明るさを測る方法のひとつにフォトレジスタを使うものがあります。フォトレジスタは光を入射すると電気抵抗が変化する素子です。フォトレジスタには様々な種類がありますが、以前はCdS(硫化カドミウムセル)といわれるものがよく使われていました。CdSは「抵抗値の変化の幅が大きい」、「反応する周波数が広い」などの利点がありましたが、カドミウムがRoHS指令の規制対象元素になったため、あまり使われなくなりました。

現在フォトダイオードやフォトICなどの代替品が各社から販売されていますが、今回はCdSの代わりとして使いやすいパナソニック製NaPiCa AMS302を使いました。千石電商で入手できます。
NaPiCaはフォトダイオードのパッケージに増幅回路を内蔵しており、人間の視感度に近い特性を持っているのが特徴です。印加電圧は1.5～6V、ピーク波長は580nmです。周囲の明るさに比例した光電流がリニアに出力されます。

回路を組んでみました。写真のブレッドボード上の透明なLEDのような形をした素子がAMS302です。AMS302は上がアノード、下の切り欠きのある側がカソードです。アノードのほうが足が長くなっています。抵抗をアノードとGNDの間につなぐことにより抵抗とアノードの間から出力(電圧)が得られます。今回は330Ωの抵抗をつなぎました。RaspberryHabuBasic側はアナログ入力0ピンを使っています。

 // napica.c sample program for RaspberryHabu
 // Licence CC 0 ( Public Domain )
 
 #include "stdio.h"
 #include "stdlib.h"
 #include "wiringPiSPI.h"
 #include "unistd.h"
 #define SPIBUFFSIZE 256
 unsigned char spidata[SPIBUFFSIZE];
 int MCP3008Read( int channel ){
   int spireturn,data;
   spidata[0]= 1; 
   spidata[1]= ( 0x80 | channel << 4 )  ;
   spidata[2]= 0;
   spireturn = wiringPiSPIDataRW( 0, spidata , SPIBUFFSIZE );
   data = ((spidata[1]&3) << 8) + spidata[2];
 return(data);
 }

int main()
{
  int spiresult;
  if (-1 == wiringPiSPISetup(0,1000000))
    {
      printf("SPI setup error!");
      exit(1);
    }
  while(1){
    spiresult=MCP3008Read(0);
    printf("channnel 0 : %d\n", spiresult);
    sleep (1);
  }
}

AD変換された10bitデータがそのまま表示されるコードです。1から1024の数字が出ます。暗いと小さくて明るいと大きい数字になります。

通常時です。すこし暗めですが、数値は110付近ですね。

センサを手で覆ってみました。数値は15付近。だいぶ暗いです。

白いLEDで照らしてみました。数値は250付近でした。

このセンサを使えば明るさの変化に対応したシステムが組めます。
今後、いろいろ使って紹介していきたいと思います。

異なる２種類の金属線をつないで、二つの接した部分に温度差を与えると電圧が発生します。この現象をゼーベック効果といいます。熱電対とはこの現象を利用したセンサで、一端の温度が分かれば発生する電圧と既知の金属の特性からもう一方の接点の温度を求めることができます。

絶対的な温度を計る場合は熱電対の測定に使う接点を温接点、端子側を基準接点とし、その温度(基準接点温度)を測り測定点の温度を求める必要があります。基準接点温度を測定するときはサーミスタや測温抵抗体などを使います。

試作には秋月電子で購入したK型熱電対ステンレス管タイプを使いました。この熱電対は－２００℃～＋６００℃の広範囲の温度を測定することができます。温度差1℃当たり約40.7μVの起電力が発生します。

RaspberryHabuのアナログポートに入力するには電圧変化が小さすぎるのでオペアンプで増幅します。一般的に信号を増幅するためによく使われるLM358では誤差が大きすぎるので今回は精度の高いオペアンプNJM2119Dの1回路分を使い、1kΩと100kΩの抵抗で100倍に増幅し、RaspberryHabuのアナログ1番ピンに入力しました。NJM2119Dは秋月電子で手に入ります。

熱電対の端子は商品では樹脂の端子がついていますが、ブレッドボードに指すために分解してあります。ケーブルは単芯なので被膜を取るだけでブレッドボードにさせます。
写真は２か所の温度を計るため熱電対を2つ使い、2チャンネル分の回路を作っています。

