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アナレンマの作画状況、2017年春分の日

 太陽電池の電圧から日の出、日の入り時刻を求め、太陽のアナレンマを描くことを試みています。この取り組みを始めたのが冬至の少し前で、それから3ケ月ちょっと過ぎて、ついに春分の日を迎えました。春分の日は地球の公転軌道の中間点なので、アナレンマにとっても重要なタイミングになります。

 とういうことで、現在のアナレンマの作画状況について見てみます。なお、アナレンマを作図する取り組みについては、
アナレンマを描く のカテゴリ にまとめています。興味のある方はご覧ください。

▼春分の日のアナレンマの作画状況
Ambientにプロット中のアナレンマ
 これはAmbientに描いているグラフです。左上から順に、日の出時刻、日の入り時刻、昼の長さ、南中時刻で、一番下がアナレンマのグラフになっています。

 同じデーターをローカルのPCのEXCELにもプロットしていますが、アナレンマのグラフは次のようになっています。

▼EXCELのグラフで書いたアナレンマ
アナレンマ
 スケールなどが細かく指定出来るので見易くなっています。(前半の一部のデーターはAmbientのグラフにはありません)

 ばらついていますが、下から反時計回りにプロットが進んでいて、現在は時計の1時の方向あたりです。ここまで3ケ月かかりましたが、だいぶアナレンマの図らしくなってきたと思います。とは言っても、この図をいきなり見た人はあまりピンと来ないと思います。そこで、

▼理論値との比較
理論値との比較
 青の点は実測値で、一つ上のグラフと同じデーターです。赤い点は天文台の暦のページで公開されている日の出、日の入り時刻から作図したアナレンマで、いわば理論値です。なお、この理論値のデータで書いたグラフもAmbientに公開しています。

 ともかく1年間プロットを続ければ、八の字のアナレンマの形が現われるはずです。

 理論値に対して実測値が右上にずれていますが、この理由は、
1) 太陽が地平線の下にあっても、空はもう(まだ)明るいので、昼の長さは暦のページより長くなる。つまりグラフは上にずれる。
2) 観測場所が西に開けた地形になっているので日没時刻が遅くなり、その結果南中時刻が遅くなってグラフが右にずれる。
 今思い付くのはこんなところです。

◆まとめ
 この先アナレンマはしばらく左上に進んで、その後小さく時計回りに弧を描くはずです。弧がてっぺんに到達するのは夏至の頃になるはずですが、その時にまたこのブログで振り返ってみたいと思います。八の字の上の丸がうまく表現できるかどうかが最大の関心事です。

 あと、この図を記録するためにはいろんな仕掛けが動いています。私が作ったのはそのほんの一部で、残りは社会インフラだったりボランティアの方が提供してくださっているサービスだったりします。そういうハードやソフトたちが無事に動き続けてくれることに感謝しないといけないです。

アナログ気圧計2号機、仕様検討

 3年前に作ったアナログ表示の気圧計がそろそろ 2回目の電池交換の時期を迎えます。

▼アナログ気圧計
アナログ気圧計一号機
 これを作ったのは2014年の1月で、最初の電池交換は2015年11月でした。新しい電池を入れると1年10ケ月は動くみたいなので、次の電池交換は今年の9月頃になると思います。

 ちなみに同じ物を作られたhiroさんから頂いたコメントによると、hiroさんとこでは3年弱動いたようです。hiroさんの気圧計はステップモーターの電流制限抵抗を低めに設定しているということで、うちより長い期間動くようです。

 話を戻します。うちの気圧計ですが、このまま何も改善対策をやらないまま 2回目の電池交換の時期を迎えるのは、ちょっと寂しい気がします。 それで、いったんは1号機を改造しようかと思ったのですが、手間はたいして変わらないのでもっと電池が長持ちするように改良した 2号機を作ることに決めました。

 1号機の経験を踏まえ、2号機には次のような機能を入れたいと思います。

1) 電池電圧に応じて時計の駆動パルスを調整
 電池電圧を測定し、電池のへたり具合に応じてスッテッピングモーターの駆動パルスを調整する機能を入れたいと思います。これまでは電池電圧が 4.1V くらいまで下がると動作がおかしくなってしまいましたが、この機能を入れれば 3.3V くらいまでは正常に動かすことが可能になるはずです。なお電源は単三電池 3本使用しています。つまり開始時の電源電圧は約 4.5V です。

2) 電池が空になった場合の表示
 これまでは、電池が減るとパルスモーターが脱調して変な値を表示していました。これでは測定器としてまずいので、電池が空になった場合は、何らかの表示を行って安全に停止させるようにしたいと思います。

3) 気圧センサーは MPL25H を使用
 1号機に使った気圧センサーの MPL115A2 は、もう秋月で手に入らなくなっているので、現在入手可能な MPL25H に変更します。

 これ以外に、CPUの消費電力を出来るだけ減らすためにクロックダウンなども行いたいと思います。こういう対策を行うことで、2号機は電池寿命3年以上を目指します。たぶんこれ以上省エネ化しても、電池の寿命の方が怪しくなるはずです。

 ということで方針は決めましたが、まずは表示に使う時計のメカが必要です。ということで、ダイソーに行って気圧計に改造しやすそうな物を買ってきました。

▼ダイソーのアナログ時計
二号機用の時計
 気圧計は丸形の方がしっくりくると思うので、今回はこれでいくことにします。ダイソーの商品名は、置き時計(VOLEVA) 285でした。ちなみに、これは目覚まし機能が無いものですが、この機能が無いと、歯車などの部品が少し減るので改造作業がちょっと楽になります。

