Skip to content

README.md

Latest commit

 

History

History
336 lines (248 loc) · 13.8 KB

README.md

File metadata and controls

336 lines (248 loc) · 13.8 KB
Raw

Week 1 Core: TitraLab Hardware & OOP Fundamentals

ภาพรวม (Overview)

โฟลเดอร์ core/ ประกอบด้วยไฟล์สอนหลักสำหรับสัปดาห์ที่ 1 ออกแบบเป็นคาบเรียน 3 ชั่วโมงที่เชื่อมโยงกับระบบไทเทรชันอัตโนมัติใน Week 3

This core/ folder contains core teaching files for Week 1, designed as a 3-hour session that connects to the automated titration system in Week 3.

ตารางสอน 3 ชั่วโมง (3-Hour Teaching Schedule)

ชั่วโมง ไฟล์ หัวข้อหลัก เชื่อมโยง Week 3
Hour 1 01-02 GPIO Input/Output LED status, Button control
Hour 2 03-06 ADC, PWM, Temperature pH sensor, Pump, Nernst
Hour 3 07-09 Display, OOP, Integration Full titration UI

ระยะเวลารวม (Total Duration): ~3 ชั่วโมง (สามารถปรับตามความเหมาะสม)

Hour 1: GPIO Basics (ชั่วโมงที่ 1: พื้นฐาน GPIO)

สอนการควบคุม LED และปุ่มกดซึ่งเป็นหัวใจของ user interface ในระบบไทเทรชัน

01_led_class.py - LED Status Display (~30 min)

แนวคิด OOP (OOP Concepts):

  • Class และ Object พื้นฐาน
  • Encapsulation: ซ่อน _pin ภายในคลาส
  • Methods: on(), off(), toggle(), blink()

Pin Configuration:

LED GPIO การใช้งานใน Week 3
Red GPIO2 ถึงจุดสมมูล/Error
Green GPIO4 ปั๊มกำลังทำงาน

เชื่อมโยงเคมี: LED แสดงสถานะระบบไทเทรชัน - เขียวติด = หยดสาร, แดงติด = ถึง endpoint

02_button_class.py - Button Control (~30 min)

แนวคิด OOP (OOP Concepts):

  • State management: _was_pressed, _last_press_time
  • Debounce algorithm: ป้องกันการอ่านซ้ำ
  • Blocking vs non-blocking: wait_for_press() vs is_pressed()

Pin Configuration:

Button GPIO การใช้งานใน Week 3
Button 1 GPIO34 SELECT - เริ่ม/หยุด
Button 2 GPIO35 UP - เลื่อนเมนู
Button 3 GPIO39 DOWN - ลดค่า

หมายเหตุ: GPIO34, 35, 39 เป็น input-only ไม่มี internal pull-up

เชื่อมโยงเคมี: ปุ่มควบคุมการเริ่ม/หยุดไทเทรชัน และยืนยัน calibration

Hour 2: Sensors & Actuators (ชั่วโมงที่ 2: เซ็นเซอร์และแอคชูเอเตอร์)

สอน ADC สำหรับอ่านค่า pH และ PWM สำหรับควบคุมปั๊ม

03_adc_ph_basics.py - ADC for pH Sensor (~30 min)

แนวคิดที่สอน (Concepts):

  • ADC 12-bit: แปลง 0-3.3V เป็น 0-4095
  • สมการ Nernst: E = E0 - 59.16 mV x pH (ที่ 25C)
  • Attenuation: ATTN_11DB สำหรับ 0-3.3V

Pin Configuration:

Component GPIO Description
Potentiometer GPIO32 จำลองสัญญาณ pH (ฝึก)
pH Sensor GPIO32 ใช้จริงใน Week 3 (ADC1 — ใช้ขาเดียวกับ Potentiometer ทีละอย่าง, ห้ามใช้ GPIO25)

เชื่อมโยงเคมี: pH sensor ส่งแรงดัน analog ตามสมการ Nernst - ต้องใช้ ADC อ่านค่า

04_pwm_pump_basics.py - PWM for Pump Control (~30 min)

แนวคิดที่สอน (Concepts):

  • PWM Duty Cycle: 0-1023 (10-bit)
  • ความเร็วปั๊มตาม Phase การไทเทรชัน
  • รูปแบบ titration: เร็ว -> กลาง -> ช้า -> หยุด

รูปแบบความเร็วปั๊ม (Titration Pattern):

