ＢＭＥ２８０センサによる環境計の製作

環境計の製作構想・・・

気圧計の表示は見ていて結構面白いので、製作してみたかった。
そしてそれを当局のシャックか実験室に常駐させる事にしました。
センサにＢＭＥ２８０を使用し、気圧のみならず気温と湿度もついでに表示させる。
この３点セットで「環境計」と名乗っても許されるかなと思った・・・

（１）有機ＥＬディスプレイ(ＯＬＥＤ）による、気圧・気温・相対湿度のデジタル表示
　　測定値をなるべく見易い様にと有機ＥＬ表示器を使用する事にしました。

（２）フルカラーＬＥＤによる、気圧の発色表示
　　本器から離れていても、概ね気圧値が解る様にしてみたかった。

（３）ケース
　　当局の苦手なケースですが、ＬＥＤを投影できるスクリーン兼用プラ・ケース
　　自分で使うので、とりあえず百均ででも適当に探してくるかな
　　これは不格好でも笑って許して欲しい・・・

ハードウエアの構想および概要

（１）１４ピンのＰＩＣ１６Ｆ１８３２６を使用
　　メモリ容量が大きいので、当局の様な素人でも気楽にＣプログラムを書きまくれます。

（２）センサ等へのインターフェイスとしてＩ２Ｃバスを用意
　　今回は内蔵ＭＳＳＰモジュールを使用し、ＲＣ０，ＲＣ１をＩ２Ｃバスとして使用します。
　　基板上のバス接続コネクタは２ポートを用意
　　ＲＣ０＝ＳＣＬ、ＲＣ１＝ＳＤＡとなり,基板上でプルアップされます。

（３）フルカラーＬＥＤを４基装備
　　基板の４箇所の隅に設置、並列接続となります。
　　ＰＩＣ＋ＴＲによるドライブで、ジャンパピンで１～４個を選択できます。
　　ＲＣ３＝ＲＥＤ、ＲＣ４＝ＧＲＥＥＮ、ＲＣ５＝ＢＬＵＥとなります。

（４）ＡＥ－ＢＭＥ２８０環境センサモジュール
　　Ｉ２Ｃバスに接続、気圧・気温・湿度を測定

（５）ＡＥ－ＳＯ１６０２　１６桁２行ＯＥＬＤモジュール
　　Ｉ２Ｃバスに接続、表示文字がくっきり見えますが、文字がやや小さめ。
　　ちょっとお高いのが難点・・・　(-_-)
　　ＢＭＥ２８０とＳＯ１６０２が本器のコストの大半を占めます。

ＰＩＣ１６Ｆ１８２３機能基本設定

・システムクロックは内部発振１６ＭＨＺと２ｘＰＬＬで３２ＭＨＺ
・ＲＣポートはＲＣ０－ＲＣ１はＩ２Ｃバスに、ＲＣ２－５はＬＥＤ駆動に使用
・ＲＡポートはＲＡ０－ＲＡ２はＡＤＣ入力、ＲＡ３－ＲＡ５はスイッチ入力に使用
・タイマ０によるインタバル割込みを使用、割込みルーチン内にＬＥＤの変調処理

ＰＩＣ１６Ｆ１８３２６は１６Ｆ１８２３とはメモリ容量程度の差だろうと勝手に思い込んでました。
所が、いきなりシステムクロック関連からして変更で、まるで動作せず。
システムクロック関連新設レジスタの設定でデバッグ用LEDが点灯し始め、
ＰＰＳおよびモジュールＯＦＦ関連レジスタ設定でMSSPも動作するようになりました。
これでディスプレイとセンサが動作し始めました。
さらにタイマ０が高機能化されており、把握するのに、またひと手間掛かりました・・・
これでタイマ０による割込みも動作し始め、ようやく先が見えてきました・・・

実機の製作

使用ＰＩＣは１４ピンＰＩＣ１６Ｆ１８３２６で、基板は秋月の穴あきＢ基板です。
接続周辺モジュールの関係上、ＰＩＣを３．３Ｖで駆動します。
よって、基板にＩＣＳＰ端子は作りませんでした。
電源は外部６Ｖで、内部で３．３Ｖに安定化します。
ただし、ＬＥＤにはそのまま６Ｖを供給します。
電池駆動もできない事は無いと思いますが、ＬＥＤ＿ＯＦＦでも長時間持ちません。
ＬＥＤは秋月で購入の、「ＯＳＴＡ７１Ａ１Ｄ－Ａ」で角形のモジュールでアノードコモンです。
これを４個並列接続し、コモン側ジャンパ切り替えで駆動数を変えられます。
ＬＥＤ内部各色エレメントは約１５～２０ｍＡを流し、最大２４０ｍＡ電流消費します。
外部電源は４００ｍＡ以上の容量が必要です。
このＬＥＤは熱に弱い様で、はんだ付けには注意が必要です。

