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私は温室で蘭を栽培していますが、蘭は栽培場所の明るさには結構、敏感です。
直射日光では傷んでしまうので、強めに遮光してあります。
試行錯誤で明るさを微調整して、調子の良い明るさを掴んでおく必要があります。
温室内は明るさが一様ではなく、場所により、かなり異なります。
これは、温室の構造によるもので、部分的に微調整するのは困難です。
また、植物の方も明るさの好みが品種により異なるので、適した場所に、適した植物を置くようにしています。
以上の理由で、栽培場所の明るさを計る照度計が必要になってきます。
以前、２ＣＨの照度を記録する記録計を製作したことがありますが、少々大型で、取り扱いが簡便ではないので
単純なハンディータイプの照度計を製作しました。
まず、照度の計測範囲を決めます。
明るい方は、真夏の屋外の照度を測れる必要があります。
真夏の屋外の照度は１０万Ｌｕｘ程度ですので、１０ｂｉｔのＡＤ変換値を１００倍してＬｕｘ値とします。
あとは、校正の時、正しい値となるようにアンプのゲインを合わせれば良いだけです。
センサーとするフォトダイオードは広い範囲で照度と光電流が比例関係にあるので、１点で合わせれば良いので簡単です。
低照度側ですが、昼間の明るさが１０００Ｌｕｘ以下では生育出来ないので、大体、この辺りが計れればよいのですが、
分解能１００Ｌｕｘでは、やや精度が不足の為、１０倍のアンプを付け、分解能を１０Ｌｕｘにしています。
１万Ｌｕｘを境界として、低照度レンジと高照度レンジに自動で切り換えます。
照度は絶えず微妙に変化するので、ホールド釦で表示をホールド出来るようにしました。
次に電源ですが、単三電池２本とします。
電源の入り切りは一つのプッシュ釦で行います。
電源を入れたままにすると２分間でオートパワーオフとなります。
ホールド釦を操作すると、その都度２分間延長されます。
電池電圧が２Ｖ（２本で）になると、電圧低下のサインを出します。
電池電圧が１．８Ｖになると電池交換のサインを出します。
センサーは手持ちにあったシャープのフォトダイオードＢＳ５２０を使いました。
このダイオードは製造中止で、現在、入手出来ません。
秋月の照度計キットで使われているらしいのですが、現在も使われているか不明です。
条件が合えば何のフォトダイオードでも良いと思います。
条件とは
・ 波長に対する感度を人間の視覚に合わせたフィルターが付いている事
・ 広い照度範囲で光電流がリニアであること
・ 周囲温度の影響が少ないこと
です。
フィルターに関しては、私の用途では「植物の視覚に合わせたフィルター」が本当は必要なのかもしれませんが、
これは困難ですし、照度の定義そのものが人間の視覚基準ですので、深く考えないことにします。
ここで説明するフィルターは上記で説明したフォトダイオード内蔵の視覚補正フィルターではなく、
外部に付ける減光フィルターです。
全ての波長を均等に減光します。
ＢＳ５２０のデータは最大１０００Ｌｕｘまでしか記載されていません。
秋月の話では１０倍の１００００Ｌｕｘまで直線性があるということですが、詳細は不明です。
いずれにせよ、実用性のある照度計を製作する為には減光フィルターは必須です。
最も簡単な方法は露出計の平面受光板を購入して取り付ける事です。
以前、ミノルタから購入した事がありますが、ミノルタは写真器材から撤退しています。
現在はケンコーで露出計のアクセサリーとして販売されているようですので、これを購入するのも手です。
ただし、定価２５００円と少々値が張り、取り寄せとなります。
