====== 簡易温度&照度ミニロガー(SDC)(PIC18F14K50) ======
===== 概要 =====
今迄、温度、湿度、照度、紫外線などを、単一データとして測定し、記録する装置を複数手掛けてきました。
しかし、研究分野によっては、複数のデータを同時に測定し、その因果関係を明らかにし、解を得ていく方法が多々実施されているようです。
そこで今回は、温度と照度を同時に測定し、記録する装置を製作しました。
<簡易温度&照度ミニロガー(SDC)の仕様>
* 温度測定範囲￫-55℃~+125℃(分解能=0.0625℃)
* 照度測定範囲￫0.01Lux~10kLux
* 記録媒体￫SDC(FAT16)最大2Gバイト
* サンプリング周期￫1秒
* 記録時間￫約800日(2GB÷27バイト÷3600秒÷24時間)
* 記録内容￫測定経過時間、温度℃(小数点第1位迄)、照度Lux(小数点第2位迄)
* 記録ファイル名￫log_0001.txt~log_9999.txt※起動時にlog_0001.txtにリセットされる。
* 電源電圧￫3V(ボタン電池CR2032等)
===== 動作原理 =====
PICに接続した、温度センサーと照度センサーより、1秒周期にデータを測定し、SDCに記録します。
小型化を図るために、全体を3V駆動としています。(電圧レベルの変換が不要なため)
温度センサーと照度センサーには、内部でアナログ処理を行い、外部へはデジタル出力のものを使用し、回路の簡素化と同時に高精度化を図っています。
===== 動作原理(ハードウェア) =====
◎温度センサー
使用した温度センサーは、ナショナル セミコンダクター社製の「LM74」です。
詳細については、以前に製作した簡易温度計(LM74)を参照してください。
PICとは、SPI(Serial Peripheral Interface)方式で接続します。
動作電圧は、2.65V~5.5Vです。
<温度センサー「LM74」の概観と変換基板への実装例>
{{:imgpaste:202004:admin-20200430-221908.png}}{{:imgpaste:202004:admin-20200430-221912.png}}
※マルツパーツ館で1個283円で販売しています。(2011.1.2時点)
◎照度センサー
使用した温度センサーは、浜松フォトニクス社製の「S9705」です。
詳細については、以前に製作した簡易照度計V2(S9705)を参照してください。
S9705は、照度に応じたパルス(100Lux=50kHz)を出力するので、PICではTIMERﾓｼﾞｭｰﾙを使用して周波数をカウントします。
動作電圧は、2.7V~5.5Vです。
<照度センサー「S9705」の概観と変換基板への実装例>
{{:imgpaste:202004:admin-20200430-221925.png}}{{:imgpaste:202004:admin-20200430-221928.png}}
※赤く見える部分がセンサー部です。
※秋月電子通商で2個400円で販売しています。(2011.1.2時点)
◎SDC(SD Memory Card)
FAT16対応のSDCを使用します。
動作電圧は、2.7V~3.6Vです。
===== 動作原理(ソフトウェア) =====
◎記録と停止
* 記録:停止中に、スイッチ(SW_START_STOP)を押下すると記録を開始します。(LED点灯)
* 停止:記録中に、スイッチ(SW_START_STOP)を押下すると記録を停止します。(LED消灯)
※記録を繰り返す毎に、ファイル名(log_0001.txt~log_9999.txt)を切り替えていきます。
※起動時に、ファイル名の開始が、log_0001.txtにリセットされます。
◎温度の測定
* 簡易温度計(LM74)を参照してください。
◎照度の測定
* S9705のパルスをカウントします。
* ゲートタイムは、CCPモジュール+TIMER1モジュールで、0.1秒の周期割り込みを発生させます。
* パルスのカウントは、TIMER0モジュールを16ビットモードで使用しカウントします。
* S9705が出力するパルスは、100Lux=50kHzなので、カウントした周波数を500で割れば照度を求めることができます。
* 小数点第2位まで表示するため、実際には500ではなく5で割ります。
◎測定経過時間
* 0.1秒の周期割り込みで、クロック変数をカウントアップします。
◎サンプリング周期(記録周期)
* クロック変数を10で割った余りが“0"であれば、1秒経過とみなし、測定と記録を行います。
===== 回路図 =====
{{:imgpaste:202004:admin-20200430-222048.png}}
===== ソースコード =====
//**********************************************************************
/*
『温度＆照度ロガーＶ１』
★温度センサー→LM74（ナショセミ）
★照度センサー→S9705（浜松ホトニクス）
*/
//**********************************************************************
//■マクロの定義
#define BYTE unsigned short
#define WORD unsigned int
#define DWORD unsigned long
sbit SW at RC0_bit;
sbit SW_Direction at TRISC0_bit;
sbit LED at RC1_bit;
sbit LED_Direction at TRISC1_bit;
//LM74
sbit LM74_CS at RA5_bit;
