月: 2013年2月

温度センサーとA/D変換

7セグも使うことが出来たので、次は温度センサーを使っていくことに。
これで無事に温度が表示出来れば、ほぼ完成したようなものだ。

温度センサーはLM60というものを使う。
このセンサーには3つの足が付いていて、それぞれVs、Vout、GNDとなる。
Vs（VCC）は電源、GNDにマイナスを接続すると、Voutに現在の温度を表す電圧が出力される。

AVRにはA/D変換の機能が標準で付いているので、これを利用することで現在の温度を取得できる。

A/D変換とは

そのまんまなのだけど、アナログ値をデジタル値として変換することだ。
変換するには、マイコンの変換用ポートPD0〜5を利用する。
変換するために使う基準電圧は、内部基準電圧使うか、外部電圧を使うか選択できます。
ATMEGA328Pの場合、内部基準電圧は1.1Vです。

LM60のデータシートを見る

まずはLM60の仕様を把握することにした。

データシートはこちら
http://akizukidenshi.com/download/LM60.pdf

  • 40度〜125度まで測定出来るらしく、DCオフセット424mV、6.25mV/℃ということらしい。

使用する電圧の範囲は174mV〜1205mVとなる。

基準電圧は出力される電圧以上なければいけないので、1.1Vだと以下になる。
(1100mV – 424mV) / 6.25mV = 108.16度
内部基準電圧だと108度くらいまでしか計測出来ないが、今回は良しとした。（108度を越える環境で使わないし…）

A/D変換を使って温度を取得

まず配線は、マイコンのAREFとGND間に0.1μFのコンデンサ、GNDとAVCCは電源に接続する。
PC0には温度センサーのVoutを接続する。

続いてコードだが、A/D変換を利用するには、ADMUXとADCSRA、ADCH、ADCLレジスタなどを使う。
ADMUXの7ビットと6ビット目で基準電圧を指定する。両方「1」にすることで内部基準電圧となる。
5ビット目は、左揃えにするか右揃えにするかという設定だが、これは取得できる電圧が0〜1023の10ビットの値なので、レジスタ2つ分使うことになる。
その際に上位ビットをどのように格納するかの設定が、この5ビット目になる。

0〜4ビット目は接続しているポートを表すビットを指定する。

ADCLは変換した値の下位ビット、ADCHは上位ビットになる。
ADCSRAで実際にA/D変換を有効にする設定だ。
詳しくは下記のサイトを見るのが手っ取り早いかもしれない。

A/D 変換でボリューム（可変抵抗）値を読む

変換される電圧は前述した通り、0〜1023の範囲で変換されて返される。
174mV〜1205mVを1.1Vの基準電圧を使って、0〜1023の範囲で変換されて返されるのだけど、この精度のことを分解能と言うらしい。

1.1V / 1024 = 0.001
3.0V / 1024 = 0.002

基準となる電圧によって精度も変わってくるようだ。

A/D変換された値を使って温度を求める計算式は下記のようになる。

(A/D変換された値 * 基準電圧 / 1024 – 0.424) / 0.00625 = 温度
(500 * 1.1V / 1024 – 0.424) / 0.00625 = 18.0975度

あとは計算して出てきた値を7セグへ表示するだけだ。
無事に成功！
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実はドハマリしてた

なぜか上手く温度が取得出来なくて、あーだこーだと試行錯誤していた。
原因はマイコン右側ポートのAVCCとGNDを接続していなかったことだ。
内部基準電圧を使うから必要ないと思っていたが、内部基準電圧はAVCCとGNDから確保されるらしい…。

今回の温度を測るコードはこちら
pontago/avr-7SegLedTemp · GitHub

7セグLEDの3桁表示に挑戦

前回の記事で1桁の7セグ表示することができたので、今回は3桁点灯させてみることにした。
3桁点灯させるにはトランジスタが必要ということで、いよいよトランジスタを使うことになる。

ここでトランジスタやダイナミックドライブについて調べていくと、
ATMEGA328PのI/Oピンは最大40mAなので、カソードコモンをマイコンに接続すると最大電流量を越えてしまうようだ。

各セグメント10mAで8本、合計80mA流すと、カソード側が80mAになる。
これを回避するためにトランジスタを使うらしく、少ない電流から大きい電流に増幅出来るので、最大40mAを超えないで制御できるそうだ。

トランジスタを使う

とにかくトランジスタを使ってみることにした。
使うトランジスタはNPN型の2SC1815GRというものだ。
他にPNP型というものもあるようだけど、今回はカソードコモンの7セグなので出番はないようだ。

トランジスタには、コレクタ、ベース、エミッタという3本の足があり、ベースに電流を流すことで、エミッタに増幅された電流が流れていくらしい。
この増幅率をhFEというようだ。

エミッタを7セグのコモン端子に繋ぎ、ベースにマイコンのPB0〜2ポートへと繋ぐ。
また、エミッタとベース間には安定化させるための抵抗10kΩ、ベースとマイコンポート間には4.7kΩを繋ぐ。

以前にすでに計算しているのだけど、マイコンとトランジスタ間に繋ぐ電流制限抵抗値は、以下のようにして計算した。

このトランジスタの電流増幅率（hFE）は100で、
トランジスタを通すことによって0.7Vほど電圧降下がすることを考慮して、以下ように計算した。
(5V – 0.7V) * 100hFE / 100mA = 4.3kΩ
4.3kΩに近い4.7kΩの抵抗を使うこととした。

ダイナミックドライブさせる

3桁の7セグを高速で切り替えることで、3桁とも点灯しているように見せるのが、ダイナミックドライブ（ダイナミック点灯）と言うらしい。

表示する桁のポートにビットを立てながら切り替えるだけなので、コードはさほど難しくなかった。
下記のように関数を作って、表示したい桁と数字（ドットなど）を指定できるようにした。

#define DIG_MAX 3
#define NUM_MAX 11
void showNumber(char dig, char num) {
char nums[] = {0b00111111, 0b00000110, 0b01011011, 0b01001111,
0b01100110, 0b01101101, 0b01111101, 0b00000111, 0b01111111,
0b01101111, 0b10000000};
if (dig < DIG_MAX && num < NUM_MAX) {
PORTB = 1 << dig;
if (num == -1) {
PORTD = 0b00000000;
}
else {
PORTD = nums[num];
}
}
}

3桁順番に数字などを表示させてみた。配線が汚くて恥ずかしい…。
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今回のコードはこちら
pontago/avr-7SegLed3Dig · GitHub

参考
今から始めるAVR ＃2 ATtiny2313 7セグ4桁ボード〜そこ(7セグ)んとこ、詳しく