Arduinoで生活に役立つものを作りたい。ありきたりなものではなく、自作ならではのちょっとリッチなものですよね！
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構想
生活に欠かせないものといえば空気ですよね。
四季が豊かな日本なら、楽しい温湿度計があっても良いのでは…
台風が来るならば気圧計があっても良いのでは…
Arduinoで温湿度＋気圧計を製作したい！
I2Cの勉強もしたい！Arduinoとセンサーモジュールの通信はI2Cで頑張ろう！
準備するもの
- Arduino Uno R3
- BME280 センサーモジュール
- キャラクタ液晶モジュール
- LED（赤・黄・緑）
- カーボン抵抗
- コンデンサ、水晶など（※ATMEGA328Pで実装する場合）
Arduino Uno R3を使いました。互換品でも特に問題ないと思います。
肝心の温湿度と気圧を計測するセンサーですが、ボッシュ社のBME280というモジュールを使えば、温湿度、気圧計が1モジュールで計測できます！
液晶は8文字×2行の汎用モジュールです。
そもそもI2C通信ってどうやるの
I2C通信とは、組込み機器等で使用されているシリアル通信の一種です。
様々なセンサーで利用できるため、I2C通信の基礎を押さえておくと応用が可能です。
基本的には、電源、GNDの他にシリアルデータ（SDA）とシリアルクロック（SCL）を接続すればOKです。
設計方針・回路図
設計方針は以下の通り。
- 温度、湿度、気圧は液晶で常時表示したい。
- 不快指数を表したい。（夏は高湿度を検知、冬は乾燥を検知したい）
- 液晶を見なくてもわかるようにインジケータを設置したい。
- 台風が来る前に教えて欲しい。
- 自作するならカッコよくしたい。
fritzingで描いてみました。
これを見ながら半田付けしたので、たぶん合っていると思います…。間違っていたらすみません。
右下のLEDは、不快指数インジケータです。
温度・湿度から計算した不快指数によってLEDの光り方が変わります。
液晶には、センサーで取得した温度、湿度、気圧を表示します。
この後の実装では、Arduinoではなく、素のATMEGA328Pを使っています。
ATMEGA328PをArduinoとして使う方法は、後日アップします。
スケッチ
スケッチの一部（BME280からデータを取得する部分）は、スイッチサイエンスが公開しているサンプルを利用しています。（サンプルスケッチはこちら）
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signed long int t_fine; uint16_t dig_T1; int16_t dig_T2; int16_t dig_T3; uint16_t dig_P1; int16_t dig_P2; int16_t dig_P3; int16_t dig_P4; int16_t dig_P5; int16_t dig_P6; int16_t dig_P7; int16_t dig_P8; int16_t dig_P9; int8_t dig_H1; int16_t dig_H2; int8_t dig_H3; int16_t dig_H4; int16_t dig_H5; int8_t dig_H6; /* For LiquidCrystal */ LiquidCrystal g_lcd( 12, 11, 5, 4, 3, 2 ); // rs, enable, d4, d5, d6, d7 void setup() { // BME280 initial uint8_t osrs_t = 1; //Temperature oversampling x 1 uint8_t osrs_p = 1; //Pressure oversampling x 1 uint8_t osrs_h = 1; //Humidity oversampling x 1 uint8_t mode = 3; //Normal mode uint8_t t_sb = 5; //Tstandby 1000ms uint8_t filter = 0; //Filter off uint8_t spi3w_en = 0; //3-wire SPI Disable uint8_t ctrl_meas_reg = (osrs_t << 5) | (osrs_p << 2) | mode; uint8_t config_reg = (t_sb << 5) | (filter << 2) | spi3w_en; uint8_t ctrl_hum_reg = osrs_h; Serial.begin(9600); Wire.begin(); writeReg(0xF2, ctrl_hum_reg); writeReg(0xF4, ctrl_meas_reg); writeReg(0xF5, config_reg); readTrim(); // LiquidCrystal initial pinMode(LED_GREEN, OUTPUT); //緑色LED pinMode(LED_YELLOW, OUTPUT); //黄色LED pinMode(LED_RED, OUTPUT); //赤色LED g_lcd.begin( 16, 2 ); // 16文字×2行 g_lcd.clear(); // LCD画面消去 //Welcome Message g_lcd.setCursor( 0, 0 ); g_lcd.print( "-Hello Arduino!