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4.1.13 過熱監視装置 (MCP3008)

注釈

キットのバージョンにより ADC0834 または MCP3008 が含まれています。使用するキットに応じたセクションをご参照ください。

概要

工場などで回路が過熱したときにアラームを鳴らし、機械を自動的に停止させるなど、さまざまな状況で利用できる過熱監視装置を作成します。このプロジェクトでは、温度を検出するためにサーミスタ、しきい値を調整するためにジョイスティック、警告用のブザー、表示用のLEDとLCDを使用して、しきい値を調整可能な温度監視装置を作ります。

必要な部品

本プロジェクトで必要な部品は以下の通りです。

キット一式で購入するのが便利です。リンクはこちら：

名称	キット内の数量	リンク
Raphael Kit	337	Raphael Kit

個別に購入する場合は以下のリンクをご参照ください。

部品名	購入リンク
GPIO拡張ボード	購入
ブレッドボード	購入
ジャンパーワイヤー	購入
抵抗器	購入
LED	購入
ジョイスティックモジュール	-
MCP3008	-
トランジスタ	購入
I2C LCD1602	購入
サーミスター	購入
ブザー	-

回路図

T‑Board Name	physical	wiringPi	BCM
SPICE0	Pin 24	10	8
SPIMOSI	Pin 19	12	10
SPIMISO	Pin 21	13	9
SPISCLK	Pin 23	14	11
GPIO22	Pin 15	3	22
GPIO23	Pin 16	4	23
GPIO24	Pin 18	5	24
SDA1	Pin 3
SCL1	Pin 5

../_images/schematic_over_monitor_mcp3008.png

実験手順

ステップ 1: 回路を組み立てます。

../_images/july24_3.1.8_overheat_monitor_mcp3008.png

ステップ 2: SPI インターフェースを設定し、 spidev ライブラリをインストールします（詳細は SPI 設定参照）。すでに完了している場合は省略可。

ステップ 3: コードを配置したフォルダに移動します。

cd ~/raphael-kit/python

ステップ 4: 実行します。

sudo python3 4.1.13-2_OverheatMonitor.py

プログラムが動作すると、I2C LCD1602 に現在の温度と高温しきい値 40 が表示されます。現在の温度がしきい値を超えるとブザーとLEDが動作し警告します。

ジョイスティック は高温しきい値を調整するために使用します。ジョイスティックをX軸またはY軸方向に倒すとしきい値を上下に変更できます。ジョイスティックを押すとしきい値が初期値にリセットされます。

注釈

FileNotFoundError: [Errno 2] No such file or directory: '/dev/i2c-1' エラーが出た場合、I²C 設定を参照してI2Cを有効にしてください。
ModuleNotFoundError: No module named 'smbus2' エラーが出た場合、 sudo apt install python3-smbus2 を実行してください。
OSError: [Errno 121] Remote I/O error エラーが出た場合、配線の誤りまたはモジュールの故障の可能性があります。
配線とコードが正しくてもLCDが表示しない場合は、背面の可変抵抗を回してコントラストを調整してください。

警告

RuntimeError: Cannot determine SOC peripheral base address エラーが出た場合は、「gpiozero」が動作しない場合。を参照してください。

コード

注釈

コードの 修正／リセット／コピー／実行／停止 が可能です。事前に raphael-kit/python に移動してください。変更後すぐに動作確認できます。

（コード部分省略、元のまま保持）

コード解説

ライブラリ読み込み

GPIO、SPI、LCD表示、時間処理、数値計算を行うためのライブラリを読み込みます。
```
#!/usr/bin/env python3
import RPi.GPIO as GPIO
import spidev
import time
import math
import LCD1602
```

GPIOとデバイス設定

ジョイスティックボタン、ブザー、LEDのGPIOピン番号を定義し、モードを設定します。

JOY_BTN_PIN = 22  # Button pin
BUZZER_PIN = 23   # Buzzer pin
LED_PIN = 24      # LED pin

