txt (slope, intercept, R-squared)
  • ไฟล์ Flow Rate /workspace/data/flow_calibration.txt (mL/s)
  • ไฟล์ข้อมูลไทเทรต titration_data_R*.csv
  • รายงานการวิเคราะห์จุดสมมูลจาก EquivPoint

โปรเจกต์นิสิตรุ่นพี่ (Senior Project Examples)

โฟลเดอร์ SeniorProject/ ประกอบด้วยตัวอย่างโปรเจกต์จากนิสิตรุ่นก่อน:

โฟลเดอร์ นิสิต คำอธิบาย
Hemmawan_Saon/ เหมวรรณ สาออน โค้ดไทเทรตเวอร์ชัน 2023
Nuttakit_Deemon/ ณัฐกิตติ์ ดีมอญ โค้ดไทเทรตเวอร์ชัน 2024

นิสิตสามารถศึกษาโค้ดเหล่านี้เป็นแนวทางในการพัฒนาโปรเจกต์ของตนเอง

การแก้ไขปัญหาเบื้องต้น (Troubleshooting)

ปัญหาที่พบบ่อย (Common Issues)

ปัญหา สาเหตุ วิธีแก้
เชื่อมต่อ ESP32 ไม่ได้ Driver หรือสาย USB ติดตั้ง CP210x driver, ลองสายอื่น
No module named 'ili9341' ไม่ได้อัปโหลดไลบรารี อัปโหลด Week_1/lib/ ไปยัง ESP32
ค่า pH ไม่เสถียร หัววัดสกปรก ล้างด้วยน้ำ DI
R-squared < 0.99 สารละลายบัฟเฟอร์หมดอายุ ใช้บัฟเฟอร์ใหม่, ล้างหัววัด
ปั๊มไม่ทำงาน สายไฟหลุด ตรวจสอบการเชื่อมต่อ

ขอความช่วยเหลือ (Getting Help)

  1. ดู README ของแต่ละสัปดาห์
  2. ตรวจสอบ error message ใน Thonny Shell
  3. สอบถามอาจารย์ผู้สอนหรือ TA

ผู้พัฒนา (Developers)

ผู้ออกแบบบอร์ด (Board Designers)

  • รศ.ดร.วิวัฒน์ วชิรวงศ์กวิน (Assoc. Prof. Dr. Viwat Vchirawongkwin)
  • ศ.ดร.สัมฤทธิ์ วัชรสินธุ์ (Prof. Dr. Sumrit Wacharasindhu)

ผู้พัฒนาโค้ด (Code Contributors)

  • เหมวรรณ สาออน (Hemmawan Saon)
  • ณัฐกิตติ์ ดีมอญ (Nuttakit Deemorn)

รายวิชา: 2302311 Integrated Chemistry Laboratory I สถาบัน: ภาควิชาเคมี คณะวิทยาศาสตร์ จุฬาลงกรณ์มหาวิทยาลัย

Version 1.0.0 - MicroPython Curriculum Overview สร้างเมื่อ: มกราคม 2026