電子工作講習会 – 計測・解析ラボ

春の花の光るメッセージボード（古民家ギャラリーツキザワの家 2023 4/29〜5/5）

古民家ギャラリーツキザワの家は、西和賀町にある藁葺き屋根の旧家の古民家を改修した展示施設です。奥羽自然観察会を主宰しているカタクリの会の瀬川強さんが運営していて、瀬川強さんの写真作品と、水彩画家川崎茂花さんの西和賀の山野草を描いた襖絵が常設展示されています。今回は「春の花」の企画展（2023 4/29〜5/5）に参加させていただくことになりました。

「光るメッセージボード」はガラス用マーカーペンで透明なアクリル板にメッセージを書くと下から照らしているLED光源でメッセージが浮き出て見えるものです。光がアクリルの内部から外（空気）に出ようとするとき、臨界角42.2°以下では100%反射（全反射）して外に出られなくなります。マーカーのインクが表面にあると、全反射せずに光が外に出てくることができます。これがメッセージが光る理由です。

マーカーのインク以外でも、アクリルの表面に傷などがあると凹凸で散乱して光が外に出てきます。凹凸の密度が高いほど光が出てきて、凹凸のないところからは光は出てきません。レーザー加工機でアクリルの表面を加工すると、写真の濃淡に対応するように光らせることができます。

原理は単純ですが、写真の濃淡に応じて凹凸をつけるのは少し工夫が必要です。
(1) [写真素材は白黒] カラー写真で素敵に見えても白黒にすると何が写っているかわからなくなることがあります。白と黒のメリハリのある写真が良いでしょう。
(2) [網点] 印刷物の写真のように200線ぐらいの網点を使います。無料で使える画像処理ソフトGIMPでは、フィルターメニュー > 変形 > Newsprint… で網点にすることができます。
(3) [トーン] レーザー加工機で網点加工すると、飛びやすく潰れやすい性質があります。飛びやすいというのは、小さな点はアクリルが溶けないのである程度大きな点になるまで加工が始まりません。潰れやすいというのは、逆に周りが加工されている中に加工しなくても良い点があっても一緒に解けてしまいまって、余分に加工されてしまいます。
(4) [網点の凹凸] 網点は白から徐々に点が大きくなって、50%を超えると黒の中の白点が小さくなっていきます。単純に言えば0%から50%までは凹凸が増えていきますが、50%を超えると凹凸は減っていきます。
(5) [白黒反転] レーザー加工では黒い部分が加工されて凹凸になり、凹凸が光を散乱させて白く光ります。つまり、黒と白が反転するので、あらかじめ白黒写真の白黒を反転させます。
(6) [左右反転] アクリルの裏面にレーザー加工をした方が反射光量が得られるので、画像は左右反転して正面から見たときに正しい像になるようにします。

この中で(3)と(4)はトーンカーブで調整します。

原画の0(黒)-255(白)を143(黒)-230(白)に変換しています。黒付近と白付近で傾きを変えているのは”飛びやすくて潰れやすい”性質を補正するためです。（実際の作業では白黒反転した後で、トーンカーブを適用しています。）このトーンカーブを調整すればもっときれいになるのではないかと思います。

LEDユニットは3Dプリンターで作りました。

Fusion360のスクリーンショットはユニット下面を見た図になります。LED基板とUSBコネクタ(USB Type-Cコネクタ電源供給用）と配線が収まります。

照明用LEDは秋月電子通商の太陽光ＬＥＤモジュール（白色ＬＥＤ）5Vを使っています。目に優しい自然光に近い光というのが特徴です。75mm角用はLEDモジュールを1個、150mm角用は2個連結して使います。

https://akizukidenshi.com/catalog/g/gM-15933/

2023.04.02

赤外線温度計を作ろう

赤外線温度センサーがちょっと遊んでみようか、というレベルの値段になっているので講習会で使ってみました。

GY-906というモジュールでMelexis MLX90614という赤外線センサーが使われています。Web上の情報ではESFBAAというタイプのようですがGY-906の回路図が見つかりませんでしたので正しいかどうかはわかりません。Melexisからデータシートが公開されているので、ESFBAAが正しいとするとOperating Temperature Rangeは-40℃から85℃で、TO-39型ケース、3V動作(モジュール内で5V→3V変換)、シングルゾーン(視野が単一)、標準パッケージ(視野角90°)ということです。測定できる温度は-70℃から+380℃です。