実は今回も近くのカメラ屋さんに注文しに行ったのですが、カメラ屋さんが無くなっていました。
今日では「街のカメラ屋では」生活出来ない様です。
別のカメラ屋さんを探して注文する事も考えましたが、面倒で日数も掛かるので、そのままホームセンターに行き
乳白アクリル板を購入してフィルターを自作する事にしました。
２ｍｍの板を４枚重ねて、やっと平面受光板に近い減光となりました。
尚、アクリル樹脂は耐候性に関してはピカイチです。
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ＣＰＵはＰＩＣ１８Ｆ１３２０を使いました。
スペースの関係で、電源基板とＣＰＵ基板に分けています。
回路図で大きめの接続点は半田付けでリード線を引き出した個所です。
フォトダイオードは単独で別のケースに密閉してあります。
このようにしないと感度調整が面倒になります。
感度の調整範囲を非常に大きく取ってありますが、製作したフィルターの遮光率がどの位になるか不明だった為です。
電源は単三電池２本をＨＴ７７５０Ａで５Ｖに昇圧しています。
さらにＯＰアンプ用の負電圧をチャージポンプで作っています。
今回の回路では単電源のＯＰアンプは使えません。
単電源のＯＰアンプは０Ｖを入力出来るのですが、０Ｖを出力出来ません。
数ミリＶの飽和電圧が存在します。
これを２段目のアンプで１０倍に増幅すると数十ｍＶの電圧となってしまいます。
ＨＴ７７５０Ａは強烈なリップルノイズを発生します。
チャージポンプも大きなリップルノイズを発生します。
センサーの微弱な光電流を増幅するには、かなり支障があるので、厳重にリップルを除いています。
小容量の電解コンデンサをパラにしているのは基板の高さ制限の為です。
入力電流は２０ｍＡ以内ですので、電池は長持ちすると思います。
フォトダイオードの小電流を増幅するには一般的にはバイアス電流の小さなＣＭＯＳのＯＰアンプを使います。
しかしながら、ＣＭＯＳのＯＰアンプはオフセット電圧が大きいのでオフセット補正をしなければなりません。
今回はバイポーラの高精度ＯＰアンプＬＴ１１１２を使ってオフセット補正を省いています。
ＬＴ１１１２はバイポーラ構造にもかかわらず、入力バイアス電流が数十ピコアンペアであるので、今回の用途には
十分、使えます。
ただ、電源が汚いとオフセットが浮いたりして本来の性能が出ません。
尚、ＬＴ１１１２は±入力間にクランプダイオードが入っています。
この為、最大差動入力電圧の定格は有りませんが、代わりに最大作動入力電流の規定があります。
すなわち、クランプダイオードに流せる電流の最大値であり、１０ｍＡと、あまり大きな値ではありません。
性能と引き替えに強度が弱くなっていると言えます。
ＯＰアンプは通常の動作では±入力は、ほぼ同電位ですので、クランプダイオードに電流が流れることはありません。
しかし、今回の回路では２段目が飽和する確率が高く、この場合、クランプダイオードに電流が流れます。
また、配線間違いや、調整中の事故で電流を流してしまう可能性もあるので多少は配慮します。
ゲイン切り換えは本来、初段のフィードバック抵抗を切り換えて行うのですが、リーク電流の影響が無視出来ないので
アナログスイッチが使えません。
手動スイッチで切り換えるのは配線が面倒だし、リードリレーはスペース、コスト、電力の面で難があります。
結局、２段目に１０倍のアンプを付け、１段目、２段目の電圧を読み代えることによりゲイン切り替えを行いました。
ただし、この方法では初段のオフセット電圧が２段目で１０倍されてしまいます。
結果的には、１０倍されても１ｍＶ以下で、１ＬＳＢ以下でした。
これは、高精度ＯＰアンプの、お陰です。
ＡＤ変換の基準電圧は何Ｖでも構いません。
