ラズパイでサーミスタの温度を取得するには？便利なサンプルプログラムつきでご紹介！

みなさんは温度管理をどうやっていますか？
できることなら自作してIoTを自宅で自由にやりたいですよね。

今回はIoTが簡単にできるラズパイで温度のデータを取得して見たいと思います(◍•ᴗ•◍)♡ ✧*。

前回の記事では温度センサーを使いましたが、今回はラズパイでサーミスタからのアナログ値を読み取ってみたいと思います。
ラズパイにはADコンバーターがないのでADコンバーターの導入方法とサーミスタの活用をプログラムつきで詳しくご紹介します(ง°̀ﾛ°́)ง

温度管理はなんで重要？

このサイトでは自宅での水耕栽培方法をご紹介していますが、水の温度って植物の生育にかなり影響するのでちゃんと管理する必要があるんです( ಠωಠ)

季節によって温度が大きく変わります。

当たり前ですが、温度は季節によって変わります。真夏と真冬は野菜によってはもとも厳しいシーズンになります。。

夏の場合：酸素が不足しちゃいます。

夏は気温が嫌になるくらい上がりますが、温度が上がると水に溶け込んでいる酸素の量”溶存酸素濃度”がどんどん低下していきます(×_×;)

こちらからデータを引用してグラフを作製しました。

冬の場合：寒すぎて野菜には厳しいかも。

野菜には適温があります。種の袋にかいてありますね。
真冬は気温が低すぎて野菜によってはうまく育ちません。

ラズパイのIoTで解決しよう。

ラズパイが温度を感知できれば、対応策は色々できます。
気温が高かったらエアーポンプを稼働して酸素を供給しましょう。

気温が低かったらヒーターをつけましょう。

楽天へのリンク : GEX　メタルオートヒーター　SH160　【熱帯魚・アクアリウム/保温器具/ヒーター・サーモスタット一体型】

ラズパイにはGPIOがたくさんあるので、ACコンセントを自分で作れば制御できちゃいます。

jitaku-yasai.com

Raspberry Piで制御できるACコンセント。ポンプを自動制御。

とても便利なRaspberry Piで自宅でもIoT(Internet of Things)したいですね。IoTのメリットである自動制御で家電を制御できたら最高です(o´艸`)家電はACコンセントなのでACコンセントをRaspberry Piで制御したいなーと思ってインターネットで探しても意外と見つかりま...

ということで後は温度を測れればIoTを実現できます(๑•̀ㅂ•́)و✧
方法をご紹介しますね(〃’ω’)

ラズパイの温度測定のために準備するもの。

I2Cで通信できる便利な温度センサーもありますが、さすがに水温を測るために水没させることもできないのでサーミスタを使おうと思います(〃’ω’)

ということで使うのはADコンバーターとサーミスタです。
高機能なラズパイにADコンバーターがないのは残念ですね(×_×;)