Amazonでは HiLetgoで670円でした。

https://www.amazon.co.jp/gp/product/B071VF2RWM/ref=od_aui_detailpages00?ie=UTF8&psc=1

AliexpressではMT Technology Co., Ltd.でさらにいくらか安い$4.05でした。

https://ja.aliexpress.com/item/Free-Shipping-GY-906-MLX90614ESF-New-MLX90614-Contactless-Temperature-Sensor-Module-For-Arduino-Compatible/32465344732.html?spm=a2g0s.9042311.0.0.aeFeEN

I2Cですのでライブラリを追加して配線４本でOKです。UNOでは（Nanoでも同じですが、）SDAをA4、SCLをA5に接続します。

表示器も欲しいということになって、I2CのOLED Display Module 128X64も接続しました。これもAmazonの HiLetgoで420円でした。
https://www.amazon.co.jp/gp/product/B071ZPFDWW/ref=od_aui_detailpages00?ie=UTF8&psc=1

AliexpressではHwa Yeh Tech CO.,LTDでいくらか安い$3.00でした。表示器のライブラリはAdafruit_SSD1306を使用しました。ディスプレイへの表示用ライブラリAdafruit_GFXも合わせてインストールします。Adafruit_SSD1306を使う時には使用しているディスプレイの解像度に合わせてAdafruit_SSD1306.hのコメントアウトの行を変更する必要があります。行番号72からの数行を抜き出しましたが、下記が変更後です。

    ---------------------------------------------------------------------*/
   #define SSD1306_128_64
//   #define SSD1306_128_32
//   #define SSD1306_96_16
/*=======================================================================*/

---------------------------------------------------------------------*/

#define SSD1306_128_64

// #define SSD1306_128_32

// #define SSD1306_96_16

/*=======================================================================*/

講習会ではArduino Nano互換機を使いましたが、この記事を書いている今は手元にあったUno互換機を使っています。

この記事を書きながらセンサーの資料を見返していたら、放射率の補正が間違っていたことが分かりました。下のスケッチは訂正済みです。

//SSD1306 library by Adafruit Industries
//MLX90614 Temp Sensor library by Adafruit Industries. 

#include <Wire.h>
#include <Adafruit_GFX.h>
#include <Adafruit_SSD1306.h>
#include <Adafruit_MLX90614.h>

Adafruit_MLX90614 mlx = Adafruit_MLX90614();

#define OLED_RESET 4
Adafruit_SSD1306 display(OLED_RESET);

float TempEm(float Em, float TA, float TO); //コンパイルエラー回避のため
void dispTemp(float T0, float T1, float T2);//コンパイルエラー回避のため

void setup()   {                
  Serial.begin(9600);
  Serial.println("displayIrSensorEm_i2c_170815");
  display.begin(SSD1306_SWITCHCAPVCC, 0x3C);  // initialize with the I2C addr 0x3C
  mlx.begin();
  //Adafruit splashscreen
  display.display();
  delay(1000);
  display.clearDisplay();
  display.setTextSize(2);
  display.setTextColor(WHITE);
}


void loop() {
  float temp0=mlx.readAmbientTempC();
  float temp1=mlx.readObjectTempC();
  
  float temp2=TempEm(0.98,temp0,temp1);
  