ＬＥＤドライブは2SC1815GRで行い、ＰＩＣポート＝１でＯＮとなります。
ドライブするＬＥＤの数は、ジャンパピンで選択し、最大４つです。
ＴＲはただのスイッチング用途なので、極端にHFEが低く無ければ何でもＯＫです。

ＯＥＬＤ表示器は１６桁２行で、1行に２数値表示とちょっと苦しいです。
１行目に気圧と（ｈＰａ）、不快指数（単位無）、
２行目に気温(℃)と湿度（％）を常に表示します。
表示は小数点以下１位までで、２位以下は切り捨てています。
スイッチでの表示内容切替は今の所対応していません。

コンデンサマイク付低周波アンプと整流回路をＲＡ２に接続しています。
これを音圧センサとしていますが、発色用の遊びで、特に意味はありません。
アンプ部分は、トランジスタ等ディスクリート部品で作っています。
１段増幅では電圧利得が足りないので、低周波２段の簡素な増幅回路です。
２段では増幅度も結構高くなり、気を抜くと発振してしまいます。
また、最大増幅度では、結構電源雑音や些細な振動も拾います、
その他雑音電圧で、何もしていなくても整流出力が０．３～０．５Ｖ程出力されます。
基板内ＶＲは増幅度を可変しますので、感度調整として使用します
ＰＩＣ側入力調整用ＶＲは省く事にしました。
出力電圧がＰＩＣ側VDDを超えないように感度調整します。
場合によっては送信機からのＲＦ回り込みが考えられますが、対策はしていません。

ＲＡ０、ＲＡ１ピンが余ってしまったのが悔しいです・・・
基板上の余裕も無いし、簡単面白センサも思い浮かばないので放置としました・・・

スイッチ類
ＲＡ３～５をＳＷ０～２として、基板用スライドＳＷを使用しました。
今回は発色のソース切り替え用に使用しています。
実働してみて、ただのジャンパピンで良かったなと後悔しています

ケースは百均で購入したプラ・ケースで、お世辞にもかっこ良くないです・・・
発色用スクリーンとしてもイマイチですが、安価（０．１Ｋ）なので良しとしました。

ＡＣアダプタは秋月でＯ．２Ｋ円で購入した、ＳＲＡＣ－０１スイッチング電源です。
出力は６Ｖ１Ａで本器には十分な容量で、小型で安価で文句無の電源です。
ただし、出力ＤＣプラグが小さいサイズで対応ジャックの手持ちが無かった。
よって、出力コードを切断して２．１ｍｍの標準的なプラグに変更しています。
ジャックも２．１ｍｍ用の標準的なもので、本器には電源スイッチはありません。
このアダプタからの電源供給で今の所は本器の長時間動作に支障は出ていません。

ソースファイル　概要

（１）ＭＳＳＰ・Ｉ２Ｃマスタモード低レベル関数　ＭＳＳＰ0.2ｂ
　　今の所は安定してアクセスできるので、使用バージョン変わらず。
　　まだまだＩ２Ｃバスの仕様を満たしていないのは今まで道理です。

（２）ＬＣＤアクセス関数群　ＳＯ１６０２ｖ１
　　３．３Ｖ　Ｉ２Ｃ接続の有機ＥＬディスプレイ用です。
　　見易いAQM1602と言った所です。
　　基本的な関数の使用方法はAQM1602ｖ１と同じです。

（３）センサアクセス関数群　ＢＭＥ２８０ｖ１
　　レジスタアクセス関数、補正データ読込関数、測定生データ読込関数、
　　キャリブレート関数で構成されています。
　　
（４）フルカラーＬＥＤ制御関数
　　ソフトウエアでON/OFF制御するため、割込み処理部分に存在します。
　　１周期長は０～２５５回の任意
　　１周期長を分母として、ＲＢＧ各色の１周期長を設定します。
　　１周期長を２５５回（０ｘＦＦ）とした場合、２５５回呼び出されて１周期となります。
　　その場合、数十ｕｓ間隔で呼び出されないと、うまく発色できなくなります。

