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2.13 サーモメーター

このレッスンでは、Raspberry Pi Pico 2 Wを使用して サーミスタ で温度を測定する方法を学びます。サーミスタは、温度によって抵抗が大きく変化するタイプの抵抗です。特に、温度が上昇すると抵抗が減少する負の温度係数（NTC）サーミスタを使用します。

必要なコンポーネント

このプロジェクトに必要なコンポーネントは以下の通りです。

セットで購入すると便利です。こちらのリンクから購入できます：

名前

このキットに含まれているアイテム

購入リンク

Pico 2 Wスターターキット

450+

Pico 2 W Kit

以下のリンクから個別に購入することもできます。

番号

コンポーネント紹介

数量

購入リンク

1

Pico 2 Wの概要

1

2

マイクロUSBケーブル

1

3

ブレッドボード

1

買う

4

ジャンパーワイヤー

数本

買う

5

抵抗器

1（10KΩ）

買う

6

サーミスター

1

買う

サーミスタの理解

NTCサーミスタは、温度に敏感な抵抗器です。温度が上昇すると抵抗が減少します。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 Wのアナログ-デジタルコンバーター（ADC）を使用して、この電圧を読み取り、対応する温度を計算することができます。

回路図

sch_temp

この回路では、10KΩの抵抗とNTCサーミスタが電圧分割回路を形成し、GP28がサーミスタ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により保護も提供します。

  • 高温時：サーミスタの抵抗が減少し、電圧が低下、GP28の読み取り値も低くなります。十分に高い温度では、抵抗がゼロに近づき、GP28の値は0に近くなります。

  • 低温時：サーミスタの抵抗が増加し、電圧が上昇、GP28の値も高くなります。極端な寒さでは、抵抗がほぼ無限大になり、GP28の読み取り値は1023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、ショートを防ぎます。

配線

wiring_temp

コードの記述

注釈

  • 2.13_thermometer.ino ファイルは pico-2w-kit-main/arduino/2.13_thermometer パスにあります。

  • あるいは、このコードを Arduino IDE にコピーしてください。

  • アップロード ボタンをクリックする前に、ボード（Raspberry Pi Pico）と適切なポートを選択することを忘れないでください。

// ピンの定義
const int thermistorPin = 28;  // サーミスタが接続されたGP28（ADC2）

// サーミスタと計算のための定数
const float BETA = 3950;       // サーミスタのベータ値（製造元から提供）
const float SERIES_RESISTOR = 10000; // 10KΩの抵抗
const float NOMINAL_RESISTANCE = 10000; // 25°Cでの抵抗値（製造元から提供）
const float NOMINAL_TEMPERATURE = 25.0; // 25°Cの温度

void setup() {
  Serial.begin(115200);  // シリアルモニターを初期化
}

void loop() {
  // サーミスタからアナログ値を読み取る
  int adcValue = analogRead(thermistorPin);
  // ADC値を電圧に変換
  float voltage = adcValue * (3.3 / 1023.0);
  // サーミスタの抵抗を計算
  float resistance = (voltage * SERIES_RESISTOR) / (3.3-voltage);
  // ベータ式を使用してケルビン温度を計算
  float temperatureK = 1 / ( (1 / (NOMINAL_TEMPERATURE + 273.15)) + (1 / BETA) * log(resistance / NOMINAL_RESISTANCE) );
  // ケルビンを摂氏に変換
  float temperatureC = temperatureK - 273.15;
  // 摂氏を華氏に変換
  float temperatureF = (temperatureC * 9.0 / 5.0) + 32.0;

  // 温度の読み取り結果を表示
  Serial.print("Temperature: ");
  Serial.print(temperatureC);
  Serial.print(" °C, ");
  Serial.print(temperatureF);
  Serial.println(" °F");

  delay(1000);  // 次の読み取り前に1秒待機
}

コードが実行され、シリアルモニターが開いているとき：

  • 摂氏と華氏で温度が表示されるはずです。

  • サーミスタを指で優しく挟むと、温度が上がるにつれて読み取り値が増加するはずです。

  • サーミスタに冷たい空気を吹きかけたり、冷たい物体を近づけたりすると、温度が下がるはずです。

コードの理解

  1. ピンと定数の定義：

    サーミスタの読み取りに使用するGPIOピンを設定します。

    const int thermistorPin = 28;  // サーミスタが接続されたGP28（ADC2）

  2. 計算のための定数：

    温度を計算するために使用する定数です。

    const float BETA = 3950;       // サーミスタのベータ値
const float SERIES_RESISTOR = 10000; // 10KΩの抵抗
const float NOMINAL_RESISTANCE = 10000; // 25°Cでの抵抗値
const float NOMINAL_TEMPERATURE = 25.0; // 25°C

  3. アナログ値の読み取り：

    thermistorPinでサーミスタのアナログ電圧を読み取り、0から1023の値を返します。

    int adcValue = analogRead(thermistorPin);

  4. 電圧の計算：

    ADC値を実際の電圧に変換します。

    float voltage = adcValue * (3.3 / 1023.0);

  5. サーミスタの抵抗の計算：

    電圧分割の公式を使用してサーミスタの抵抗を計算します。

    float resistance = (voltage * SERIES_RESISTOR) / (3.3-voltage);

  6. 温度の計算：

    ベータ式を使用して温度を計算します。

    float temperatureK = 1 / ( (1 / (NOMINAL_TEMPERATURE + 273.15)) + (1 / BETA) * log(resistance / NOMINAL_RESISTANCE) );
float temperatureC = temperatureK - 273.15;
float temperatureF = (temperatureC * 9.0 / 5.0) + 32.0;

  7. 温度の表示：

    シリアルモニターに摂氏と華氏の温度を出力します。

    Serial.print("Temperature: ");
Serial.print(temperatureC);
Serial.print(" °C, ");
Serial.print(temperatureF);
Serial.println(" °F");

  8. 遅延：

    次の読み取りまで1秒間待機します。

    delay(1000);

温度計算の理解

  • スタインハート・ハート方程式：

スタインハート・ハート方程式は、サーミスタの抵抗を温度の関数としてモデル化します：

temp_format

  • T はサーミスタの温度（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 は材料のベータパラメータ。このキットで使用するNTCサーミスタのベータ係数は3950です。

  • R は測定した抵抗値。

  • R0 は基準温度T0での抵抗値。このキットで使用するNTCサーミスタの25°Cでの抵抗値は10キロオームです。

精度についての注意

  • サーミスタは非線形のデバイスであり、ベータ式は近似値を提供します。

  • より広い範囲で正確な温度測定を行うためには、スタインハート・ハート方程式を使用することができます。

  • 精密な用途にはキャリブレーションが必要な場合があります。

さらなる探求

  • LCDに温度を表示する：

    LCDディスプレイを接続して、コンピュータなしで温度を表示できるようにします。

  • データロギング：

    時間経過に伴う温度の変化を記録し、環境の変化を監視します。

  • 温度制御デバイス：

    温度読み取り結果を使用して、ファンやヒーターを制御します。

結論

このレッスンでは、Raspberry Pi Picoを使用してサーミスタで温度を測定する方法を学びました。電圧分割回路を作成し、ベータ式を使用してアナログ値を読み取り、抵抗を計算し、摂氏と華氏の両方で温度を求めることができました。