-" ); g_lcd.setCursor( 1, 1 ); g_lcd.print( "PRD.Aug 18,2016" ); //全部LED点灯 digitalWrite(LED_GREEN, HIGH); analogWrite(LED_YELLOW, YELLOW_ON); analogWrite(LED_RED, RED_ON); delay( INTERVAL ); } void loop() { double temp_act = 0.0, press_act = 0.0, hum_act = 0.0; signed long int temp_cal; unsigned long int press_cal, hum_cal; char text[2]; int di = 0; readData(); temp_cal = calibration_T(temp_raw); press_cal = calibration_P(pres_raw); hum_cal = calibration_H(hum_raw); temp_act = (double)temp_cal / 100.0; press_act = (double)press_cal / 100.0; hum_act = (double)hum_cal / 1024.0; temp_act -= TEMP_CALIBRATION; //気温の較正を行う Serial.print("TEMP : "); Serial.print(temp_act); Serial.print(" DegC PRESS : "); Serial.print(press_act); Serial.print(" hPa HUM : "); Serial.print(hum_act); Serial.println(" %"); if (temp_act >= TEMP_THRESHOLD) { //夏の場合 summer(temp_act, hum_act, press_act); } else { //冬の場合 winter(temp_act, hum_act, press_act); } delay(INTERVAL); } void readTrim() { uint8_t data[32], i = 0; Wire.beginTransmission(BME280_ADDRESS); Wire.write(0x88); Wire.endTransmission(); Wire.requestFrom(BME280_ADDRESS, 24); while (Wire.available()) { data[i] = Wire.read(); i++; } Wire.beginTransmission(BME280_ADDRESS); Wire.write(0xA1); Wire.endTransmission(); Wire.requestFrom(BME280_ADDRESS, 1); data[i] = Wire.read(); i++; Wire.beginTransmission(BME280_ADDRESS); Wire.write(0xE1); Wire.endTransmission(); Wire.requestFrom(BME280_ADDRESS, 7); while (Wire.available()) { data[i] = Wire.read(); i++; } dig_T1 = (data[1] << 8) | data[0]; dig_T2 = (data[3] << 8) | data[2]; dig_T3 = (data[5] << 8) | data[4]; dig_P1 = (data[7] << 8) | data[6]; dig_P2 = (data[9] << 8) | data[8]; dig_P3 = (data[11] << 8) | data[10]; dig_P4 = (data[13] << 8) | data[12]; dig_P5 = (data[15] << 8) | data[14]; dig_P6 = (data[17] << 8) | data[16]; dig_P7 = (data[19] << 8) | data[18]; dig_P8 = (data[21] << 8) | data[20]; dig_P9 = (data[23] << 8) | data[22]; dig_H1 = data[24]; dig_H2 = (data[26] << 8) | data[25]; dig_H3 = data[27]; dig_H4 = (data[28] << 4) | (0x0F & data[29]); dig_H5 = (data[30] << 4) | ((data[29] >> 4) & 0x0F); dig_H6 = data[31]; } void writeReg(uint8_t reg_address, uint8_t data) { Wire.beginTransmission(BME280_ADDRESS); Wire.write(reg_address); Wire.write(data); Wire.endTransmission(); } void readData() { int i = 0; uint32_t data[8]; Wire.beginTransmission(BME280_ADDRESS); Wire.write(0xF7); Wire.endTransmission(); Wire.requestFrom(BME280_ADDRESS, 8); while (Wire.available()) { data[i] = Wire.read(); i++; } pres_raw = (data[0] << 12) | (data[1] << 4) | (data[2] >> 4); temp_raw = (data[3] << 12) | (data[4] << 4) | (data[5] >> 4); hum_raw = (data[6] << 8) | data[7]; } signed long int calibration_T(signed long int adc_T) { signed long int var1, var2, T; var1 = ((((adc_T >> 3) - ((signed long int)dig_T1 << 1))) * ((signed long int)dig_T2)) >> 11; var2 = (((((adc_T >> 4) - ((signed long int)dig_T1)) * ((adc_T >> 4) - ((signed long int)dig_T1))) >> 12) * ((signed long int)dig_T3)) >> 14; t_fine = var1 + var2; T = (t_fine * 5 + 128) >> 8; return T; } unsigned