（５）１０ｂｉｔＡＤＣ取得関数　ＧＥＴ＿ＡＤＣ２（　）
　　基準電圧はVDDとしています。
　　ＲＡ２ピンをアナログ２入力として、外部からのアナログ電圧を取得します。
　　戻値：１０ｂｉｔＡＤＣ値（１６ｂｉｔ符号無整数）

（６）気圧用の発色関数　ＧＥＴ＿ＣＬＰ（　）
　　引値：気圧値（１６ｂｉｔ符号無整数）
　　戻値：ＲＢＧデータ（３２ｂｉｔ符号無整数）
　　とりあえず、９８０ｈＰａ～１０２９ｈＰａで、１ｈＰａ刻みで発色変化。
　　赤色系～青白系
　　「ＰＩＣＥＹＥ」で作った発色ツールを使い色々考えてはみましたが・・・
　　悩むと際限が無いのでこの辺で妥協です・・・

（７）気温用の発色関数　ＧＥＴ＿ＣＬＴ（　）
　　引値：気圧値（１６ｂｉｔ符号有整数）
　　戻値：ＲＢＧデータ（３２ｂｉｔ符号無整数）
　　とりあえず、－２０℃～＋３０℃で、１℃刻みで発色変化。
　　青系～赤系と変化します、色変化はＡＤＣ用とは違います

（８）ＡＤＣ値用の発色関数　ＧＥＴ＿ＣＬＡ（　）
　　引値：ＡＤＣ値（１６ｂｉｔ符号無整数）
　　戻値：ＲＢＧデータ（３２ｂｉｔ符号無整数）
　　青色系～赤系

（９）不快指数用の発色関数　ＧＥＴ＿ＣＬＤ（　）
　　引値：不快指数値（８ｂｉｔ符号無整数）
　　戻値：ＲＢＧデータ（３２ｂｉｔ符号無整数）
　　あまり必要なさそうですが、５段階くらいで発色変化
　　７５以下　グリーン
　　７６～７９　ブルー
　　８０～８４　イエロー
　　８５～８９　オレンジ
　　９０以上　レッド

（１０）スイッチの状態取得関数　ＧＥＴ＿ＳＷ（　）
　　引値：無
　　戻値：ＳＷ０～ＳＷ２のデータ（８ｂｉｔ符号無整数）
　　下位３ｂｉｔが対応します


（１１）メイン関数
　　ＬＣＤに計算数値を表示し、スイッチ切り替えで発色モードを変更します

　　１）ＬＣＤ表示は固定です
　　　　１行目　気圧・不快指数
　　　　２行目　温度・湿度
　　２）発色モード切替
　　　　ＳＷ０～ＳＷ２（ＲＡ３～ＲＡ５）の入力組合せで下記の発色変化表示します。
　　　　⑦１１１　気圧
　　　　⑥１１０　気温
　　　　⑤１０１　不快指数
　　　　④１００　音圧（外部アナログ電圧入力）
　　　　〇０００　発光一時停止（割り込みは動作している）
　　３）不快指数の演算
　　　　計算式は下記（Ｄｉｓｃｏｍｆｏｒｔ）
　　　　不快指数（ＤＩ）＝０．８１Ｔ＋０．０１Ｈ（０．９９Ｔ－１４．３）＋４６．３
　　　　※　Ｔ＝℃、Ｈ＝％ＲＨ
　　４）タイマ０による割込み
　　　　約２５６インストラクションで割込みを掛けています。(注１)
　　　　３２ＭＨＺ＝０．１２５ｕｓ／インストラクション
　　　　約３２ｕｓ間隔で割込み発生の計算になりますが・・・
　　　　割込みルーチンがどの程度命令消費しているのか不明です・・・
　　　　アッセンブラだと指折り数える事が出来るのですがね。　(^_^;)
　　　　１周期は２５５回に設定してますので、約８．２ｍｓで１周期となります。
　　　　ＴＭＲ０がせっかく１６ｂｉｔになったのに、８ｂｉｔ分しか使用していません・・・

注１)２５６インストラクション
　　　ここでは、アッセンブラ命令に換算して、２５６命令数と言う意味です。
　　　あと、カウント・リスタート時のクロック消費を換算していません。