sbit LM74_SO at RA3_bit;
sbit LM74_SC at RA4_bit;
sbit LM74_CS_Direction at TRISA5_bit;
//sbit LM74_SO_Direction at TRISA3_bit;
sbit LM74_SC_Direction at TRISA4_bit;
#define CR 0x0D
#define LF 0x0A
//**********************************************************************
//■関数および変数の宣言
extern void main();
extern void init_sdc();
extern void init_timer();
extern int temperature_measurement();
extern int temperature_convert(int temperature);
extern void temperature_convert_2(int temperature, char *msg);
extern DWORD illuminance_measurement();
extern DWORD illuminance_convert(DWORD illuminance);
extern void illuminance_convert_2(DWORD illuminance, char *msg);
extern void run();
extern short trigger();
extern void interrupt();
extern DWORD clock;
extern short start_flg;
//**********************************************************************
char buf[40];
WORD write_cnt = 0;
char* file_name = "log_????.txt";
//**********************************************************************
//■メイン関数です。
void main()
{
OSCCON.IRCF2 = 1;
OSCCON.IRCF1 = 1;
OSCCON.IRCF0 = 1;
ANSELH.ANS11 = 0;
ANSELH.ANS10 = 0;
ANSELH.ANS9 = 0;
ANSELH.ANS8 = 0;
ANSEL.ANS7 = 0;
ANSEL.ANS6 = 0;
ANSEL.ANS5 = 0;
ANSEL.ANS4 = 0;
ANSEL.ANS3 = 0;
TRISA = 0b11111111;
TRISB = 0b11111111;
TRISC = 0b11111111;
//
LED_Direction = 0;
LED = 0;
SW_Direction = 1;
//
LM74_CS_Direction = 0;
// LM74_SO_Direction = 1;
LM74_SC_Direction = 0;
LM74_SC = 0;
LM74_CS = 1;
//
init_sdc();
init_timer();
//
while (1) {
if (SW == 1) {
continue;
}
while (SW == 0) {
Delay_ms(100);
}
//
clock = 0;
start_flg = 1;
LED = 1;
//
write_cnt++;
WordToStr(write_cnt, buf);
file_name[4] = (buf[1] == ' ') ? '0' : buf[1];
file_name[5] = (buf[2] == ' ') ? '0' : buf[2];
file_name[6] = (buf[3] == ' ') ? '0' : buf[3];
file_name[7] = (buf[4] == ' ') ? '0' : buf[4];
Mmc_Fat_Assign(file_name, 0xA0);
Mmc_Fat_Delete();
Mmc_Fat_Set_File_Date(2010, 12, 25, 12, 34, 56);
Mmc_Fat_Assign(file_name, 0xA0);
Mmc_Fat_Rewrite();
//
run();
//
LED = 0;
start_flg = 0;
}
}
//**********************************************************************
//■測定タイミングをチェックする関数です。
short trigger()
{
while ((clock % 10) != 0) {
Delay_ms(1);
if (SW == 0) {
while (SW == 0) {
Delay_ms(100);
}
return (-1);
}
}
return (0);
}
//**********************************************************************
void ByteToStr2(unsigned short number, char *output)
{
ByteToStr(number, output);
output[0] = (output[1] == ' ') ? '0' : output[1];
output[1] = output[2];
output[2] = 0x00;
}
//**********************************************************************
