温度センサー

ここでは、AD変換機能と半導体温度センサーを利用して、室温の計測を試みます。半導体温度センサーは温度に対応する電圧を出力するため、組み込みは容易ですが、精度を高めるためには「校正」や「アナログ参照電圧」の設定などが必要になります。

1. 半導体温度センサー（MCP9700）

   　室温を手軽に計測する温度センサーとして各種の半導体センサーが市販されています。MCP9701 は以下のように温度に対応して、電圧を出力する半導体です。
   
   　電源電圧　2.3〜5.5V
   　測定範囲　-40〜125度
   　0度での出力　500mV
   　温度変化 10.0mV/度
   　精度　±４度
   
   　温度が t のときの出力電圧は ｖ = 10 * t + 500 となります。温度が 25度のときは、10.0*25+400=650mV になります。また、-10度のときは、10.0*(-10)+400=300.0mV になります。電源が + のみの場合 - の電圧は出せませんから、0度の出力を500mV に「かさ上げ」し、負の時は 500mV 以下の電圧を出します。
   　精度は余り良くありませんが、これは、部品による個体差が大きいためで、「校正」をすることで、ある程度精度を上げることができます。
   
   

2. 接続回路

   　MCP9700は３端子のデバイスで文字が見える方向にみたとき、左から 電源＋（Vdd)、出力端子（Vout)、電源ー（GND）、となります。電源を接続し、Vout を UNO のアナログ入力端子 A0 に接続します。
   　
   　　MCP9700　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　温度センサー回路図
   
   

3. プログラム（MCP9700温度センサー）

   　AD 変換した値(sv)を温度に変換するには、まず、sv を mV 単位の電圧に変換します。変換値が 1024 のとき 5000mVですから、変換値 sv の電圧は tmv=(5000.0/1024.0)*sv; となります。この計算は　小数（float）で行います。tmv から 0度 の値　500 を引き、10 で割れば温度になります。　
   

   //tmp9700_ref
   //MCP9700温度センサー
   
   int sensorPin = A0;    // select the input pin for the potentiometer
   int ledPin = 13;      // select the pin for the LED
   int sv = 0;  // variable to store the value coming from the sensor
   int tmp;
   
   void setup() {
     Serial.begin(9600);  
   }
   
   void loop() {
     // read the value from the sensor:
     float tmv;
     int tmp;
     sv = analogRead(sensorPin);    
     Serial.println(sv);
     tmv=(5000.0/1024.0)*sv;
     Serial.println(tmv);
     tmp=(tmv-500)/10;
     //Serial.println(tmv);
     Serial.print("tmp=");
     Serial.println(tmp);
     delay(500);             
   }
   
   ///結果１
   154
   751.95
   tmp=25
   
   
   ///結果２
   151
   737.30
   tmp=23
   
   

   　これで仕様から保証される温度範囲は ±４度　です。この場合、21度から29度の範囲ということになります。この誤差は 温度から出力を計算するときのパラメータの、10、500 が部品により異なるためです。
   　ｖ = 10 * t + 500
   　温度は通常25度で校正します。仕様書では 温度が0度のとき 出力 0、25度の温度が 25 になるよう係数を調整すれば、「0度から70度の範囲で、誤差の範囲は 0.5度 とすることができる」とのことです。
   
   

4. アナログ参照電圧を利用

   　AD変換するときのアナログ電圧の最大値は 5V でした。しかしMCP9700は温度が40度でも　800mV の出力になります。５VのときAD変換値は最大で1024ですから、0.8V では AD変換値は 163 になります。このままでは、AD変換機能の2割弱しか利用できないことになります。逆にいえば、ディジタル値の小さな変化で、結果の温度は大きく変化します。
   　実は、Arduino のAD変換機能には、内部参照電圧機能が用意されています。これは、本体の電圧（UNOの場合５V）とは別に、内部や外部から設定したアナログ参照電圧を最大電圧としてAD変換する機能です。Arduino UNO の場合、内部参照電圧は 1.10V です。MCP9700の場合、温度が50度でも最大電圧は1V程度ですから、室内温度に限定すれば、内部参照電圧が利用できます。内部参照電圧の利用には次のような設定をします。
   

     analogReference(INTERNAL);

   　INTERNAL の替わりに DEFAULT とすれば 5V、EXTERNAL とすると、外部端子（UNOの場合、ディジタル13番端子の二つ上にあるAREF端子）で設定した電圧を参照電圧とします。この機能を利用すると、アナログ入力の値は室温で 680 に増加します。
   

   //MCP9700温度センサー
   //アナログ参照電圧利用
   int sensorPin = A0;    // select the input pin for the potentiometer
   int ledPin = 13;      // select the pin for the LED
   int sv = 0;  // variable to store the value coming from the sensor
   int tmp;
   void setup() {
     Serial.begin(9600);
     analogReference(INTERNAL); //内部1.1V 
   }
   
   void loop() {
     // read the value from the sensor:
     float tmv;
     int tmp;
     sv = analogRead(sensorPin);    
     Serial.println(sv);
     tmv=(1100.0/1024.0)*sv;
     Serial.println(tmv);
     tmp=(tmv-500)/10;
     //Serial.println(tmv);
     Serial.print("tmp=");
     Serial.println(tmp);
     delay(500);             
   }
   
   ///
   681
   731.54
   tmp=23
   680
   730.47
   tmp=23
   
   

   
   

5. 発展

   1. もっと高精度な温度センサーはありませんか

      　後の章で 精度 ±0.4 度　のディジタル接続の温度センサ を紹介します。　
      
      

   2. どんな応用がありますか

      　計測した温度を表示すれば、実用的な温度表示装置が出来上がります。少しプログラムを工夫すれば、最高と最低の温度を記録・表示したり、一日の温度変化を記録・表示することもできます。
      
      

   3. AD変換の値は電源電圧で変化しますか？

      　AD変換は電源の電圧が変化すると、変換した値も変化します。「内部リファレンス電圧」は電源電圧に関わらず一定電圧を出しましから、精度の面でもおすすめです。