どのみち、可変抵抗で合わせ込みをする為です。
電圧は高いほど有利ですが、ＯＰアンプの最大出力電圧よりは低くする必要があります。
ファームウエアのダウンロード （ＺＩＰ圧縮されています。）
開発環境はＭＰＬＡＢ Ｖｅｒ８．３６／Ｃ１８ Ｖｅｒ３．３１（評価版です。）
いずれも、マイクロチップのサイトからダウンロードしたものです。
ソフトウエアは電圧をA/D変換して表示するだけですので、簡単です。
興味のある人はダウンロードしてください。
プロジェクトファイルは含んでいないので、手持ちのＣ１８でプロジェクトを新規作成し、ソースファイルとヘッダファイルを
組み込み、コンパイルしてください。
ａｄｃｏｎｖ．ｃ
A/D変換ルーチンです。
組み込み関数は使っていません。
計測は電池電圧、照度高、照度低の３ＣＨです。
計測は８ｍＳに１回、上記の順で行い、これを３２回繰り返します。
照度はレンジにかかわらず、常に高、低、両方ＡＤ変換します。
８ｍＳ×３ＣＨ×３２回＝７６８ｍＳで表示を更新しています。
変換値は３２回の平均を取っています。
ｃｎｆ１３２０．ｃ
ＰＩＣ１８Ｆ１３２０のコンフィギュレーションが書かれています。
デホルトのままで良いところは記述しなくても良いのですが、あえて全項目、記入しています。
ＰＩＣの場合、コンパイラやアセンブラの予約語は統一されているのですが、コンフィギュレーションのキーワードは
チップ毎に表現が異なるようです。
マイクロチップにチップ毎のコンフィギュレーションを記したＰＤＦファイルがあるので、これのダウンロードは必須
です。
ファイル名はＣ１８＿Ｃｏｎｆｉｇ＿Ｓｅｔｔｉｎｇｓ＿＊＊＊＊．ＰＤＦ（＊＊＊＊はバージョン）です。
２０１１年２月現在、チップ別のコンフィギュレーションの詳細説明はＭＰＬＡＢの最新版 v8.63 の
ヘルプファイルに組み込まれています。
今まで、コンフィギュレーションを説明していたＰＤＦファイルは廃止されました。
項目の個々の内容はデータシート等で確認します。
ｄｉｓｐｌａｙ．ｃ
A/D変換結果から電池電圧、照度の表示データを作成し、表示します。
ホールドは表示の更新をパスするだけです。
電池電圧が２Ｖ（２本で）になると、表示器の１５文字目の位置に「ＶＬ」と表示されます。
電池電圧が１．８Ｖになると表示が「ＶＸ」となります。
ｌｃｄｌｉｂ４ｌ．ｃ
液晶表示のサブルーチンです。
ストローブパルス（Ｅ）は最小パルス幅の規定があります。
ＣＰＵクロックの周波数を高くすると、最小値を満足しない可能性があるので、ＮＯＰを二つ入れてあります。
それから、ＰＩＣの特徴として、プログラムメモリとデータメモリのアドレス空間が異なります。
従って、文字列を表示するとき、文字列がＲＯＭにあるのかＲＡＭにあるのか分けて考える必要があります。
ＲＯＭ空間とＲＡＭ空間ではポインターに互換性がありません。
今回はＲＯＭ用の関数とＲＡＭ用の関数を２つ作りました。
一旦、ＲＡＭにコピーするという方法もあると思います。
ピンアサインはヘッダファイルで記述しています。
今回、１６文字１行のキャラクタディスプレーを初めて使用しましたが、今までのサブルーチンをそのまま使っています。
ただし、表示アドレスが８文字目と９文字目で連続していません。
例えば行頭から１０文字の文字列を送っても、８文字しか表示されません。
９文字目は、再度、９文字目のアドレスをセットする必要があります。
アドレス指定は呼び出し側の問題ですので、サブルーチンとしては以前と同じです。
ｍａｉｎ．ｃ
メインルーチンです。
電源釦をオンすることによりスタートします。
初期化、電源出力の自己保持をした後、メインループを回ります。
