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混合シグナルコントローラーPSoCと液晶表示器LCDを組み合わせたベースボードを作ってしまえば、色々なエレクトロニクス回路が(アナログ回路もデジタル回路もそれらの混合電子回路も、、、)殆どハンダ付けせずにプログラムを書けばできてしまいます。実は、パソコンと繋ぐことを前提にすると、アナログ回路とデジタル回路の両方あって初めて実際に使えるような装置・デバイスになります。実例として温度計やpHメータや心電計を製作してみました。外付け回路(ベースボードにドッキングする)はpHメーターと心電計は共通でバッファアンプLMC662CNとデータロガー用のメモリーEEPROMです。pH電極(3000円など)はインピーダンスが非常に高い(ガラス膜の両側の電圧を測ります)ので入力抵抗が非常に高いオペアンプ(1テラオーム以上)をボルテージフォロワーとして使いました。こうすると、pHの値が安定するまでに1分も待つ必要はありません。pHの値は電源オンした後ほぼ瞬時に安定して読み取れます(もちろん液体が充分に攪拌されていて一様ならばですが、、、)。BNCコネクター付近の温度モニターは、いたって簡単で、IC温度センサLM35(150円など)の3ピン(+V、AGND、Output)を繋いでOutputの電圧を測るだけです。ベースボードの心臓部はCypressセミコンダクタ社のPSoC(混合シグナルコントローラー;500円など;その他、パステルマジックさんやDigi-Keyなどでも入手可能です;初めての方はCypressのオンライントレーニングやパステルマジックさん著「はじめてのPSoCマイコン」がおすすめ)というワンチップマイコンです。一般的にはPICの方が良く利用されていますが、使い慣れてくるとアナログ回路が含まれている分PSoCの方が簡単で便利な気がします。ベースボードには、その他にLCD液晶表示とコマンド入力用の3つのキースイッチなどが付いています。PSoCの動作と内部の回路構成はプログラムで変更出来ます。内部のプログラムメモリーが許す限り温度モニターもpHメーターも心電計も全部入れられます。コンピュータとの通信はシリアルポートを使って行います。シリアルUSB変換ケーブル(1400円など)を使えばUSBでPCと繋がります。LM35を使った温度モニターはoutputの電圧をmV単位で測って10分の1するだけなので(250mV出力ならば25.0℃)、PSoCの使い方を理解するのに打ってつけの練習問題です。電圧計を利用できるタイプなら大概はセンサーを付けるだけで出来てしまいます。照度計、重力加速度計、圧力計、等々。例えば、フォトダイオード(可視光フィルター付のシャープBS520など)の出力電流は入射光量に比例しますから、この2端子を適当な抵抗で結んで電圧降下(E=iR)を測れば入射光強度を見積もる照度計になります(5Vを印加する照度センサータイプ(140円,73円など)なら抵抗を介してAGNDに繋ぎその抵抗の電圧降下を測ります)。温度センサーは入力部(BNCコネクタ)の近くに付いているので、入力部にサーモカップル(熱電対プローブ400円など)を繋ぐだけで-200℃から+1250℃まで測れる温度計データロガーになってしまいます。フライパンの油やロウソクの炎や液体窒素の温度などが測れます。サーモカップルの場合には両端の温度差1度ごとの電圧変化が 40μV ほどなので、高精度で計測するには、アンプの増幅率は10~100倍程度もしくはそれ以上にします。ADコンバータの分解能は13ビット以上にします(モジュールはADCINCVRまたはADCINC14またはADCINC)。最後に、入力部付近の温度に電圧差から計算した温度差を加えれば、サーモカップルの先端の温度が見積もれます。
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