お買い物リスト

ADコンバーター : 秋月電子へのリンク MCP3002-I/P
サーミスター : 秋月電子へのリンクサーミスター
10kオームの抵抗

今回使うADコンバーターとサーミスタについて簡単にご紹介します(◍•ᴗ•◍)♡ ✧*。

ADコンバーターMCP3002はどんなもの？

MCP3002の特徴

10bitの分解能を持つADコンバーターです。
2CHついています。
データのやり取りはSPI通信で行います。
価格はひとつ180円と安いです。

ちなみにこちらにスペックシートがあります。

ww1.microchip.com

http://ww1.microchip.com/downloads/en/DeviceDoc/21294E.pdf

サーミスターってどんなもの？

サーミスタは温度が上がると抵抗値が指数関数的に変わる素子です。

秋月電子のサイトから引用

秋月電子のサイトに変換式が記載されていて、下記のような式になるようです。

今回使うサーミスタは
25度での抵抗値 : 10kOhm +/1 %
Ｂ定数(25~85度) : 3435K +/-1 %
とのことです。

グラフにしてみました。

サーミスタの抵抗値から温度を求めるには？

サーミスタの抵抗と温度の変換式を変換して温度を求められる式にします。
まずは温度の部分からeを外して、

最後に左辺に温度をおけば完成ですかね。

今回使うサーミスタは？

今回のサーミスタは水による腐食が防げそうなので選びました。
水温を測るので重要です(๑•̀ㅂ•́)و✧
みなさんも用途に応じて選んでくださいね。

回路の準備

それでは回路を組んで見ます。

回路構成はこんな感じです。

ブレッドボードにこんな風に差し込みました。

CQ出版のサイトを見ているとローパスフィルターを入れているようなので真似して見ました。
4.7kOhmと100uFのキャパシタで作ったのでカットオフ周波数は0.3Hzくらいになっています。
DC値を見るのでこれくらいあれば十分そうですね。

プログラムの準備

まずはラズパイでSPI通信をできるようにします。そのあとプログラムを好きなところに置いてmakeしましょう。

まずはSPIの設定をしましょう。

このICを使うためにはラズパイでSPI通信ができるように設定する必要があります。
私の持っているRaspberry pi zero Wでの設定はラズパイでSPI通信を有効にするにはどうすればいい？でまとめていますので参考にしてください。

ADコンバーターMCP3002のクラスを準備

まずはADコンバーターのクラスを作ります。ADコンバーターを今後も汎用的に使いたいのでこのようにしました。

#ifndef _MCP30002_H_
#define _MCP30002_H_
/*
  Sample program of MCP3002 from jitaku-yasai.com
  MCP3002 specification : http://ww1.microchip.com/downloads/en/DeviceDoc/21294E.pdf
*/

#define MCP3002_START_BIT        0b01000000
#define MCP3002_SGL_BIT          0b00000000
#define MCP3002_DIF_BIT          0b00100000
#define MCP3002_ODD_BIT          0b00000000
#define MCP3002_SIGH_BIT         0b00010000
#define MCP3002_MSBF_BIT         0b00001000

#define MCP3002_SPEED            500000       // SPI clock range : 500,000 through 32,000,000
#define MCP3002_CHANNEL0         0
#define RP_SPI_CHANNEL0          0            // Raspberry Pi has two SPI channel.
#define DATALEN                  2
#define MCP3002_RESOLUTION       1024

class MCP3002 {

public:
  MCP3002(                                    // Constructor with default value
    int theChannelOfRP = RP_SPI_CHANNEL0,
    int theMCP3002lChannel = MCP3002_CHANNEL0,
    int theMCP3002Speed = MCP3002_SPEED);
  virtual ~MCP3002();                         // Destructor
  int SPISetUp();                             // SPI setup
  int WriteRead();                            // Send setting and recieve return value.

private:
  struct MCP3002Parameters{
    int channel;                              // A/D converter channel 0/1
    int speed;                                // SPI speed
  } MCP3002Param ;                            // Struct for A/D channel and SPI speed with RP
  unsigned char data[DATALEN];                // buffer to send/recieve for SPI communication
  int channelOfRP;                            // channel for RP communication
};

#endif

#ifndef _MCP30002_H_

#define _MCP30002_H_

Sample program of MCP3002 from jitaku-yasai.com

MCP3002 specification : http://ww1.microchip.com/downloads/en/DeviceDoc/21294E.pdf

#define MCP3002_START_BIT 0b01000000

#define MCP3002_SGL_BIT 0b00000000

#define MCP3002_DIF_BIT 0b00100000

#define MCP3002_ODD_BIT 0b00000000

#define MCP3002_SIGH_BIT 0b00010000

#define MCP3002_MSBF_BIT 0b00001000

#define MCP3002_SPEED 500000 // SPI clock range : 500,000 through 32,000,000

#define MCP3002_CHANNEL0 0

#define RP_SPI_CHANNEL0 0 // Raspberry Pi has two SPI channel.

