温度湿度センサーの利用

HSM-20G はアナログ出力の温度と湿度のセンサーです。湿度（相対）の値は温度によって変化するため、多くの湿度センサーは温度センサー機能も内蔵しています。湿度の測定原理は明示されていませんが、高分子抵抗を利用していると思われます。温度は温度で抵抗値が変化するサーミスタを利用しています。

1. 温湿度センサーモジュールHSM-20G

   　HSM-20G はアナログ出力の温度と湿度のセンサーで、概要は以下のようです。
   
   ・動作電圧： DC5.0V(±0.2V)
   ・最大動作電流： 2mA
   ・温度測定範囲： 0℃〜+50℃
   ・温度測定：抵抗変化 158kΩ(0℃)〜12kΩ(60℃)
   ・湿度： 電圧出力タイプ
   ・測定精度： ±5%(RH)
   ・湿度出力信号電圧： DC1.0V〜3.0V
   ・湿度測定範囲： 20〜95%
   
   
   
   　動作電圧：5.0Ｖ、動作電流：2mA、温湿度共にアナログ出力です。
   
   

2. 温度

   　温度の変化はサーミスタを利用しています。ここで利用しているサーミスタは、ニッケル、マンガン、コバルト、鉄などの酸化物を混合して焼結したもので、温度が上がると抵抗が下がります。サーミスタは通常温度25度で抵抗値が校正されており、25度における温度精度は±0.3度です。
   　下の図は縦軸が抵抗、横軸が温度です。サーミスタは非直線的な変化をします。25度の時の抵抗値は校正されておりこのセンサーでは47kです。
   
   　　　　　抵抗ー温度
   
   

3. 湿度

   　この湿度センサーの原理は不明ですが、多孔質の吸湿性の高分子膜を用いると思われます。Y軸がセンサーの出力電圧、X軸が湿度（相対で10%目盛）です。20%-80% の間はほぼ直線的に変化します。電圧と湿度の表がありますから、これを用いて、相対湿度を求めます。
   
   　　　　　湿度とセンサー電圧
   
   

4. 線形近似

   　どちらも直線的な変化ではないので、表の各区間で線形近似します。湿度（相対）の場合、出力電圧が  v = 1.7V であれば、湿度は40%から50%の間になります。この範囲では、直線的に変化すると考えて湿度を計算します。 具体的には (v-1.68)* 10/（2.02-1.68) で 40-50 の間の湿度差を求め、これに 40 を加えて、湿度を計算します。
   
   　　AD変換値ー湿度表
   

   湿度	10	20	30	40	50	60	70	80	90
   電圧	0.74	0.95	1.31	1.68	2.02	2.37	2.69	2.99	3.19

   
     温度はサーミスタの抵抗から求められます。測定範囲は0-60度とします。各温度に対応する抵抗値を表に纏めます。湿度の場合とどうよう、抵抗の値から、表の範囲を求め、区間内で線形補間します。
   
   　　抵抗ー温度表　
   

   温度	0	10	20	30	40	50	60
   抵抗	158	94	58	47	38	25	17

   
   

5. 回路接続

   端子は4ピンのコネクタ接続になります。写真で右下から 1ピン：温度出力(白）、2ピン：GND、３：湿度出力、４：電源（５V：オレンジ)です。湿度出力には100kの抵抗と40μFのコンデンサーをつける、温度センサーには10kの抵抗を直列に接続することが推奨されています。左の回路図で左の端子がUNO、右の端子がHSM-20Gです。 ● のない交差は接続しません。
   　温度センサーの抵抗は内部で５Vに接続されています。外部で10kの抵抗を接続し、この中間点の電圧を A1 で AD変換します。
   　　　
   　　　　　接続回路　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　温度センサーの回路
   
   
   

6. 音湿度センサープログラム

   　湿度と温度の表を配列 humt[] と tmpt[] に記録します。湿度の場合、あらかじめ。出力電圧を AD変換値に換算しています。humt[0] の値 152 は 出力電圧 0.74V に相当します。tempt[] は各温度に対応する抵抗の値です。
   　温度、湿度共に10回計測しその平均値を valh に求めます。湿度の場合、valh から humt[] を用いて、map() 関数で線形補間します。最初の 10 は 湿度の最低値です。9 は表のサイズ、最後の 10 は表の列当たりの湿度差です。
   

     hum = map(valh,10,humt,9,10);