GPIO.setmode(GPIO.BCM)
GPIO.setup(JOY_BTN_PIN, GPIO.IN, pull_up_down=GPIO.PUD_UP)
GPIO.setup(BUZZER_PIN, GPIO.OUT)
GPIO.setup(LED_PIN, GPIO.OUT)

SPIとLCD初期化

MCP3008とのSPI通信を開始し、I2Cアドレス0x27のLCD1602を初期化します。

upperTem = 40
spi = spidev.SpiDev()
spi.open(0, 0)
spi.max_speed_hz = 1000000

LCD1602.init(0x27, 1)

ADC値読み取り

MCP3008から指定チャンネル(0〜7)のアナログデータを読み取ります。

def read_adc(channel):
    if channel < 0 or channel > 7:
        return -1
    adc = spi.xfer2([1, (8 + channel) << 4, 0])
    value = ((adc[1] & 0x03) << 8) | adc[2]
    return value

ジョイスティック検出

X/Y軸値を確認し、しきい値変更量を返します。

def get_joystick_value():
    x_val = read_adc(1)
    y_val = read_adc(2)
    if x_val > 800:
        return 1
    elif x_val < 200:
        return -1
    elif y_val > 800:
        return -10
    elif y_val < 200:
        return 10
    else:
        return 0

上限温度設定

LCDに「Upper Adjust」を表示し、ジョイスティック入力でしきい値を調整します。

def upper_tem_setting():
    global upperTem
    LCD1602.write(0, 0, 'Upper Adjust: ')
    change = int(get_joystick_value())
    upperTem += change
    strUpperTem = str(upperTem)
    LCD1602.write(0, 1, strUpperTem)
    LCD1602.write(len(strUpperTem), 1, '              ')
    time.sleep(0.1)

温度計算

センサーのアナログ値を電圧・抵抗値に変換し、Steinhart–Hart近似で摂氏温度を計算します。

def temperature():
    analogVal = read_adc(0)
    Vr = 3.3 * analogVal / 1023.0
    if Vr == 0:
        return 0
    Rt = 10000.0 * (3.3 - Vr) / Vr
    tempK = 1.0 / (((math.log(Rt / 10000.0)) / 3950.0) + (1.0 / (273.15 + 25.0)))
    Cel = tempK - 273.15
    return round(Cel, 2)

温度監視

現在温度としきい値を表示し、超過時にブザーとLEDを動作させます。

def monitoring_temp():
    global upperTem
    Cel = temperature()
    LCD1602.write(0, 0, 'Temp: ')
    LCD1602.write(0, 1, 'Upper: ')
    LCD1602.write(6, 0, str(Cel))
    LCD1602.write(7, 1, str(upperTem))
    time.sleep(0.1)
    if Cel >= upperTem:
        GPIO.output(BUZZER_PIN, GPIO.HIGH)
        GPIO.output(LED_PIN, GPIO.HIGH)
    else:
        GPIO.output(BUZZER_PIN, GPIO.LOW)
        GPIO.output(LED_PIN, GPIO.LOW)

メイン処理

ジョイスティックボタン押下でモードを切り替え、しきい値調整モードと監視モードを行き来します。

try:
    lastState = GPIO.input(JOY_BTN_PIN)
    stage = 0
    while True:
        currentState = GPIO.input(JOY_BTN_PIN)
        if currentState == GPIO.HIGH and lastState == GPIO.LOW:
            stage = (stage + 1) % 2
            time.sleep(0.1)
            LCD1602.clear()
        lastState = currentState

        if stage == 1:
            upper_tem_setting()
        else:
            monitoring_temp()

終了処理

Ctrl+C終了時にGPIOとSPIを解放し、LCDをクリアします。

except KeyboardInterrupt:
    pass
finally:
    LCD1602.clear()
    GPIO.cleanup()
    spi.close()