フォトトランジスターから値取得

必要なパーツ

メーカー	秋月 通販コード	型番	商品名	個数
新日本無線株式会社	I-02325	NJL7502L	照度センサ（フォトトランジスタ）　５６０ｎｍ	1
Microchip Technology Inc.	I-09485	MCP3008-I/P	１０ｂｉｔ　８ｃｈ　ＡＤコンバータ	1
FAITHFUL LINK INDUSTRIAL CORP.	R-25471	CF25J470RB	カーボン抵抗（炭素皮膜抵抗）　１／４Ｗ４７０Ω	1

配線

MCP3008 は中央の溝を跨ぐように接続します。ブレッドボードで左右の足の電流を混ぜないためです。丸いポッチが PIN 1 側を表します。 フォトトランジスター に5V電源に抵抗(470Ω)と合わせて繋げます。今回、使用しているフォトトランジスターは NJL7502L です。 フォトトランジスター のカソード側(足が短い方)に MCP3008 の ch0 で接続しています。

RaspberryPi との接続方法

RaspberryPi と接続するには次の表の通り接続します。

MCP3008 側	Raspberry Pi 側
V DD	5V
V REF	5V
AGND	GND
CLK	GPIO11
D OUT	GPIO09
D IN	GPIO10
CS/SHDN	GPIO08
DGND	GND

コード

require 'pi_piper'

def read(channel)
  PiPiper::Spi.begin do |spi|
    # ch0の場合は2進数では [00000001, 00001000, 00000000] の配列を送る
    adc = spi.write [0b00000001, (0b00001000 + channel) << 4, 0b00000000]
    ((adc[1] & 0b00000011) << 8) + adc[2] # &演算子はビット積
    # 上記は次のような処理をしている
    # 1. ?????010 & 00000011 -> 00000010
    # 2. 00000010 00000000 + 00000000 10000001 -> 00000010 10000001
  end
end

loop do
  puts read(0)
  sleep 3
end

ソースの解説

次のイメージは MCP3008 のデータシートから抜粋したものになります。 指示データをどのように設定すれば目的のチャンネルから値が取得できるかがわかります。

このイメージは、 MCP3008 に値を送った(D IN)後に、どのように MCP3008 から値が返ってくるか(D OUT)が表されています。

以上のデータシートの内容から、 RaspberryPi から MCP3008 を介してセンサーの値を取得するには、3つの要素をもつ配列をSPIで渡せば良いことがわかります。 配列の内容は、

• [0] : Start bit(1)
• [1] : 指示データ
  • SGL/DIFF : 今回はSingle-modeを使用するので 1 です。
  • D2, D1, D0: データを取得するチャンネルを表す
• [2] : End bit(0)

です。

SPIで配列を渡した後に、MCP3008 から 10bitのデータがセンサーから返ってきます。 帰ってくる配列(adc)の内容は、

• [0] : 不定
• [1] : 10bit中 先頭2bit のセンサーの値
  • 7bit目〜3bit目は不定
  • 2bit目は 0
  • 1bit目〜0bit目はデータの先頭2bit
• [3] : 10bit中 後8ビットのセンサーの値

です。 帰ってくる配列を見てわかる通り、1バイトは8bitなので、配列の1つの項目には8bitしか返しません。そのため、ビット演算が必要になります。

コードの adc[1] & 0b00000011 は1bit目〜0bit目をビットマスクしています。それを、8bit分を前にビットシフトしています。 + adc[2] で残りのbitを加算することで、10bitのデータに仕上げています。

Let’s try

1. 明るさに応じて、表示されるメッセージを変更してみましょう。「明るい」、「普通」、「暗い」が表示されるようにしましょう。手でセンサーを覆ったり、スマートフォンのライトでセンサーにライトを近づけると、値が変動します。
2. サンプルソースでは説明しやすくするために 0b00000011 などと2進数にしました。今度は、変更しやすいように、16進数に置き換えてみましょう。例えば、0b00000011 は 0x3 になります。
3. 以下のLJL7502のデータシートから抜粋したグラフを元にルクスを計算してみましょう。
   • 本来は計算式をExcel(Numbers)のLINEST関数で傾きを出して一次関数を求めます。今回は、既に計算式を求めておきました。convert_lxがそのメソッドです。
   • 計算式をを求めるために使用した Excel は こちら です。
   • convert_lx は volt を引数に取ります。0 から 1023の値を volt に変換するメソッド(convert_volt)も使用します。

def convert_volt(data, vref)
  volt = (data * vref) / 1023
  volt.round(4)
end

def convert_lx(volt)
  volt / 0.0003
end

回答例はこちら