#define DATALEN 2

#define MCP3002_RESOLUTION 1024

class MCP3002 {

public:

MCP3002( // Constructor with default value

int theChannelOfRP = RP_SPI_CHANNEL0,

int theMCP3002lChannel = MCP3002_CHANNEL0,

int theMCP3002Speed = MCP3002_SPEED);

virtual ~MCP3002(); // Destructor

int SPISetUp(); // SPI setup

int WriteRead(); // Send setting and recieve return value.

private:

struct MCP3002Parameters{

int channel; // A/D converter channel 0/1

int speed; // SPI speed

} MCP3002Param ; // Struct for A/D channel and SPI speed with RP

unsigned char data[DATALEN]; // buffer to send/recieve for SPI communication

int channelOfRP; // channel for RP communication

};

#endif

/*
  Sample program of MCP3002 from jitaku-yasai.com
  MCP3002 specification : http://ww1.microchip.com/downloads/en/DeviceDoc/21294E.pdf
*/

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <wiringPi.h>
#include <wiringPiSPI.h>
#include "mcp3002.hpp"

MCP3002::MCP3002(int theChannelOfRP, int theMCP3002lChannel, int theMCP3002Speed)
{
  // Parameters
  channelOfRP          = theChannelOfRP;
  MCP3002Param.channel = theMCP3002lChannel;
  MCP3002Param.speed   = theMCP3002Speed;
}

int
MCP3002::SPISetUp()
{
  return wiringPiSPISetup(channelOfRP, MCP3002Param.speed);
}

int
MCP3002::WriteRead()
{
  // set buffer for inquiry
  data[0]  = MCP3002_START_BIT | MCP3002_SGL_BIT | MCP3002_MSBF_BIT | MCP3002_MSBF_BIT;

  // if host requests to use other than channel #0 of MCP3002, set to use channel #1
  data[0] |= (MCP3002Param.channel != MCP3002_CHANNEL0) ? MCP3002_SIGH_BIT : 0;

  wiringPiSPIDataRW(channelOfRP, data, DATALEN);  // Write and receive from same buffer
  return (int)((data[0] << 8 | data[1]) & 0x3FF);
}

MCP3002::~MCP3002()
{
}

Sample program of MCP3002 from jitaku-yasai.com

MCP3002 specification : http://ww1.microchip.com/downloads/en/DeviceDoc/21294E.pdf

#include <stdio.h>

#include <unistd.h>

#include <wiringPi.h>

#include <wiringPiSPI.h>

#include "mcp3002.hpp"

MCP3002::MCP3002(int theChannelOfRP, int theMCP3002lChannel, int theMCP3002Speed)

{

// Parameters

channelOfRP = theChannelOfRP;

MCP3002Param.channel = theMCP3002lChannel;

MCP3002Param.speed = theMCP3002Speed;

}

int

MCP3002::SPISetUp()

{

return wiringPiSPISetup(channelOfRP, MCP3002Param.speed);

}

int

MCP3002::WriteRead()

{

// set buffer for inquiry

data[0] = MCP3002_START_BIT | MCP3002_SGL_BIT | MCP3002_MSBF_BIT | MCP3002_MSBF_BIT;

// if host requests to use other than channel #0 of MCP3002, set to use channel #1

data[0] |= (MCP3002Param.channel != MCP3002_CHANNEL0) ? MCP3002_SIGH_BIT : 0;

wiringPiSPIDataRW(channelOfRP, data, DATALEN); // Write and receive from same buffer

return (int)((data[0] << 8 | data[1]) & 0x3FF);

}

MCP3002::~MCP3002()