  Serial.print("Sensor = ");
  Serial.print(temp0);
  Serial.print("deg(C)  ");
  Serial.print("Object = ");
  Serial.print(temp1);
  Serial.print("deg(C)  ");
  Serial.print("CorrectedObj = ");
  Serial.print(temp2);
  Serial.println("deg(C)");

  dispTemp(temp0,temp1,temp2);

  delay(500);
}

void dispTemp(float T0, float T1, float T2){
  display.clearDisplay();
  display.setCursor(5,5);
  display.print("Snr= ");
  display.println(T0);
  display.setCursor(5,25);
  display.print("PBk= ");
  display.println(T1);
  display.setCursor(5,45);
  display.print("Obj= ");
  display.println(T2);
  display.display();
}

float TempEm(float Em, float TA, float TO){
  TA=TA+273.15;
  TO=TO+273.15;
  float T=TO*TO*TO*TO/Em+TA*TA*TA*TA*(1-1/Em);
  float Temp=sqrt(sqrt(T))-273.15;
  return Temp;
}

//SSD1306 library by Adafruit Industries

//MLX90614 Temp Sensor library by Adafruit Industries.

#include <Wire.h>

#include <Adafruit_GFX.h>

#include <Adafruit_SSD1306.h>

#include <Adafruit_MLX90614.h>

Adafruit_MLX90614 mlx = Adafruit_MLX90614();

#define OLED_RESET 4

Adafruit_SSD1306 display(OLED_RESET);

float TempEm(float Em, float TA, float TO); //コンパイルエラー回避のため

void dispTemp(float T0, float T1, float T2);//コンパイルエラー回避のため

void setup() {

Serial.begin(9600);

Serial.println("displayIrSensorEm_i2c_170815");

display.begin(SSD1306_SWITCHCAPVCC, 0x3C); // initialize with the I2C addr 0x3C

mlx.begin();

//Adafruit splashscreen

display.display();

delay(1000);

display.clearDisplay();

display.setTextSize(2);

display.setTextColor(WHITE);

}

void loop() {

float temp0=mlx.readAmbientTempC();

float temp1=mlx.readObjectTempC();

float temp2=TempEm(0.98,temp0,temp1);

Serial.print("Sensor = ");

Serial.print(temp0);

Serial.print("deg(C) ");

Serial.print("Object = ");

Serial.print(temp1);

Serial.print("deg(C) ");

Serial.print("CorrectedObj = ");

Serial.print(temp2);

Serial.println("deg(C)");

dispTemp(temp0,temp1,temp2);

delay(500);

}

void dispTemp(float T0, float T1, float T2){

display.clearDisplay();

display.setCursor(5,5);

display.print("Snr= ");

display.println(T0);

display.setCursor(5,25);

display.print("PBk= ");

display.println(T1);

display.setCursor(5,45);

display.print("Obj= ");

display.println(T2);

display.display();

}

float TempEm(float Em, float TA, float TO){

TA=TA+273.15;

TO=TO+273.15;

float T=TO*TO*TO*TO/Em+TA*TA*TA*TA*(1-1/Em);

float Temp=sqrt(sqrt(T))-273.15;

return Temp;

}

赤外線温度センサーMelexis MLX90614は5.5μmから14μmの波長域の赤外線を受光して、赤外線で加熱された受光面の温度を多数の熱電対で測定して赤外線の量を求めているようです。赤外線を放出している物体は黒体(放射率=1.0)と仮定して、センサーの温度測定値も用いて、測定対象の温度を推定しています。実際は物体の表面によって放射率は異なり(1よりも小さくなる)、放射率の低い金属表面を測定した場合は黒体に比べて赤外線の放出量が少ないので測定結果は実際の表面温度よりも低い値を出力します。

MLX90614に内蔵されたEEPROMに測定対象の放射率を書き込んで補正した結果を出力するように設定することができます。しかしながらライブラリでは対応していないことと、書き込むためには通信エラー検出用のPEC値も書き込む必要があり、かなり面倒みたいなので、Arduinoのプログラムで補正をすることにしました。放射率E(0~1.0)と、センサー温度(K) Tsnr、測定対象の温度(K) Tact、赤外線量から推定した温度(K) Tmeasの関係式がMelexis社の資料に書かれています。

https://www.melexis.com/en/documents/documentation/application-notes/application-note-mlx90614-changing-emissivity-setting

