■小型LCDキャラクタ・ディスプレイ・モジュールをArduinoで使う（4）SPIインターフェースのK型熱電対で温度を測定する（その１）

　150℃くらいまではLM35DZの半導体温度センサで温度の測定ができます。それ以上の温度を測定するためには、熱電対が便利です。今までも、スイッチサイエンスから販売されている熱電対センサ・モジュールとArduinoでろうそくの炎の温度やパン焼きやロースト・ビーフを焼くオーブンの温度を測定しました。今回から、数回にわたってSPIインターフェースの熱電対モジュールによる温度測定を行います。

●利用するK型熱電対モジュール
　現在、スイッチサイエンスからは、2種類のチップで電源電圧の違いも含めて次のような3種類のモジュールが販売されています。

　現在は、小さな部品は実装されているので、コネクタやピンヘッダをはんだ付けするだけで利用できます。(1)MAX6675のチップのモジュールは、発売当初はICチップとコンデンサははんだ付けしなければなりませんでした。ピン間1.27mmのハーフ・ピッチのはんだ付けを気合を入れてやってみたら、案外すんなりできてしまいました。今回は(1)のMAX6675を利用したモジュールで話を進めていきます。

●データの受け渡しをするインターフェースはSPI
　このモジュールのインターフェースはSPIで、Arduinoの標準ライブラリで熱電対モジュールから温度を読み取ることができます。
　SPIインターフェースはArduinoがマスタになり、センサなどのスレーブとの間で、4本のラインがあります。

• マスタ主導でマスタからスレーブへの信号線（MOSI）
• スレーブからマスタへの信号線（MISO）
• 送受信データのタイミングを制御するマスタから送出されるクロック信号(SCK)
• スレーブを選択する信号線（/SS）

　これらの信号線が送受信の基本となる信号線です。
　Arduino Uno のSPIインタフェースは、次のディジタル・ポートに割り当てられています。複数のスレーブがある場合、個別にそれぞれのスレーブをイネーブルにするSS（Slave Select）がスレーブの数だけ必要になります。

　　　　
　Arduino Uno以後のボードはこれらと異なった接続になります。SPIの詳しい説明は別の機会に行います。拙著の「Arduinoで計る,測る,量る: 測定したデータをLCDに表示,SDカードに記録、無線/インターネットに送る方法を解説 (マイコン活用シリーズ) 」（CQ出版）の第7章でこのMAX6675のモジュールの説明を行っています。

●モジュールMAX6675の電源供給
　このモジュールの電源の供給は少しトリッキで、ディジタル・ポート9にLOWを出力してGNDとしディジタル・ポート8番をHIGHにして5Vの電源の供給を行っています。
　そのため、次に示すようにモジュールのピンヘッダは、Arduinoのディジタル・ポート13から8に挿し込むように6ピン分をはんだ付けします。

　11番ピンはMOSIでマスタ（Arduino）からスレーブ（MAX6675モジュール）への信号線です。今回はMAX6675はMOSIの端子がなくマスタからスレーブへはデータ送信は行いませんから、信号線も省略されて接続されてません。
　このモジュールは、5V電源ですのでArduino Uno、Arduino Leonardoなどの5V電源のArduinoにはそのまま直接、ピンソケットに挿し込んで利用できます。

●MAX6675を利用するプログラム
　今回は、書籍「Arduinoで計る、測る、量る」の第7章で利用したard70101.insをそのまま前回のLM35DZの温度をLCDモジュールに表示したプログラムに追加し、LCDキャラクタ・ディスプレイにLM35DZの温度とMAX6675から読み取った温度を共に表示するようにします。

●SPIライブラリの利用方法
　SPIライブラリを利用して、SPI通信を行う最もシンプルな方法を次に示します。
◆SPIライブラリの初期化
　SPI.begin()関数でSPIライブラリの初期化を行う。setup()関数内で最初に行う。
◆通信を行う
(1) digitalWrite(SS,LOW); でSPIモジュールを選択する
(2) SPI.transfer()関数に送信データをセットして関数を実行すると、送信データがスレーブに送られ、スレーブから送られてきたデータが関数の戻り値として得られる。
　送信のみで受信データが必要ないときも、スレーブからダミー・データが送られてくる。スレーブからの受信のみで、送信の必要がないときでも送受信のためにデータの送出が必要なので0xFFなどのダミー・データをセットしてSPI.transfer(0xFF)の命令を実行し関数の戻り値として受信データを得る
(3) 送受信の必要回数、バイト数分繰り返す
(4) digitalWrite(SS,HIGH);を実行してSPIモジュールとの通信をディセーブルにする

●MAX6675との通信プログラムの例
（「Arduinoで計る、測る、量る」第7章　ard70101.ins）
　ライブラリを利用するために次のヘッダ・ファイルの読み込みを指定する

　電源供給のディジタル・ポートの割り当て

　16ビットの受信データを格納するための変数を定義

　電源のディジタル・ポートを出力ポートに指定

　5Vの電源を得るため出力をHIGHの設定

　マイナス側の電源の設定

　SPIライブラリの初期化

　MAX6675との通信をイネーブルにする

　ダミー・データを送信し、得られた受信データをrdataの上位バイトに格納、<<8で上位バイトに移動

　下位バイトを受信して、その結果を先に受信したデータが格納されているrdataと加算し16ビットの受信データを得る。

　MAX6675をディセーブルにする

　データ確認のためシリアル通信でPCに送信。

●温度データの取り出しと換算
　MAX6675からのデータの仕様は次のとおりです。

　ビット・アドレス3から14の12ビットのデータを取り出し、1ビット0.25℃ですので0.25倍した値が測定温度となります。最上位のビットは0ですので、データを3ビット右にシフトすると、12ビットの測定データが得られます。測定温度は、

で得られます。
　前回のLM35DZを用いた温度測定のプログラムに、以上の機能を追加したものを次に示します。

　LCDも、上段左にT=で熱電対で測定した温度を表示しました。
　実際にろうそくの炎の温度を測定している様子を次に示します。

　熱電対で測定した炎の温度は828℃、LM35DZで測定した室温は283.5mVで28.38℃を示しています。

<神崎康宏>

バックグラウンド

K型熱電対；熱電対には、K：クロメル-アルメル（約-200～＋1000℃）がポピュラですが、J、T、E、N、R、S、Bなど、JIS規格には用途や測定温度範囲の異なる種類があります。

ハーフ・ピッチ；ICの多くは0.1インチの間隔（ピッチ）でリード線が出ていました。0.1インチは2.54mmなので、1.28mmはその半分なのでハーフ・ピッチと呼びます。

SPIインターフェース；I2Cと並んで、マイコンの周辺デバイスとの通信でよく利用されるシリアル・インターフェースです。I2Cより制御線が1本多いですが、転送速度は高速です。

ビット・アドレス；

ディセーブル；disable。使用不可。反対はenable。

/SS；データシートでは、信号名の上に1本の線が描かれていると、負論理を表します。テキストで表現するとき、信号名の前にスラッシュを入れます。

マスタ、スレーブ；命令を出すほうをマスタ、それに答えるほうがスレーブです。インターフェースの規格によって、センサ・デバイスとマイコンの関係は、マスタが入れ替わることもあります。