結果および感想

シャックに飾る、実用的なアクセサリとして製作してみました。
ＱＳＯネタに、お天気に加え気圧を挿入するのも、ちょっと良いかも・・・
収納ケースが貧弱なのが気がかりですが、ご勘弁を。
有機ＥＬ表示器は見易いはずなのですが、物理的大きさが小さいので、まあまあかな程度。
グラフィックＬＣＤにして、３～４行同時表示にした方が良かったかも・・・

ＬＥＤ発色による気圧表示も、慣れると意外と大体解る様になります。
多少離れていても、チラ見で認知できるのが便利です。
数時間の内に色変化すると、大概お天気が変わりますので、見てて面白いです。
音圧による発色は、使用してみてすぐ飽きたので、不要と思われました・・・
気温や不快指数の発色表示も無くとも良かったかも・・・
そもそも体感できるのでね。

その他
今回の製作物は、以前公開の「ＰＩＣＥＹＥ」を環境センサ表示機能版にした感じです。
実際、色表示ルーチンは「ＰＩＣＥＹＥ」からＸＣ８用に移植しただけです。
事実上「ＰＩＣＥＹＥ」第２弾と言った所です。
ＬＥＤ４個は結構明るいので、夜は目障りかも・・・

メモリ１６ＫＷのＰＩＣ１６Ｆ１８３２６はＸＣ８でのプログラムに最適です。
浮動小数点を含む演算が簡単に行えるのに感激！！
ｐｒｉｎｔｆ（）文がＬＣＤに対して普通に使えるのはさらに感激！！！
大昔のパソコンでのＢＡＳＩＣプログラミングの感覚を思い出します・・・

実は初期構想では、ＬＣＤにＡＱＭ１６０２で、見ずらいが実用本位の環境計器
持ち運び簡単で乾電池３本駆動で数ヶ月持たせる、と言うのがありました・・・
しかし、光るもの大好きな当局は１４ピンＰＩＣ＋ＡＣ駆動に走ったのでした・・・

追記　２０１９年１０月１６日

「ＢＭＥ２８０ｖ１」制御関数群の小変更を行いました。
それに伴い、メイン関数のインクルードファイル名を変更しました。（それだけ）
センサの測定モードはデータシートの「室内推奨設定」としました。
測定モードは何種類か用意しましたので、ご利用環境に合わせて変更して下さい。
詳細は「ＢＭＥ２８０制御関数」をご参照ください


今回のアップデートの理由
表示される温度が少し高い気がして、メイン関数を見直しましたが、特に変な所は発見できず。
ＢＭＥ２８０関数群も見直しを行いましたが、やはり変な所は発見できず。
久々にＨＤＣ１０００温度センサを起動、するとこの環境計の方が２℃以上高い温度表示をします。
何か悔しいので、秋月電子からもう一つＢＭＥ２８０を購入してみました。
すると、同じＢＭＥ２８０関数群でも今度はＨＤＣ１０００温度センサとほぼ同じ温度表示します。
因みに、気圧値は新旧センサ間の大きな差は無かったです。
そこで、ＢＭＥ２８０の各種測定モード設定を用意、（これで精度が変わる）
ワクテカで実験してみるも・・・さしたる変化はなし　(-_-メ)
センサの個性なのか、内部設定された補正値（補償値）がそもそも合わないのか、
と言う訳で、今回は「ＢＭＥ２８０ｖ１ａ」制御関数群の更新のみとなりました。


追記　２０１９年１０月２４日
前回のメイン関数の変更点がもう一つありました。　<m(_ _)m>
センサの生データを読みに行く時にＭＳＳＰ関数がハングアップする事が発覚したため、生データ読み込み時だけ割り込み禁止にしていました。
これで大丈夫だと思います・・・　多分　（その処理後では発生していない）
左記プログラムは変更済みです。

古いＢＭＥ２８０センサの温度・湿度表示がおかしい点については、１週間ほど色々実験してみましたが、補正手段は見つかっていません。
基本的に温度センサの補正後値を気圧補正や湿度補正にも使用しているようなのですが、温度値がおかしい割には気圧表示は問題無いようです。
固有補正値を適当に（新しいセンサの固有補正値を参考に）弄って、温度表示を新しいＢＭＥ２８０センサやＨＤＣ１０００温度値と無理やり合わせてやると、今度は気圧や湿度表示がおかしくなります。
どうもセンサ側ハードウエアの問題な気がします・・・
古いＢＭＥ２８０センサを使用している各局様は新しいＢＭＥ２８０センサに買い替えた方が手っ取り早いと思われます。