Arduinoの基礎 - 温湿度センサ

概要

DHT-11はサーミスタと異なり、温度と湿度のキャリブレーション済みの状態で出荷されているセンサ(デジタル信号)である。
一般的な利用において、温度は1[℃]程度の誤差、湿度は4[%]程度の誤差で測定できる。

ピンの割り当ては、下図の通りである。

4本のピンは左から順に、VDD、DATA、NC(非接続)、GNDである。
VDDへの供給電圧は、3.3[V]〜5.5[V]の範囲である。

データシートを確認すると、VDDとGNDの間にパワーフィルタリングとして0.1[μF]のセラミックコンデンサを設置することができる。

データはシングル・バス・データフォーマットで少々面倒であるが、ArduinoではDHT用のライブラリが多数あるので、それらを使用する。
データのサンプリング間隔は最短で1[s]なので、ソフトウェア側でデータを取得する時に、delayする必要がある。

2番ピンであるDATAピンはプルアップして使用する。プルアップ抵抗は、ワイヤが20[m]以下の場合は、5[kΩ]程度が推奨される。
一般的には、4.7[kΩ]〜10[kΩ]程度がよく使用されている。
なお、Arduinoの内部プルアップ抵抗は20[kΩ]なので、DHT-11では使用できない。

DHT-11 / DHT-21

DHT-11 / DHT-21を使用するには、Adafruit DHTセンサライブラリをインストールする必要がある。

Adafruit DHTセンサライブラリのインストールする。

1. Arduino IDEのメニューバー[スケッチ] - [ライブラリをインクルード] - [ライブラリを管理]を選択する。
2. [ライブラリの管理]画面が起動するので、検索項目から"Adafruit Unified Sensor"と入力する。
3. ライブラリ一覧が表示されるので、Adafruit Unified Sensorを選択して、リスト右側にある[Install]ボタンを押下する。
4. 次に、Adafruit DHTセンサライブラリのGithubにアクセスして、zipファイルをダウンロードする。
5. Arduino IDEのメニューバー[スケッチ] - [ライブラリをインクルード] - [.ZIP形式のライブラリをインストール]を選択する。
6. ダウンロードしたzipファイルを選択して、Adafruit DHTセンサライブラリをインストールする。

まず、DHT-11から温度と湿度を取得する。
さらに、温度と湿度からヒートインデックス(体感温度)が取得できるので、それも併せて取得する。

以下の例では、シリアルポートに値を出力している。
シリアルモニタを開くことにより、3秒ごとに結果が出力される。

LCDに出力する場合は、Arduinoを用いてLCDに文字を表示を参照すること。

 #include <DHT.h>
 
 const int PIN_DHT = 8;
 DHT dht( PIN_DHT, DHT11 );
 
 void setup()
 {
    Serial.begin(9600);
    Serial.println("DHT11");
    dht.begin();
 }
 
 void loop()
 {
    delay(3000);
 
    bool isFahrenheit = true;
    float percentHumidity = dht.readHumidity();
    float temperature = dht.readTemperature( isFahrenheit );
 
    if (isnan(percentHumidity) || isnan(temperature))
    {
       Serial.println("ERROR");
       return;
    }
 
    float heatIndex = dht.computeHeatIndex(temperature, percentHumidity, isFahrenheit);
 
    String s = "Temp: ";
    s += String(temperature, 1);
    s += "[F] Humidity: ";
    s += String(percentHumidity, 1);
    s += "[%] HI: ";
    s += String(heatIndex, 1);
 
    Serial.println(s);
 }

BME280

BME280とは

BME280センサモジュールは、気圧、温度、湿度を読み取ることができる。
気圧は高度によって変化するため、高度も推定することもできる。

BME280センサモジュールには、I2C通信またはSPI通信を使用してArduinoへデータを送信する。

図. BME280センサモジュール I2C接続 (4ピン)

図. BME280センサモジュール SPI接続 (6ピン)

BME280センサモジュール (I2C接続) の回路図を以下に示す。

I2C通信を使用する場合は、BME280センサモジュールとArduino UNOのI2Cピンを下表のように接続する。

BME280	Arduino UNO R3 / R4
SCK (SCLピン)	A5
SDI (SDAピン)	A4

SPI通信を使用する場合は、BME280センサモジュールとArduino UNOのI2Cピンを下表のように接続する。

BME280	Arduino UNO R3 / R4
SCK (SPIクロックピン)	Pin 13
SDO (MISO)	Pin 12
SDI (MOSI)	Pin 11
CS (Chip Select)	Pin 10

BME280ライブラリのインストール

Adafruit BME280ライブラリをインストールする。

1. Arduino IDEを起動して、[スケッチ] - [インクルードライブラリ] - [ライブラリの管理]を選択する。
2. 検索ボックスから、"adafruit bme280"を検索して、ライブラリをインストールする。

I2C接続の使用例

以下の例では、Arduino UNOにBME280をI2C接続して温度、湿度、大気圧を受信して、シリアルモニタに出力している。

※注意
SPI通信を行う場合は、SDOをHighにして、アドレスを0x77で取得する必要がある。

 #include <Wire.h>
 #include <Adafruit_Sensor.h>
 #include <Adafruit_BME280.h>
 
 // BME280センサのインスタンスを生成
 Adafruit_BME280 bme;
 
 // BME280のI2Cアドレス (0x76または0x77)
 #define BME280_ADDRESS 0x76
 
 void setup()
 {
   // シリアル通信の初期化 (通信速度 : 9600[bps])
   Serial.begin(9600);
 
   // I2C通信の初期化
   Wire.begin();
 