{

}

サーミスタのクラスを準備

あとは今回使うサーミスタをMCP3002のクラスを使って作ります。

#ifndef _THERMISTOR_H_
#define _THERMISTOR_H_
/*
  Sample program of Thermistor from jitaku-yasai.com
  Thermistor specification : http://akizukidenshi.com/catalog/g/gP-07257/
*/
#include "mcp3002.hpp"

#define CONST_B  3435
#define CONST_T  25
#define CONST_R  10000
#define ABSTEMP  273
#define NUMSHOTS 10

class Thermistor : public MCP3002 {

public:
  void  SetRefResistance(float refResistance);       // Registance which devides voltage
  float GetTemperature(int numshots = NUMSHOTS);     // GetTemperature
  ~Thermistor();                                     // Destructor

private:
  float temperature;
  float resistance;
  float refResistance;
};

inline
void
Thermistor::SetRefResistance(float theRefResistance)
{
  refResistance = theRefResistance;
}

#endif

#ifndef _THERMISTOR_H_

#define _THERMISTOR_H_

Sample program of Thermistor from jitaku-yasai.com

Thermistor specification : http://akizukidenshi.com/catalog/g/gP-07257/

#include "mcp3002.hpp"

#define CONST_B 3435

#define CONST_T 25

#define CONST_R 10000

#define ABSTEMP 273

#define NUMSHOTS 10

class Thermistor : public MCP3002 {

public:

void SetRefResistance(float refResistance); // Registance which devides voltage

float GetTemperature(int numshots = NUMSHOTS); // GetTemperature

~Thermistor(); // Destructor

private:

float temperature;

float resistance;

float refResistance;

};

inline

void

Thermistor::SetRefResistance(float theRefResistance)

{

refResistance = theRefResistance;

}

#endif

/*
  Sample program of Thermistor from jitaku-yasai.com
  Thermistor specification : http://akizukidenshi.com/catalog/g/gP-07257/
*/

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <math.h>
#include <wiringPi.h>
#include <wiringPiSPI.h>
#include "thermistor.hpp"

float
Thermistor::GetTemperature(int numshots)
{
  // From ADC value, culculate thermistar resistance.
  float measuredADVal = 0.0;
  for (int i = 0; i < numshots; i++) {
    measuredADVal += (float)WriteRead();
  }
  measuredADVal /= (float)numshots;

  printf("ADC ave value = %4.2f\n", measuredADVal);
  resistance = (MCP3002_RESOLUTION - measuredADVal) / measuredADVal * CONST_R;
  printf("resistance = %4.2f\n", resistance);

  // Intermediate value derived from resistance
  float calcFromResistance = log(resistance / refResistance) / (CONST_B);

  // Intermediate value from reference temperature of using thermistor
  float calcFromConstTemp = 1.0 / (CONST_T + ABSTEMP);

  // Calculate temperature from Intermediate values
  temperature = 1.0 / (calcFromResistance + calcFromConstTemp) - ABSTEMP;

  return temperature;
}

Thermistor::~Thermistor()
{
}

Sample program of Thermistor from jitaku-yasai.com

Thermistor specification : http://akizukidenshi.com/catalog/g/gP-07257/

#include <stdio.h>

#include <unistd.h>

#include <math.h>

#include <wiringPi.h>

#include <wiringPiSPI.h>

#include "thermistor.hpp"

float

Thermistor::GetTemperature(int numshots)

{

// From ADC value, culculate thermistar resistance.

float measuredADVal = 0.0;

for (int i = 0; i < numshots; i++) {

measuredADVal += (float)WriteRead();

}

measuredADVal /= (float)numshots;

printf("ADC ave value = %4.2f\n", measuredADVal);

resistance = (MCP3002_RESOLUTION - measuredADVal) / measuredADVal * CONST_R;

printf("resistance = %4.2f\n", resistance);

// Intermediate value derived from resistance

float calcFromResistance = log(resistance / refResistance) / (CONST_B);

// Intermediate value from reference temperature of using thermistor

float calcFromConstTemp = 1.0 / (CONST_T + ABSTEMP);