//■測定＆記録を行う関数です。
void run()
{
DWORD tmp;
BYTE hh, mm, ss;
int temperature;
DWORD illuminance;
//
while (1) {
if (trigger() == -1) {
return;
}
//
tmp = clock;
tmp /= 10;
hh = tmp / 3600;
mm = (tmp % 3600) / 60;
ss = (tmp % 3600) % 60;
ByteToStr2(hh, buf);
buf[2] = ':';
ByteToStr2(mm, &buf[3]);
buf[5] = ':';
ByteToStr2(ss, &buf[6]);
//
temperature = temperature_measurement();
temperature = temperature_convert(temperature);
temperature_convert_2(temperature, &buf[8]);
//
illuminance = illuminance_measurement();
illuminance = illuminance_convert(illuminance);
illuminance_convert_2(illuminance, &buf[14]);
//
buf[25] = CR;
buf[26] = LF;
Mmc_Fat_Write(buf, 27);
//
Delay_ms(100);
}
}
//**********************************************************************
//■温度測定関数
int temperature_measurement()
{
DWORD temperature;
short cnt;
//
temperature = 0;
LM74_CS = 0;
for (cnt = 0; cnt < 16; cnt++) {
LM74_SC = 1;
if (LM74_SO == 1) {
temperature |= 1;
temperature <<= 1;
} else {
temperature |= 0;
temperature <<= 1;
}
LM74_SC = 0;
}
LM74_CS = 1;
temperature >>= 1;
return (temperature);
}
//**********************************************************************
//■温度換算関数(1)
int temperature_convert(int temperature)
{
double d;
int tmp;
//
if ((temperature & 0b1000000000000000) == 0) {
d = temperature >> 3;
d = d * 0.0625 * 10;
} else {
d = (temperature >> 3) & 0x0FFF;
d = (d - 4096) * 0.0625 * 10;
}
tmp = d;
return (tmp);
}
//**********************************************************************
//■温度換算関数(2)
void temperature_convert_2(int temperature, char *msg)
{
if (temperature >= 0) {
IntToStr(temperature, msg);
msg[0] = ' ';
msg[1] = ' ';
msg[2] = msg[3];
msg[3] = msg[4];
msg[4] = '.';
} else {
IntToStr(temperature, msg);
msg[0] = ' ';
msg[1] = '-';
msg[2] = (msg[3] == '-') ? ' ' : msg[3];
msg[3] = (msg[4] == '-') ? ' ' : msg[4];
msg[4] = '.';
}
}
//**********************************************************************
//■照度測定関数
short freq_flg = 0;
//
DWORD illuminance_measurement()
{
DWORD freq = 0;
BYTE tmp_TMR0H, tmp_TMR0L;
//
T0CON.T0CS = 1;
T0CON.PSA = 1;
T0CON.TMR0ON = 0;
T0CON.T08BIT = 0;
INTCON.TMR0IF = 0;
TMR0H = 0;
TMR0L = 0;
freq = 0;
freq_flg = 1;
while (freq_flg != 0) {
if (INTCON.TMR0IF == 1) {
INTCON.TMR0IF = 0;
freq++;
}
}
if (INTCON.TMR0IF == 1) {
INTCON.TMR0IF = 0;
freq++;
}
tmp_TMR0L = TMR0L;
tmp_TMR0H = TMR0H;
freq = (freq * 65536) + (((DWORD)tmp_TMR0H) * 256) + (DWORD)tmp_TMR0L;
return (freq * 10);
}
//**********************************************************************