long int calibration_P(signed long int adc_P) { signed long int var1, var2; unsigned long int P; var1 = (((signed long int)t_fine) >> 1) - (signed long int)64000; var2 = (((var1 >> 2) * (var1 >> 2)) >> 11) * ((signed long int)dig_P6); var2 = var2 + ((var1 * ((signed long int)dig_P5)) << 1); var2 = (var2 >> 2) + (((signed long int)dig_P4) << 16); var1 = (((dig_P3 * (((var1 >> 2) * (var1 >> 2)) >> 13)) >> 3) + ((((signed long int)dig_P2) * var1) >> 1)) >> 18; var1 = ((((32768 + var1)) * ((signed long int)dig_P1)) >> 15); if (var1 == 0) { return 0; } P = (((unsigned long int)(((signed long int)1048576) - adc_P) - (var2 >> 12))) * 3125; if (P < 0x80000000) { P = (P << 1) / ((unsigned long int) var1); } else { P = (P / (unsigned long int)var1) * 2; } var1 = (((signed long int)dig_P9) * ((signed long int)(((P >> 3) * (P >> 3)) >> 13))) >> 12; var2 = (((signed long int)(P >> 2)) * ((signed long int)dig_P8)) >> 13; P = (unsigned long int)((signed long int)P + ((var1 + var2 + dig_P7) >> 4)); return P; } unsigned long int calibration_H(signed long int adc_H) { signed long int v_x1; v_x1 = (t_fine - ((signed long int)76800)); v_x1 = (((((adc_H << 14) - (((signed long int)dig_H4) << 20) - (((signed long int)dig_H5) * v_x1)) + ((signed long int)16384)) >> 15) * (((((((v_x1 * ((signed long int)dig_H6)) >> 10) * (((v_x1 * ((signed long int)dig_H3)) >> 11) + ((signed long int) 32768))) >> 10) + (( signed long int)2097152)) * ((signed long int) dig_H2) + 8192) >> 14)); v_x1 = (v_x1 - (((((v_x1 >> 15) * (v_x1 >> 15)) >> 7) * ((signed long int)dig_H1)) >> 4)); v_x1 = (v_x1 < 0 ? 0 : v_x1); v_x1 = (v_x1 > 419430400 ? 419430400 : v_x1); return (unsigned long int)(v_x1 >> 12); } //不快指数の計算。計算式はググれば出てくる unsigned int calc_DI(double temp, double hum) { double calc = 0; calc = (0.81 * temp) + (0.01 * hum * (0.99 * temp - 14.3 )) + 46.3; //計算結果はintに丸めて返す return (int)calc; } //夏の場合 void summer(double temp_act, double hum_act, double press_act) { char text[2]; int di = 0; //「℃を作成」 sprintf(text, "%cC", 0b11011111); g_lcd.clear(); //気温を表示 g_lcd.setCursor( 1, 0 ); g_lcd.print(temp_act); g_lcd.print(text); //湿度を表示 g_lcd.setCursor( 9, 0 ); g_lcd.print(hum_act); g_lcd.print("%"); //気圧を表示 g_lcd.setCursor( 0, 1 ); g_lcd.print(press_act); g_lcd.print("hPa"); //不快指数を表示 di = calc_DI(temp_act, hum_act); g_lcd.setCursor( 11, 1 ); g_lcd.print("*"); g_lcd.print(di); g_lcd.print("*"); //台風気圧を検知したら全てのLEDを点滅させる if (press_act <= TYPHOON) { //全部LED点灯 digitalWrite(LED_GREEN, HIGH); analogWrite(LED_YELLOW, YELLOW_ON); analogWrite(LED_RED, RED_ON); delay( INTERVAL / 2 ); //全部LED消灯 digitalWrite(LED_GREEN, LOW); analogWrite(LED_YELLOW, YELLOW_OFF); analogWrite(LED_RED, RED_OFF); delay( INTERVAL / 2 ); return; } //快適である場合 if (di < DISCOMFORT_DOWN) { digitalWrite(LED_GREEN, HIGH); analogWrite(LED_YELLOW, YELLOW_OFF); analogWrite(LED_RED, RED_OFF); } //不快かもしれない場合（黄色点灯） else if (di >= DISCOMFORT_DOWN && di < DISCOMFORT_UP) { digitalWrite(LED_GREEN, LOW); analogWrite(LED_YELLOW, YELLOW_ON); analogWrite(LED_RED, RED_OFF); } //不快な場合 else { digitalWrite(LED_GREEN, LOW); analogWrite(LED_YELLOW, YELLOW_OFF); analogWrite(LED_RED, RED_ON); } } //冬の場合 void winter(double temp_act, double hum_act, double press_act) { const int dry = 30; const int hum_low = 40; const int hum_high = 60; const int hum_over = 70; char text[2]; int di = 0; //「℃を作成」 sprintf(text, "%cC", 0b11011111); g_lcd.clear(); //気温を表示 g_lcd.setCursor( 1, 0 ); g_lcd.print(temp_act); g_lcd.print(text); //湿度を表示 g_lcd.setCursor( 9, 0 ); g_lcd.print(hum_act); g_lcd.print("%"); //気圧を表示 g_lcd.setCursor( 0, 1 ); g_lcd.print(press_act); g_lcd.print("hPa"); //冬モードであることを表示 g_lcd.setCursor( 10, 1 ); g_lcd.print("*"); g_lcd.print("COLD"); g_lcd.print("*"); //極度の乾燥を検知したら全てのLEDを点滅させる if (hum_act < dry) { //全部LED点灯 digitalWrite(LED_GREEN, HIGH); analogWrite(LED_YELLOW, YELLOW_ON); analogWrite(LED_RED, RED_ON); delay( INTERVAL / 2 ); //全部LED消灯 digitalWrite(LED_GREEN, LOW); analogWrite(LED_YELLOW, YELLOW_OFF); analogWrite(LED_RED, RED_OFF); delay( INTERVAL / 2 ); return; } //快適である場合 if (hum_act >= hum_low && hum_act < hum_high) { digitalWrite(LED_GREEN, HIGH); analogWrite(LED_YELLOW, YELLOW_OFF); analogWrite(LED_RED, RED_OFF); } //不快かもしれない場合（黄色点灯） else if (hum_act >= dry && hum_act < hum_low) { digitalWrite(LED_GREEN, LOW); analogWrite(LED_YELLOW, YELLOW_ON); analogWrite(LED_RED, RED_OFF); } //不快かもしれない場合（黄色点灯） else if (hum_act >= hum_high && hum_act < hum_over) { digitalWrite(LED_GREEN, LOW); analogWrite(LED_YELLOW, YELLOW_ON); analogWrite(LED_RED, RED_OFF); } //不快な場合（湿度が高すぎる） else { digitalWrite(LED_GREEN, LOW); analogWrite(LED_YELLOW, YELLOW_OFF); analogWrite(LED_RED, RED_ON); } } |
サンプルスケッチの部分が多いため、ステップ数がそこそこありますが、中身は単純です。
setupでウェルカムメッセージを表示した後、ループ処理に入ります。
ループ処理では、センサーから取得した気温に応じて「夏」または「冬」の処理を行なっています。
インジケータ用LEDですが、赤と黄色がやたら明るすぎたので、PWM制御で明るさを調整しています。
また、センサーモジュールの校正を行なっています。個体によってTEMP_CALIBRATIONの値を調整して下さい。
各処理や条件については、ソースのコメントを見てもらえればわかると思います。
外観
部品はガラエポ基板に実装し、ケースはアクリル盤をカットしたものに穴を空けました。
密閉容器に入れてしまったらダメです。気温と湿度が測れなくなってしまいます。
センサー部の通気性を良くするために、スペーサーで高さを確保しています。
USBだと簡単に5Vがとれるので使いやすいです。
電源は、TVのUSBポートからとっています。リビングに設置していますが、テレビと連動して電源が入るので楽チン！
まとめ
こちらが動作している模様。今のところ半年以上、不具合なく動作しています。
使ってみてわかったこととしては、センサーモジュールの値は正確ではない気がします。
だいたいこのへんかなーぐらいの精度です。（アナログの温湿度計と並べると差が大きい時がある。アナログが正しいのかは不明だが…）
それでもLEDインジケータは、そこそこ役に立ちます！！
冬は、乾燥によるインフルエンザ警報として役立ちます！！
夏は、台風が近づくとちゃんとLEDが全てチカチカします！！
いつも正確な値を指さなくてもいいんだよ！！適当でいいの！！
頑張って作ったものが毎日動いていることが嬉しい！！
Arduinoでスマートな温湿度＋気圧計を作ろう！
のスケッチそのまま使わせてもらいました。全くの初心者ですがおかげで難無くLCDに表示されました。ありがとうございます。