Phase 1: ห่างจุดสมมูล  -> 80% (เร็ว)
Phase 2: เข้าใกล้       -> 50% (กลาง)
Phase 3: ใกล้มาก       -> 25% (ช้า-แม่นยำ)
Phase 4: ถึงจุดสมมูล!   -> 0% (หยุด)

Pin: GPIO21 -> EL357N optocoupler -> MOSFET -> Pump 12V

เชื่อมโยงเคมี: ใกล้จุดสมมูล ต้องหยดช้าเพื่อความแม่นยำ

05_pot_led_dimming.py - Combined ADC+PWM (~20 min)

แนวคิดที่สอน (Concepts):

  • รวม ADC (input) + PWM (output)
  • Mapping: 0-4095 -> 0-1023
  • หลักการเดียวกับ pH -> pump speed

หลักการ (Principle):

ตัวอย่างนี้:  Potentiometer (ADC) -> LED brightness (PWM)
Week 3:       pH Sensor (ADC)     -> Pump speed (PWM)

เชื่อมโยงเคมี: อ่านค่า -> ประมวลผล -> ควบคุม output (pattern เดียวกับไทเทรชันอัตโนมัติ)

06_temp_sensor_class.py - Temperature for Nernst (~20 min)

แนวคิดที่สอน (Concepts):

  • OneWire protocol: DS18B20
  • สมการ Nernst slope เปลี่ยนตามอุณหภูมิ
  • Multiple return formats: Celsius, Kelvin, Fahrenheit

สมการ Nernst (Nernst Equation):

E = E0 - (2.303 * R * T) / (n * F) * pH

ที่ 25C (298 K): slope = 59.16 mV/pH
ที่ 30C (303 K): slope = 60.15 mV/pH

Pin: GPIO16 (OneWire, มี pull-up 4.7k บนบอร์ด)

เชื่อมโยงเคมี: การวัด pH ที่แม่นยำต้องชดเชยอุณหภูมิตามสมการ Nernst

Hour 3: Display, OOP & Integration (ชั่วโมงที่ 3: จอแสดงผล, OOP และบูรณาการ)

สอนการแสดงผลและรวมทุกส่วนเข้าด้วยกัน

07_display_basics.py - TFT Display (~30 min)

แนวคิดที่สอน (Concepts):

  • SPI communication: ILI9341 driver
  • Color565 format: RGB 16-bit
  • Helper functions: draw_text(), draw_value_box()

Pin Configuration (SPI1):

Function GPIO
SCK GPIO14
MOSI GPIO13
DC GPIO27
CS GPIO15
RST GPIO0

เชื่อมโยงเคมี: แสดง pH, อุณหภูมิ, ปริมาตร และกราฟไทเทรชันแบบ real-time

08_intro_oop.py - OOP with Beaker Class (~30 min)

แนวคิด OOP (OOP Concepts):

  • Class = Blueprint (พิมพ์เขียว)
  • Object = Instance (ตัวอย่างที่สร้างจากคลาส)
  • __init__() = Constructor
  • self = Reference ถึง object ปัจจุบัน
  • Method = ฟังก์ชันภายในคลาส

ตัวอย่าง (Example):

beaker = Beaker(250)           # สร้างบีกเกอร์ 250 mL
beaker.add_liquid(100, "HCl")  # เติม HCl 100 mL
beaker.get_info()              # แสดงข้อมูล

เชื่อมโยงเคมี: คลาส Beaker จำลองอุปกรณ์ห้องปฏิบัติการ - มี attribute (ความจุ, ปริมาตร) และ method (เติม, เท)

09_combined_example.py - Integrated Lab Alert System (~40 min)

แนวคิด OOP (OOP Concepts):

  • Composition: รวมหลาย object (LED + Button + TempSensor + Display)
  • State machine: running state toggle
  • Main loop pattern: event checking + periodic updates
  • Graceful cleanup: cleanup() method

ระบบประกอบด้วย (Components):

TitrationMonitor
├── LED (GPIO 2, 4)      - แสดงสถานะ
├── Button (GPIO 34)     - สั่งเริ่ม/หยุด
├── TempSensor (GPIO 16) - วัดอุณหภูมิ
└── Display (SPI1)       - แสดงผล

เชื่อมโยงเคมี: จำลองระบบติดตามการไทเทรชัน - กดปุ่มเริ่ม/หยุด, แสดงอุณหภูมิ, LED แสดงสถานะ

แบบฝึกหัด (Exercise)

ex_status_led.py - StatusLED Class Exercise (~15 min)