   　ｍａｐ() では、まず、valh が humt[] の値より最初に大きくなる列を求めます。この列と次の列との間で線形補間をします。
   　温度の場合、まず、平均値 valt を求め、これを電圧 vt に変換後、さらに抵抗値 rg に変換します。温度センサーの抵抗値 rg は 10kΩと直列ですから、 10・（5/( rg +10)） = ｖt になります。したがって次のように計算できます。
   

     float rg=(5.0*10.0)/float(vt)-10;

    　rg から、湿度の場合と同様 tempt[] を利用して、線形補間を行います。
   　

   //温度はサーミスタなので非線形、湿度も線形ではない
   //表を利用し、部分線形補間を行う
   int i;
   int tm,num;
   int vd[4];
   //10%から90%までのAD変換値と湿度
   unsigned int humt[]={152,195,266,344,413,485,550,612,653};
   //60度から度までの抵抗の値と温度
   //unsigned long tmpt[]={158,94,58,47,38,25,17};
   unsigned int tmpt[]={17,25,38,59,95,158};//60-0
     int hum,tmp;
     long sum;
     int valt,valh;
     char string[40];
    
   void setup(){
   tm=0;
   Serial.begin(9600);
   }
   
   //valの値をary[]の値で補間する、表の先頭に対応する値をv0,
   //変化する値をgap 範囲外の場合99を返す
   int map(unsigned  val,unsigned  v0,unsigned int ary[],int num,int gap){
     float diff;
     int rval;
     if(val<ary[0]) return 99;
     if(val>ary[num-1]) return 99;
     for(i=1;i<num;i++){
       if(val<ary[i]){
         diff=ary[i]-ary[i-1];
         rval=v0+(i-1)*gap+(unsigned int)((float)(val-ary[i-1])*gap/diff);
         break;
       }
     }
     return rval;
   }
   
   void loop(){
        int tmp;
        sum=0;
        for(i=0;i<10;i++){
          tmp= analogRead(A0);//AD変換する      
          sum+=tmp;
          delay(10);
        }
        valh=sum/10;//平均値
        //Serial.println(valh);
       //湿度変換
        hum = map(valh,10,humt,9,10);
   
        sum=0;
        for(i=0;i<10;i++){
           sum += analogRead(A1);//AD変換する
          delay(10);
        }
        valt=sum/10;//平均値
        //電圧に変換
        float vt=(5.0/1024.0)*valt;
        //Serial.print("vt:");
        //Serial.println(vt);
        //抵抗値に変換
        float rg=(5.0*10.0)/float(vt)-10;
        Serial.print("rg:");
        Serial.println(rg);
       
       //温度変換
        tmp = map((int)rg,50,tmpt,6,-10);
       sprintf(string,"tmp=%2u,hum=%2u\n", tmp,hum);
       Serial.print(string);
   
       delay(1000);
   }
   
   ///実行結果
   rg:61.11
   tmp=20,hum=60
   rg:61.11
   tmp=20,hum=60
   rg:61.11
   

   
   

7. 発展

   　

   1. アナログ出力のセンサーにはどんなものがありますか？

      　10cm程度の距離を測定する赤外線距離センサ（GP2Y0A21YK)、）、3軸加速度センサー（KXR-94)）、圧力センサー（FSR40２)などがあります。
      　
      　距離センサー　　　　　　　　　　　　　　　圧力センサー
      
      距離センサーは非線形ですから、温湿度センサーとどうよう、補間計算が必要です。
      
      

   2. 測定データの校正はどのように行いますか？

      　正確な校正用測定器が必要になります。出力が直線的でない場合、この例のように測定点を直線で接続し、部分的な直線補間をします。
      
      

   3. もう少し精度の高いセンサーはありませんか？

      　SHT１１ はシリアル出力の温湿度センサーで、温度精度　0.4度、湿度精度 3.5% です。
      　
      　ディジタル出力温湿度センサー