//■照度換算関数(1)
DWORD illuminance_convert(DWORD illuminance)
{
return (illuminance / 5);
}
//**********************************************************************
//■照度換算関数(2)
void illuminance_convert_2(DWORD illuminance, char *msg)
{
LongToStr(illuminance, msg);
msg[0] = msg[1];
msg[1] = msg[2];
msg[2] = msg[3];
msg[3] = msg[4];
msg[4] = msg[5];
msg[5] = msg[6];
msg[6] = msg[7];
msg[7] = msg[8];
msg[8] = '.';
}
//**********************************************************************
//■ＳＤＣを初期化する関数です。
sfr sbit Mmc_Chip_Select at RB7_bit;
sfr sbit Mmc_Chip_Select_Direction at TRISB7_bit;
//
void init_sdc()
{
short cnt;
//
SPI1_Init_Advanced(_SPI_MASTER_OSC_DIV64, _SPI_DATA_SAMPLE_MIDDLE, _SPI_CLK_IDLE_LOW, _SPI_LOW_2_HIGH);
if (Mmc_Fat_Init()) {
while (1) {
LED = 1;
Delay_ms(100);
LED = 0;
Delay_ms(100);
}
}
SPI1_Init_Advanced(_SPI_MASTER_OSC_DIV4, _SPI_DATA_SAMPLE_MIDDLE, _SPI_CLK_IDLE_LOW, _SPI_LOW_2_HIGH);
for (cnt = 0; cnt < 3; cnt++) {
LED = 1;
Delay_ms(500);
LED = 0;
Delay_ms(500);
}
}
//**********************************************************************
//■100msecの周期割り込みを発生させる関数です。
void init_timer()
{
// CCPの設定
PIE1.CCP1IE = 1;
PIR1.CCP1IF = 0;
CCP1CON.CCP1M3 = 1;
CCP1CON.CCP1M2 = 0;
CCP1CON.CCP1M1 = 1;
CCP1CON.CCP1M0 = 1;
CCPR1L = 0x50; // 100msec...クロックが16Mhzの時
CCPR1H = 0xC3; // 100msec...(1÷16000000)*4*8*50000(0xC350)
// TIMER1の設定
PIE1.TMR1IE = 0;
PIR1.TMR1IF = 0;
TMR1L = 0;
TMR1H = 0;
T1CON.TMR1CS = 0;
T1CON.T1CKPS0 = 1;
T1CON.T1CKPS1 = 1;
T1CON.TMR1ON = 1;
//
INTCON.PEIE = 1;
INTCON.GIE = 1;
}
//**********************************************************************
//■割り込み関数です。
DWORD clock = 0;
short start_flg = 0;
//
void interrupt()
{
if (PIR1.CCP1IF == 1) {
PIR1.CCP1IF = 0;
//
if (start_flg == 1) {
clock++;
}
if (freq_flg == 2) {
freq_flg = 0;
T0CON.TMR0ON = 0;
}
if (freq_flg == 1) {
freq_flg = 2;
T0CON.TMR0ON = 1;
}
}
}
//**********************************************************************
===== 動作確認 =====
部品点数が少ないので、ブレッドボードでも十分動作を確認することが出来ます。
{{:imgpaste:202004:admin-20200430-222201.png}}{{:imgpaste:202004:admin-20200430-222205.png}}
記録したログファイルの内容です。
各行に記録された内容は、左側から、測定経過時間、温度、照度です。
{{:imgpaste:202004:admin-20200430-222209.png}}
それをExcelで取り込みグラフ表示させて見ました。
{{:imgpaste:202004:admin-20200430-222215.png}}
2階の作業部屋に設置して、約4.5時間記録してみました。
温度は、暖房を止めたので徐々に下がっていきます。
照度は、少しずつ低下しますが、雲の流れの影響で明暗が変化します。
※これを利用すると雲の流れを分析することにも応用できそうです。
{{:imgpaste:202004:admin-20200430-222224.png}}
如何ですか?
このように簡単な回路ですが、本格的な測定にも十分応用が出来そうですね! ^_^
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