熱電対の出力はアナログなのでRaspberryHabuBasicのアナログ入力ピンからMCP3008を通してSPIでRaspberryPiに入力します。
以下のコードはサーミスタも使い室温を出したうえで熱電対で測定した結果の温度差を足して計測対象の温度を出しています。

 // thermocouple.c sample program for RaspberryHABU
 // Licence CC 0 ( Public Domain )
 
 
 #include "stdio.h"
 #include "stdlib.h"
 #include "wiringPi.h"
 #include "unistd.h"
 #define SPIBUFFSIZE 256
 #define THERMISTORCHANNEL 7
 #define THERMISTOR 10000 // 10k ohm
 #define B 3380 // 
 #define DIVR 10000 // 10k ohm
 
 unsigned char spidata[SPIBUFFSIZE];
 int MCP3008Read( int channel ){
   int spireturn,data;
   spidata[0]= 1; 
   spidata[1]= ( 0x80 | channel << 4 )  ;
   spidata[2]= 0;
   spireturn = wiringPiSPIDataRW( 0, spidata , SPIBUFFSIZE );
   data = ((spidata[1]&3) << 8) + spidata[2];
 return(data);
 }
 
 int main()
 {
   int spiresult,spiresult7;
   double thermistor_r,baseTemp,TCTemp,t1;
   if ( -1 ==  wiringPiSPISetup(0,1000000) )
   {
     printf("SPI setup error!");
     exit(1);
   }
   while (1){
     spiresult7=MCP3008Read(THERMISTORCHANNEL);
     thermistor_r = ( DIVR * spiresult7 )/ (1024 -spiresult7 );  // thermistor is lower
     t1 =   log( thermistor_r / THERMISTOR ) ;
     baseTemp = ((298*B) / ( B + ( 298 * t1 ))) - 273;
   
     spiresult=MCP3008Read(0);
     TCTemp = (3.3/1024.0*(double)spiresult*1.010)/0.00407;
 
     printf("temp: %3.f c  (room temp: %3.f c : A0 value0 %d)\n",TCTemp+baseTemp,baseTemp,spiresult);
     sleep(10);
   }
 
 }

入力した値はAD変換され10bitのデータとしてRaspberryPiに入力されます。その値は3.3Vを10bit(1024)分割された値なので1Vあたりの数値を出し、それを40.7μVで割ることで温度差を出しています。NJM2119Dは5V電源を試用していますが、出力は4V程度までしか出ないため、1.01をかけて補正してあります。

上記のプログラムとは出力が違いますが、別の実験で熱電対と基準接点温度を測定するためにサーミスタを使ったときの出力結果は以下のようになりました。この実験ではコップのお湯の温度を測ってみました。

今回使ったK型熱電対は対温度性が1250℃(樹脂の端子カバーを残して使う場合は600℃)と高いのでオーブン作ったりリフロー機作ったりできそうですね。

このモジュールは電源、接地、アナログ出力2本の計4本の線をつなぎます。アナログ信号はRaspberryHabu上のアナログ入力3,4につなぎました。

基本はSPIからMC2008を通して入力します。以下のようなコードを書きました。

実行するとブザーが鳴ります。このブザーはジャイロの数値によって音が変わるようにプログラムしました。下の出力例の一番右の数字がブザーの出力値です。

これで傾きの動きを検知しながらその情報をもとに音を出す装置ができます。オリジナル楽器などが作れそうですね。

GP2Y0A21YK-front

GP2Y0A21YK-back

赤い線が4.5V-5.5Vの電源(vcc)、黒い線がアース(Ground)、黄色い線がアナログ出力(Vo)です。
RaspberryHabuにつなぐときは黄色い線をアナログ入力に繋ぎます。今回はアナログ入力7番ピンを使いました。

GP2Y0A21YK+Habu

そしてデータシートのグラフを見ながら適当にコードを書きます。今回は距離に応じて0から7まで数字を出します。単位は特にないです。

試しに実行してみます。

画面にAD変換された数値(spiresult)と適当に変換した結果(distance)が出ています。障害物の距離に応じて数値(0から7)が出ています。

これでデジタル測距器の完成です。出てくる数値は適当ですが。(ほんとに使う場合はif文の部分をもっと細かく正しい数値で作りましょう)