放射率が分かっていればこの関係式を使って測定対象の温度に変換することができます。

実際の表面の放射率は分からないことが多いので、熱電対等で実測して赤外線センサーでの測定値がその値を示すように放射率で調整する使い方になるようです。

2017.08.15

「おしゃべり伝言パック」を組み立てる会(2017年2月18日)

— 難しいことは置いといて、電子工作を始めよう —
電子工作　冬のイベント(２月１８日土曜日)@オガール２階
<<事前申し込みが必要です。>>
オガールのITサポートまで直接申し込みに来ていただくか、下記までメールをお願いします。
info@go-forward-japan.org
会費は1000円の予定です。出来上がった「おしゃべり伝言パック」は持ち帰って活用してください。

ベースはサウンドボトルです。マイクを取り外すのは難しいのでパックを開けて録音します。

サウンドボトルの記事と重複しますが、部品リストを書いておきます。
ISD1820 音声録音再生モジュール
 Arduino Nano互換機
 超音波距離センサー
USBポート付き充電用電池ボックス(100円ショップのCan Do（キャンドゥ）)
USB(Mini-B)ケーブル
ブレッドボード
ワイヤー、ピン、ランチパック
中国直送は春節の影響なのか軒並み在庫なしの表示(170125現在)です。私が注文した分は発送済みなので来週届く予定です、多分。

ランチパックにしたのは中の構造が見えると楽しい気がするからです。加工が楽で値段が安くて言うことなしです。

int Trig = 8;
int Echo = 9;
int Duration;
float Distance;
int Sound = 10;

void setup() {
  Serial.begin(9600);
  pinMode(Trig,OUTPUT);
  pinMode(Echo,INPUT);
  pinMode(Sound,OUTPUT);
}

void loop() {
  digitalWrite(Trig,LOW);
  delayMicroseconds(1);
  digitalWrite(Trig,HIGH);
  delayMicroseconds(11);
  digitalWrite(Trig,LOW);
  Duration = pulseIn(Echo,HIGH);
  if (Duration>0) {
    Distance = Duration/2;
    Distance = Distance*340*100/1000000; // ultrasonic speed is 340m/s = 34000cm/s = 0.034cm/us 
    if(Distance < 100){
      digitalWrite(Sound,HIGH);
      delay(50);
      digitalWrite(Sound,LOW);
    }
    Serial.print(Duration);
    Serial.print(" us ");
    Serial.print(Distance);

    Serial.println(" cm");
  }
  delay(500);
}

int Trig = 8;

int Echo = 9;

int Duration;

float Distance;

int Sound = 10;

void setup() {

Serial.begin(9600);

pinMode(Trig,OUTPUT);

pinMode(Echo,INPUT);

pinMode(Sound,OUTPUT);

}

void loop() {

digitalWrite(Trig,LOW);

delayMicroseconds(1);

digitalWrite(Trig,HIGH);

delayMicroseconds(11);

digitalWrite(Trig,LOW);

Duration = pulseIn(Echo,HIGH);

if (Duration>0) {

Distance = Duration/2;

Distance = Distance*340*100/1000000; // ultrasonic speed is 340m/s = 34000cm/s = 0.034cm/us

if(Distance < 100){

digitalWrite(Sound,HIGH);

delay(50);

digitalWrite(Sound,LOW);

}

Serial.print(Duration);

Serial.print(" us ");

Serial.print(Distance);

Serial.println(" cm");

}

delay(500);

}

組み立て終わって一通り楽しんだら、レーザーカッターでケースを自作する楽しみも残してあります。ケースはスピーカーボックスを兼ねますから私はバスレフ型を考えたいなと思っています。

サウンドボトル

去年購入して手をつけていなかった音声録音モジュールを使ってみたら意外に機能がしっかりしているので「お客さんが近づくと声をかける」サウンドボトルを作ってみました。ヨーグルトの空きボトルでスピーカーボックスを作ったのでしっかりした音量で再生します。音質は誰が録音したのかわかる程度に良い音です。