// Calculate temperature from Intermediate values

temperature = 1.0 / (calcFromResistance + calcFromConstTemp) - ABSTEMP;

return temperature;

}

Thermistor::~Thermistor()

{

}

メイン関数の準備

クラスの準備ができたのでMain関数を定義します。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <time.h>
#include "thermistor.hpp"

int
main(int argc, char *argv[])
{
  // current time
  time_t now = time(NULL);
  struct tm *pnow = localtime(&now);
  char strDateNow[16];
  char strTimeNow[16];
  sprintf(strDateNow, "%04d-%02d-%02d", pnow->tm_year+1900, pnow->tm_mon+1, pnow->tm_mday);
  sprintf(strTimeNow, "%02d:%02d:%02d", pnow->tm_hour, pnow->tm_min, pnow->tm_sec);

  // initialization of classes and operation
  Thermistor thermistor = Thermistor();

  // initial setup before SPI communication start
  thermistor.SPISetUp();
  thermistor.SetRefResistance(10000.0);

  printf("%s %s %4.2f\n", strDateNow, strTimeNow, thermistor.GetTemperature());

  return 0;
}

#include <stdio.h>

#include <stdlib.h>

#include <string.h>

#include <time.h>

#include "thermistor.hpp"

int

main(int argc, char *argv[])

{

// current time

time_t now = time(NULL);

struct tm *pnow = localtime(&now);

char strDateNow[16];

char strTimeNow[16];

sprintf(strDateNow, "%04d-%02d-%02d", pnow->tm_year+1900, pnow->tm_mon+1, pnow->tm_mday);

sprintf(strTimeNow, "%02d:%02d:%02d", pnow->tm_hour, pnow->tm_min, pnow->tm_sec);

// initialization of classes and operation

Thermistor thermistor = Thermistor();

// initial setup before SPI communication start

thermistor.SPISetUp();

thermistor.SetRefResistance(10000.0);

printf("%s %s %4.2f\n", strDateNow, strTimeNow, thermistor.GetTemperature());

return 0;

}

最後にmakefile

最後にmakefileですね。SQLのライブラリは不要ですけどどうせあとで使うのでこのままにしておきます。。

OBJS = thermistor.o mcp3002.o main.o
TARGET = thermistorAtWater
CC = g++

CFLAGS = -Wall -lmysqlclient -L/usr/lib64/mysql -lwiringPi

.SUFFIXES: .cpp .c .o

$(TARGET): $(OBJS)
	$(CC) $(OBJS) -o $(TARGET) $(CFLAGS)

.c.o:	$<
	$(CC) -c $(CFLAGS) $<

.cpp.o:	$<
	$(CC) -c $(CFLAGS) $<

clean:
	rm -f $(OBJS) $(TARGET)

OBJS = thermistor.o mcp3002.o main.o

TARGET = thermistorAtWater

CC = g++

CFLAGS = -Wall -lmysqlclient -L/usr/lib64/mysql -lwiringPi

.SUFFIXES: .cpp .c .o

$(TARGET): $(OBJS)

$(CC) $(OBJS) -o $(TARGET) $(CFLAGS)

.c.o: $<

$(CC) -c $(CFLAGS) $<

.cpp.o: $<

$(CC) -c $(CFLAGS) $<

clean:

rm -f $(OBJS) $(TARGET)

作った回路とプログラムを検証してみました。

サーミスタを電気ポットで沸かしたお湯に浸してみました。

実行画面で80度くらい出たのでうまくいっているようです。

まとめ

ラズパイでサーミスタを使った温度測定の方法を細かくご紹介しました。みなさんも自分でカスタマイズできる温度計作製にチャレンジしてください(◍•ᴗ•◍)♡ ✧*。

記事を読んでいただいてありがとうございます。この記事がいいなと思ったら下記のSNSボタンのクリックをお願いします。励みになります😁