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.. _py_temp:

2.13 温度計
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このレッスンでは、Raspberry Pi Pico 2を使用して、 **サーミスター** を使った温度測定方法を学びます。サーミスターは、温度に応じて抵抗が大きく変化する種類の抵抗器です。特に、負の温度係数（NTC）サーミスターを使用し、温度が上がると抵抗が減少します。

**必要なもの**

このプロジェクトには、以下のコンポーネントが必要です。

一式で購入するのが便利です。こちらからリンクをご覧ください：

.. list-table::
    :widths: 20 20 20
    :header-rows: 1

    *   - 名前	
        - キット内アイテム
        - リンク
    *   - Newton Lab Kit	
        - 450以上
        - |link_newton_lab_kit|

個別に購入したい場合は、以下のリンクから購入できます。


.. list-table::
    :widths: 5 20 5 20
    :header-rows: 1

    *   - SN
        - コンポーネント	
        - 数量
        - リンク

    *   - 1
        - :ref:`cpn_pico_2`
        - 1
        - |link_pico2_buy|
    *   - 2
        - Micro USBケーブル
        - 1
        - 
    *   - 3
        - :ref:`cpn_breadboard`
        - 1
        - |link_breadboard_buy|
    *   - 4
        - :ref:`cpn_wire`
        - 数本
        - |link_wires_buy|
    *   - 5
        - :ref:`cpn_resistor`
        - 1（10KΩ）
        - |link_resistor_buy|
    *   - 6
        - :ref:`cpn_thermistor`
        - 1
        - |link_thermistor_buy|

**サーミスターの理解**

NTCサーミスターは温度感知型の抵抗器で、温度が上昇するにつれてその抵抗が減少します。これを電圧分割回路に組み込むことで、温度に応じて変化する電圧を測定できます。Raspberry Pi Pico 2のアナログ・デジタル変換器（ADC）を使って、この電圧を読み取り、対応する温度を計算します。

**回路図**

|sch_temp|

この回路では、10KΩの抵抗とNTCサーミスターが電圧分割回路を形成し、GP28がサーミスターにかかる電圧を読み取ります。10KΩの抵抗は、電流を制限することで保護作用も果たします。

* **高温**：サーミスターの抵抗が減少し、電圧が下がり、GP28の読み取り値も低くなります。高温になると、抵抗はゼロに近づき、GP28の値は0に近づきます。
* **低温**：サーミスターの抵抗が増加し、電圧が上昇し、GP28の値も高くなります。極端に冷たい場合、抵抗はほぼ無限大になり、GP28の値は65535に近づきます。

10KΩの抵抗は、3.3VとGNDが直接接続されないようにして、ショートを防ぎます。

**配線図**

|wiring_temp|

**コードを書く**

サーミスターからアナログ値を読み取り、摂氏および華氏で温度を計算して表示するMicroPythonプログラムを作成します。

.. note::

    * ``2.13_thermometer.py`` を ``newton-lab-kit/micropython`` から開くか、コードをThonnyにコピーして、「実行」ボタンを押すか、F5キーを押して実行してください。

    * 適切なインタープリターが選択されていることを確認してください：MicroPython（Raspberry Pi Pico）。COMxx。


.. code-block:: python

    import machine
    import utime
    import math

    # 定数
    BETA = 3950  # サーミスターのベータ係数
    T0 = 298.15  # 基準温度（25°Cをケルビンに変換）
    R0 = 10000   # T0での抵抗（10 kΩ）

    # GP28でADCを初期化
    thermistor = machine.ADC(28)

    while True:
        # アナログ値（0-65535）を読み取る
        analog_value = thermistor.read_u16()

        # アナログ値を電圧に変換
        voltage = analog_value * 3.3 / 65535

        # サーミスターの抵抗を計算
        Rt = (voltage * R0) / (3.3 - voltage)

        # ベータ式を使ってケルビンで温度を計算
        tempK = 1 / ( (1 / T0) + (1 / BETA) * math.log(Rt / R0) )

        # ケルビンから摂氏に変換
        tempC = tempK - 273.15

        # 摂氏から華氏に変換
        tempF = tempC * 9 / 5 + 32

        # 結果を表示
        print('Temperature: {:.2f}°C  {:.2f}°F'.format(tempC, tempF))

        # 次の読み取りまで待機
        utime.sleep(2)

コードを実行すると、コンソールに摂氏と華氏の温度が表示されます。

* サーミスターに触れて温度が上昇するのを確認してみましょう。
* 氷や冷たい物体を使って温度が下がるのを観察しましょう。

**コードの理解**

#. モジュールのインポート：

   * ``machine``: ハードウェア関連の機能にアクセスします。
   * ``utime``: 時間関連の関数（例えばスリープ）を使用できます。
   * ``math``: 数学関数（例えば対数）を提供します。

#. 定数：

   * ``BETA``: サーミスターのベータ係数（データシートに記載されており、通常3950付近）。
   * ``T0``: 基準温度（ケルビンで25°Cは298.15K）。
   * ``R0``: T0でのサーミスターの抵抗（10 kΩ）。

#. ADCピンの初期化：

   * ``thermistor = machine.ADC(28)``: GP28をアナログ入力として設定します。

#. メインループ：

   * ``analog_value = thermistor.read_u16()``: 生のアナログ値を読み取ります。
   * ``voltage = analog_value * 3.3 / 65535``: 生の値を電圧に変換します。
   * ``Rt = (voltage * R0) / (3.3 - voltage)``: 電圧分割回路の公式を使ってサーミスターの抵抗を計算します。
   * ``tempK = 1 / ( (1 / T0) + (1 / BETA) * math.log(Rt / R0) )``: ベータ式を使ってケルビン温度を計算します。
   * 摂氏と華氏に変換：

     .. code-block:: python

        tempC = tempK - 273.15
        tempF = tempC * 9 / 5 + 32

   * ``print('Temperature: {:.2f}°C {:.2f}°F'.format(tempC, tempF))``: 結果を表示
   * ``utime.sleep(2)``: 次の読み取りまで2秒待機。


**温度計算の理解**

* スティーンハート・ハート式：

サーミスターの抵抗と温度の関係を示す式です：

|temp_format|

* ``T`` はサーミスターの温度（ケルビン）。
* ``T0`` は基準温度、通常は25°C（ケルビンでは273.15 + 25）。
* ``B`` は材料のベータ係数で、NTCサーミスターのこのキットでは3950。
* ``R`` は測定した抵抗。
* ``R0`` は基準温度T0での抵抗値で、このキットのNTCサーミスターは25°Cで10キロオームです。

**安全上の注意**

サーミスターに熱を加える際は注意してください。過剰な温度にさらすと、サーミスターやRaspberry Pi Pico 2が損傷する恐れがあります。

**さらに実験してみよう**

* **データロギング**：コードを修正して、温度データをPicoのファイルに記録するようにしましょう。
* **温度閾値**：温度が一定の値を超えたり、下回ったりした場合にアクションをトリガーする条件を追加しましょう（例：LEDを点灯させる、ブザーを鳴らす）。
* **表示出力**：LCDやOLEDディスプレイを接続して、温度データを表示しましょう。

**結論**

Raspberry Pi Pico 2を使ってサーミスターで温度変化を測定できる基本的な温度計を作成しました。このプロジェクトでは、アナログ入力の読み取り、計算、センサーのデータを解釈して有意義な情報を得る方法を示しました。