วัตถุประสงค์: ให้นิสิตเขียนคลาส StatusLED ด้วยตนเอง โดยเติมโค้ดในส่วน TODO

ส่วนที่ต้องเติม:

  1. __init__() - สร้าง Pin object
  2. on() - เปิด LED
  3. off() - ปิด LED
  4. blink() - กระพริบ LED
  5. is_on property - ตรวจสอบสถานะ

เส้นทางการเรียนรู้ (Learning Progression)

Hour 1: GPIO Basics
========================
01_led_class.py (30 min)
    |   สร้าง Class, ควบคุม Output
    v
02_button_class.py (30 min)
    |   อ่าน Input, Debounce
    v

Hour 2: Sensors & Actuators
========================
03_adc_ph_basics.py (30 min)
    |   ADC 12-bit, สมการ Nernst
    v
04_pwm_pump_basics.py (30 min)
    |   PWM Duty Cycle, ความเร็วปั๊ม
    v
05_pot_led_dimming.py (20 min)
    |   รวม ADC + PWM (pattern สำหรับ Week 3)
    v
06_temp_sensor_class.py (20 min)
    |   OneWire, ชดเชยอุณหภูมิ
    v

Hour 3: Display, OOP & Integration
========================
07_display_basics.py (30 min)
    |   TFT SPI, แสดง pH
    v
08_intro_oop.py (30 min)
    |   Class/Object ด้วย Beaker
    v
09_combined_example.py (40 min)
    |   Composition, ระบบรวม
    v
ex_status_led.py (15 min)
    |   ฝึกเขียน Class ด้วยตนเอง
    v
[พร้อมสำหรับ Week 3: Titration System]

การเชื่อมโยงไปยัง Week 3 (Connection to Week 3)

Week 1 Concept Week 3 Application
LED Class แสดงสถานะไทเทรชัน (running/endpoint)
Button Class ควบคุมเมนู, เริ่ม/หยุด, calibration
ADC (Pot) อ่านค่าจาก pH Sensor
PWM (LED) ควบคุมความเร็วปั๊ม
TempSensor ชดเชย Nernst slope
Display แสดง pH, volume, กราฟไทเทรชัน
Composition รวมทุกส่วนเป็น TitrationSystem

สิ่งที่ต้องเตรียม (Prerequisites)

ไฟล์ Library บน ESP32 (Library Files)

ESP32 Root/
├── lib/
│   ├── ili9341.py       # TFT Display driver
│   ├── xglcd_font.py    # Font rendering
│   └── sdcard.py        # SD card driver
├── fonts/
│   ├── EspressoDolce18x24.c  # Large font
│   └── ArcadePix9x11.c       # Small font
└── (your .py files)

ความรู้พื้นฐาน (Background Knowledge)

  • เคมี: หลักการไทเทรชัน, การวัด pH, สมการ Nernst
  • โปรแกรม: ไม่จำเป็นต้องมีพื้นฐาน - เริ่มจากศูนย์

Pin Reference (อ้างอิง GPIO)

TitraLab Board - Week 1 Core
=============================
LED Red:      GPIO 2   (Output/PWM - 01, 04)
LED Green:    GPIO 4   (Output/PWM - 01, 04)
Button 1-3:   GPIO 34, 35, 39 (Input-only - 02)
DS18B20:      GPIO 16  (OneWire - 06)
Potentiometer: GPIO 32 (ADC - 03, 05)
pH Sensor:    GPIO 32  (ADC1 - Week 3, ใช้ขาเดียวกับ Potentiometer ทีละอย่าง)
Pump:         GPIO 21  (PWM - 04)
TFT:          SPI1 (GPIO 14,13,27,15,0 - 07)

การแก้ปัญหาเบื้องต้น (Troubleshooting)

ปัญหา สาเหตุ แก้ไข
ImportError: ili9341 ไม่มี library อัพโหลด ili9341.py ไปที่ lib/
RuntimeError: DS18B20 not found เซ็นเซอร์ไม่ได้เชื่อมต่อ ตรวจสอบการต่อที่ GPIO16
จอ TFT ไม่แสดงผล ไม่มีไฟล์ font อัพโหลดไฟล์ .c ไปที่ fonts/
ปุ่มกดไม่ตอบสนอง input-only pins ตรวจสอบสายไฟ (บอร์ดมี pull-down)

ผู้จัดทำ (Author)

เอกสารนี้จัดทำสำหรับรายวิชา 2302311 Integrated Chemistry Laboratory I ภาควิชาเคมี คณะวิทยาศาสตร์ จุฬาลงกรณ์มหาวิทยาลัย