モジュールにはマイクがハンダ付けされていたので取り外してボトルに取り付けました。マイクを外した時に基板のパターンも剥がれて、それを修復するのに苦労しましたのであまりお勧めしません。

主な部品
ISD1820 音声録音再生モジュール　169円
Arduino Nano互換機　330円
超音波距離センサー　164円
USBポート付き充電用電池ボックス(100円ショップのCan Do（キャンドゥ）)
タクトスイッチ、ブレッドボードなど

動作
タクトスイッチを押しながらマイクに向かって最長10秒録音する。物体が75cmよりも近づくと録音してある音声を再生する。

スケッチ

int Trig = 5;
int Echo = 6;
int Duration;
float Distance;
int Sound = 4;
int DistNear = 75;
boolean SenseNear=LOW;
int farCount=3;
int ResetNear=3;
int RecSW = 2;
int Rec = 3;

void setup() {
  //Serial.begin(9600);
  pinMode(Trig,OUTPUT);
  pinMode(Echo,INPUT);
  pinMode(Sound,OUTPUT);
  pinMode(RecSW,INPUT_PULLUP);
  pinMode(Rec,OUTPUT);
}

void loop() {
  while(digitalRead(RecSW)==LOW){
    digitalWrite(Rec,HIGH);
    delay(10);
  }
  digitalWrite(Rec,LOW);
  
  digitalWrite(Trig,LOW);
  delayMicroseconds(1);
  digitalWrite(Trig,HIGH);
  delayMicroseconds(11);
  digitalWrite(Trig,LOW);
  Duration = pulseIn(Echo,HIGH);
  
  if (Duration>0) {
    Distance = Duration/2;
    Distance = Distance*340*100/1000000; // ultrasonic speed is 340m/s = 34000cm/s = 0.034cm/us 
    if(Distance < DistNear && SenseNear== LOW){
      digitalWrite(Sound,HIGH);
      delay(50);
      digitalWrite(Sound,LOW);
      SenseNear = HIGH;
      farCount=ResetNear;
    }
    else if (Distance >= DistNear && SenseNear== HIGH){
      farCount--;
      if(farCount<=0){
        SenseNear = LOW;
      }
    }
    /*
    Serial.print(Duration);
    Serial.print(" us ");
    Serial.print(Distance);
    Serial.println(" cm");
    */
  }
  delay(500);
}

int Trig = 5;

int Echo = 6;

int Duration;

float Distance;

int Sound = 4;

int DistNear = 75;

boolean SenseNear=LOW;

int farCount=3;

int ResetNear=3;

int RecSW = 2;

int Rec = 3;

void setup() {

//Serial.begin(9600);

pinMode(Trig,OUTPUT);

pinMode(Echo,INPUT);

pinMode(Sound,OUTPUT);

pinMode(RecSW,INPUT_PULLUP);

pinMode(Rec,OUTPUT);

}

void loop() {

while(digitalRead(RecSW)==LOW){

digitalWrite(Rec,HIGH);

delay(10);

}

digitalWrite(Rec,LOW);

digitalWrite(Trig,LOW);

delayMicroseconds(1);

digitalWrite(Trig,HIGH);

delayMicroseconds(11);

digitalWrite(Trig,LOW);

Duration = pulseIn(Echo,HIGH);

if (Duration>0) {

Distance = Duration/2;

Distance = Distance*340*100/1000000; // ultrasonic speed is 340m/s = 34000cm/s = 0.034cm/us

if(Distance < DistNear && SenseNear== LOW){

digitalWrite(Sound,HIGH);

delay(50);

digitalWrite(Sound,LOW);

SenseNear = HIGH;

farCount=ResetNear;

}

else if (Distance >= DistNear && SenseNear== HIGH){

farCount--;

if(farCount<=0){

SenseNear = LOW;

}

Serial.print(Duration);

Serial.print(" us ");

Serial.print(Distance);

Serial.println(" cm");

}

delay(500);

}