   // BME280センサの初期化
   if (!bme.begin(BME280_ADDRESS)) {
     Serial.println("BME280センサが見つかりません。配線を確認してください。");
     while (1);  // エラーの場合は無限ループ
   }
 
   Serial.println("BME280センサの初期化が完了");
   Serial.println("測定を開始...");
 
   // ヘッダの出力
   Serial.println("温度(℃), 湿度(%), 気圧(hPa)");
 }
 
 void loop()
 {
   // 各センサ値の読み取り
   float temperature = bme.readTemperature();    // 温度 (℃)
   float humidity = bme.readHumidity();          // 湿度 (%)
   float pressure = bme.readPressure() / 100.0F; // 気圧 (hPa)
 
   // 測定値の出力
   Serial.print(temperature, 1);  // 小数点以下1桁まで表示
   Serial.print(", ");
   Serial.print(humidity, 1);
   Serial.print(", ");
   Serial.println(pressure, 1);
 
   // 1秒間待機
   delay(1000);
 }

SPI接続の使用例

以下の例では、Arduino UNOにBME280をSPI接続して温度、湿度、大気圧を受信して、シリアルモニタに出力している。

※注意 1
電源は3.3Vを使用する必要がある。(5[V]は使用不可)

ピン定義

• CSピン : Pin 10
• SCK : Pin 13
• MISO : Pin 12
• MOSI : Pin 11

※注意 2
BME280モジュールがSPI通信に対応していることを確認する。
配線は必ずSPIの仕様に従うこと。

 #include <SPI.h>
 #include <Adafruit_Sensor.h>
 #include <Adafruit_BME280.h>
 
 // BME280のCSピン設定
 #define BME_CS_PIN 10  // Arduino UNO R3 / R4のデフォルトCSピン
                        // CS (SS) ピンは、Pin 10はデフォルトのSSピンであるが、任意のデジタルピンをCSピンとして使用できる
                        // 例えば、複数のSPIデバイスを使用する場合は、異なるデジタルピンをCSとして割り当てることが可能である
 
 // SPIの設定
 #define BME_SCK 13   // SCKピン
 #define BME_MISO 12  // MISOピン
 #define BME_MOSI 11  // MOSIピン
 
 // BME280センサのインスタンスを生成 (SPIモード)
 Adafruit_BME280 bme(BME_CS_PIN);  // CSピンを指定
 
 void setup()
 {
   // シリアル通信の初期化 (通信速度 : 9600[bps])
   Serial.begin(9600);
 
   // CSピンを出力モードに設定
   pinMode(BME_CS_PIN, OUTPUT);
 
   // SPI通信の初期化
   SPI.begin();
 
   // BME280センサの初期化 (SPIモード)
   if (!bme.begin()) {
     Serial.println("BME280センサーが見つかりません。配線を確認してください。");
     Serial.println("・CS → Pin 10");
     Serial.println("・SCK → Pin 13");
     Serial.println("・MISO → Pin 12");
     Serial.println("・MOSI → Pin 11");
     Serial.println("・VCC → 3.3V");
     Serial.println("・GND → GND");
     while (1);  // エラーの場合は無限ループ
   }
 
   Serial.println("BME280センサの初期化が完了");
   Serial.println("測定を開始...\n");
 
   // ヘッダの出力
   Serial.println("温度(℃), 湿度(%), 気圧(hPa)");
 }

 void loop()
 {
   // 各センサ値の読み取り
   float temperature = bme.readTemperature();    // 温度 (℃)
   float humidity = bme.readHumidity();          // 湿度 (%)
   float pressure = bme.readPressure() / 100.0F; // 気圧 (hPa)
 
   // 測定値の出力
   Serial.print(temperature, 1);  // 小数点以下1桁まで表示
   Serial.print(", ");
   Serial.print(humidity, 1);
   Serial.print(", ");
   Serial.println(pressure, 1);
 
   // 1秒間待機
   delay(1000);
 }

BME280のI2Cアドレス (0x76 または 0x77) の見分け方

• SDOピン (アドレス選択ピン) の状態による変化
  • SDOピンがVDDIO (HIGH) に接続されている場合

    0x77

  • SDOピンがGND (LOW) に接続されている場合

    0x76

  • SDOピンが浮いている (未接続) 場合

    内部プルアップにより0x77

• モジュールの種類による違い
  • 青い基板のBME280モジュール

    多くの場合は、0x77

  • 黒い基板のBME280モジュール

    多くの場合は、0x76

• メーカーによる違い
  • Boschの純正品

    0x76

  • 他社製

    0x77に設定されていることがある

アドレスが不明の場合は、以下に示すような対応を行う。

1. まず、0x76で試す。
2. 認識されない場合は、0x77を試す。
3. どちらも認識されない場合は、I2Cアドレススキャナプログラムを使用してアドレスを確認する。

 // I2Cアドレススキャナプログラムの例
 // 接続されているBME280のI2Cアドレスを確認することができる
 
 #include <Wire.h>
 
 void setup()
 {
   Wire.begin();
   Serial.begin(9600);
   Serial.println("I2Cアドレススキャナ");
   Serial.println("デバイスを検索中...");
 }
 
 void loop()
 {
   byte error, address;
   int nDevices = 0;
 
   for(address = 1; address < 127; address++) {
     Wire.beginTransmission(address);
     error = Wire.endTransmission();
 
     if (error == 0) {
       Serial.print("I2Cデバイスが見つかりました アドレス 0x");
       if (address < 16) {
         Serial.print("0");
       }
 
       Serial.println(address, HEX);
       nDevices++;
     }
   }
 
   if (nDevices == 0) {
     Serial.println("I2Cデバイスが見つかりませんでした。");
   }
 
   delay(5000);  // 5秒待機
 }