メインループでは照度の計測と表示を行います。
計測中に再度、電源釦を押すと電源が切れます。
又、通電開始から２分経過すると自動で電源が落ちます。
ホールド釦を押すと表示値を保持します。（トグル動作）
また、ホールドで２分の電源タイマーがクリアされ、通電時間が延長されます。（さらに２分間）
ホールド状態の時は１１文字目の位置に”ＨＬＤ”と表示されます。
ｔｉｍｅｒ．ｃ
ソフトウエアタイマーのサービスルーチンです。
Ｔ１割り込みを１ｍＳ間隔で発生させタイムベースとしています。
設定時間は１ｍＳ単位で、最大１分程度です。
タイマー１個につきＲＡＭ４バイトを消費します。
メモリの許す限り、何個でも使用できます。（予め登録しておきます。）
タイマー起動関数に引数として、タイマー番号とタイマー時間を与えて開始させ、他の処理に飛ばします。
タイムアウトはポーリングでチェックします。
尚、ＣＣＰ１割り込みはＡＤ変換を自動的にスタートさせてしまうので都合が悪いです。
これはＣＣＰが一つしかないチップに共通の問題です。
ｇｌｏｂａｌ．ｈ
複数のファイルから参照される変数、関数、型の宣言を行っています。
照度計
照度計内部
校正には校正済みのの照度計が必要です。
私は、写真撮影に使う露出計（フラッシュメーター）を使用しました。
この露出計は定常光も計れるので、これを利用しました。
ただし、測定値はＥＸ値で表示されるので、これを照度に変換しなければなりません。
Ｌｕｘ＝２．５＊２＾ＥＸの計算式で換算できます。
尚、露出計のＡＳＡは１００にしておきます。
いちいち計算するのは面倒なので、予めエクセルで換算表を作っておきました。
校正済みの照度計を借用出来る場合は、数値をそのまま比較し、同じ値になるようＶＲを調整するだけです。
別の露出計が無い時は天候に合わせて、おおよその感度合わせをします。
真夏の雲一つない快晴の日の正午を１０万ルックスとします。
真冬の雲一つない快晴の日の正午を５万ルックスとします。
尚、照度計は水平に置きます。
太陽に向ければ、もっと大きな値を示してしまいます。
私の使い方では、少しくらい感度がずれていても、相対的な比較が出来ます。
すなわち、屋外の照度を測定し、温室内が、屋外の何分の一になっているかを掴みます。
私の温室では明るい場所で１／４、暗い場所で１／１６位です。
勿論、正確な照度が計測できるのに越したことはありません。
ＢＳ５２０
Ｓ１７８７−０４
シャープＢＳ５２０は照度計に使用出来る高精度のフォトダイオードです。
私は秋月の照度計キットに使われているのを見て存在を知りました。
それからインターネットで販売している会社を探し、何個か購入しておきました。
これは、かなり前のことで、現在はＢＳ５２０が生産中止で入手出来ません。
私は当時購入した在庫品を使用したのですが、代替え品を探さなければ製作記事としてまずいと気にしていました。
ところが、この記事をアップしてから１年半以上経過した２０１２年７月に、秋月で浜松ホトニクスのＳ１７８７−０４が
販売されているのを発見しました。
ＢＳ５２０と、ほぼ同特性ですのでゲインを合わせ込めば、そのまま使用出来るとおもいます。
単に照度計が動作するのを確認するだけなら、もっと安いフォトダイオードでも十分ですが、計測データを取りたいときは
照度計に使えると明記されたセンサーを使用した方が賢明です。
ＢＳ５２０にしてもＳ１７８７−０４にしても
・ 可視光に合わせた帯域フィルタ（光学的）が取り付けられている。
・ 光電流のダイナミックレンジが広く、温度係数が小さい。
・ 側面や底面からの光線が入らないような構造になっている。
・ 取り付け面に平行（水平）に精度良く設置できる。
等の特徴があります。