ブレッドボードで自作する簡易水平器 (Arduino)
(2017/01/24 02:07:01)
作品の簡単な説明
スマートフォン等に内蔵されている加速度センサを利用したよくあるアプリケーションとして、マトリクス LED を用いた水平器を作ってみます。マトリクス LED の光点を水平器の気泡に見立てます。ブレッドボードを傾けると光点が泡のように移動します。
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必要なパーツ

Arduino の電源は USB 経由で PC から供給します。必要なパーツは以下のとおりです。

回路図

Uploaded Image

http://schematics.com/project/water-leveling-matrix-led-47590/

マトリクス LED の制御

秋月の商品ページに記載されているリンク画像にあるとおり、OSL641501-ARA には 8 本の入力端子と 8 本の出力端子があります。HIGH 状態の入力端子と LOW 状態の出力端子が交差する箇所に存在する LED が点灯します。赤色 LED における電圧降下が約 1.9V だとすると、LED を一つだけ点灯させた場合に流れる電流は (5V - 1.9V) / 180Ω = 17.2mA となりますので、Arduino UNO のデジタル入出力ピン 0-13 はそれぞれ 20mA を越える電流を流せないことを考慮すると、同時に点灯できる LED は一つになってしまいます。そこで、トランジスタを 8 個内蔵したトランジスタアレイ TD62083APG を利用して、流れ出る電流は GND に直接流れるようにします。マトリクス LED 出力側のピンに接続された Arduino のピンは電流を流すかどうかをスイッチング制御する目的で利用します。これで 1 行すべてを同時に点灯できるようになりました。更に、ある一行だけを点灯させた状態を各行について順々に繰り返すダイナミック点灯で制御することを考えます。人間の目の残像効果があるため、高速に制御することで、全行が異なるパターンで同時に点灯しているように見えます。これで 8x8 = 64 LED をすべて制御できることになります。

今回は簡単のため、アナログ入力ピンをデジタル入出力ピンとして使用することはせず 0-13 の 14 ピンだけを用います。そのため 8 + 8 = 16 ピンに不足します。最上位の行と最下位の行は制御しないことにします。水平器の作成が目的ですので、大きな問題にはなりません。

また、今回の制御プログラムでは同時に点灯させる LED は最大で一つであることが保証されるため、実はトランジスタアレイを使用する必要がありません。将来的に文字等の記号を表現したくなることを想定して設置しています。

加速度センサからの値の取得

KXR94-2050 をモジュール化した秋月の商品を利用すると、アナログ入力ピンに接続するだけで簡単に 3 軸それぞれの加速度が読み取れます。高校の物理で学んだとおり、高速に基板を振り回したりしない限りは地球上で観測できる加速度は重力加速度だけです。そのため、水平に設置すると X 軸および Y 軸は 0g となり、Z 軸は 1g となります。データシートに記載のあるとおり、KXR94-2050 を 5V で動作させると、0g は 2.5V となり 1g 毎に +1V 出力電圧が変化します。範囲としては 0.5V-4.5V の -2g から +2g を測定できます。Arduino UNO の A/D 変換の分解能は 10 ビットですので 0-1023 の範囲で analogRead できます。

今回は特に -0.5g から +0.5g の範囲を水平器で測定することにします。計算すると以下のような対応関係になります。

-0.5g -> 2.0V -> 409.6
+0.5g -> 3.0V -> 614.4

制御プログラム

410 から 614 の範囲をマトリクス LED の行列に比例対応させて点灯するように制御します。

const double A = 409.6;
const double B = 614.4;

const int convX[] = {0,1,7,2,6,4};
const int convY[] = {11,12,10,9,13,8};

void setMatrixLed(int k, int l) {
  for(int i = 0; i < 14; ++i) {
    digitalWrite(i, LOW);
  }
  digitalWrite(convX[k], HIGH);
  digitalWrite(convY[l], HIGH);
  delay(100);
}

void setup() {
  // デジタル入出力用の PIN 0-13 を初期化
  for(int i = 0; i < 14; ++i) {
    pinMode(i, OUTPUT);
    digitalWrite(i, LOW);
  }
}

void loop(){
  // 2 軸の加速度を取得 (z 軸は今回は使用しません)
  int x = analogRead(A0);
  int y = analogRead(A1);

  int k = min(max(0, (x - A) / (B-A) * 5), 5);
  int l = min(max(0, (y - A) / (B-A) * 5), 5);
  setMatrixLed(k, l);
}