▼ムーブメントを分解
ムーブメント

▼コイルに配線
コイルから線を引き出す
 ステッピングモーターのコイルを外部から駆動出来るように線を引き出します。時計の回路とつながったままで回り込みが発生してしまうので、基板のパターンを一か所切断しておきます。

▼歯車などを元の位置に戻して
改造完了
 フタを締めればムーブメントの改造は完了です。

▼外部パルス駆動の実験中
時計の駆動実験中
 Arduino UNO を使って時計のモーターの駆動条件を調べているところです。ステッピングモーターのローターの磁石の直径が大きかったので高速駆動は難しいかと思ったのですが、とりあえず10倍速くらいで正転/逆転できるようになりました。

 電源電圧 5V の駆動条件はほぼ決まったので、次は 3.3V の駆動条件の調査に移ります。そのためには Arduino UNO は使えないので他のボードを用意しないといけません。さて、どうするか。

 ということで作る過程を楽しみながら少しずつ進めていく予定です。たぶん途中で別の話題の記事が入ると思いますが、完成まで気長にお待ちください。

ESP32を動かして消費電流を測定

 前の記事でESP32を動かす準備が出来たので今回は実際に動かしてみます。動かし方にはいろいろあるようですが、一般的な、というか私にはこれしか出来ない Arduino の IDE でやってみます。

▼ESP32
ESP-32

 まずはArduino の IDE にESP32を登録する必要がありますが、その前に、IDE のバージョンを最新版に上げておきます。Arduinoをサポートする組織のゴタゴタがあって先行きが不透明だったので、うちのArduino IDEは1.6.5でバージョンアップを止めていたのですが、問題も片付いたようなので、バージョンアップするにはいい機会でしょう。

 とは言っても、普通にやると前のバージョンが消えてしまうので、後で何か困ることがあるかも知れません。ということで、古いバージョンを残してインストールする方法で最新版のArduino IDEをインストールしました。なお、今回インストールしたバージョンは1.8.3でした。

 バージョンアップした Arduino IDE にESP32を登録してやる必要があります。普通はIDEのボードマネージャから登録するのですが、まだ準備が出来ていないようなので、直接ファイルを追加する方法で登録します

◆ Arduino IDEへのCPUの登録
 先人の方が解説記事をいろいろ書かれているのでそれらを参考に登録作業を行います。
 rukihenaさんの書かれた、ESP32(ESP-WROOM-32)でLチカがたいへん判り易くて参考になりました。ありがとうございました。

 CPUの情報の登録先は、自分が使っているスケッチの保存先のフォルダを使い、以下の画面に示すパスに登録しました。MySchechesV16のフォルダがスケッチの保存先で、そこに \hardware\espressi\esp32 のフォルダを自分で切り、一連のファイルを保存します。

▼ESP32のファイルの登録場所
ESP32のハードウェア情報インストール先
 保存が終わったら \toolsの中のget.exeを実行して追加ファイルの入手を行いますが、そのあたりは参考にさせて頂いたサイトの解説通りです。

 話がちょっと脱線しますが、以前ボードマネージャから登録を行った ESP8266 のファイルの保存先を探してみると、以下の場所に入っていました。(人によって上位のフォルダ名は変わってくると思います)

▼ESP8266が保存されていた場所(参考)
ESP8266のハードウェア情報インストール

 CPUのハードウエア情報は、スケッチの保存フォルダ、ユーザーのアプリケーション情報フォルダ、Arduino IDEのプログラム保存フォルダの3か所があるようです。ライブラリについてもこんな感じだったと思います。(このあたりの情報はあまり自信がありません)

 ともかく設定が済めば Arduino IDE から ESP32 を動かすことが出来るようになります。プログラムの書き込みには、EN(リセット)と IO0 のスイッチを押し、その後ENを離した後、プログラムの書き込みが終わるまで IO0 を押し続ける必要があります。このあたりはちょっと面倒です。

2.WiFi Scan 実行結果
wifi scan
 Wifi Scanを実行した時のコンソール画面です。とは言ってもほとんど伏字になっていてすみません。
 
 ESP32 のプログラムについて語れるレベルにはありませんが、消費電流について、測定結果を少しまとめておきます。

▼電流測定用のゲタ
電流測定ゲタ
 左が、昔作ったATmega328の消費電流測定用のゲタです。1Ωのシャント抵抗が入っているので電流を簡単に測定出来ます。ESP32をATmega328とピンコンパチにしたおかげで、こういう便利な小道具が使えるようになりました。

▼ゲタを履かせる
ゲタを履かせる

▼Arduino (ユニバーサルの) に載せて動かす
消費電流測定
 大した周波数の信号では無いので、ミニオシロ (DSO Shell) が活躍してくれました。

 以下いくつか事例を見ていきます。

▼リセット(EN)からの電流の立ち上がり (WifiScan実行時)
WiFiScan実行の立ち上がり
 シャント抵抗は1Ωなので、50mVは50mAと読み替えることが出来ます。プログラムはExampleに入っていた WiFi Scanが走っています。

 内部回路が順番に活性化されているのでしょうか、段階的に電流が上がって行って、最終的には130mAくらいの消費電流になっています。但しスパイク状に電流が流れていて、ピークは200mAになっています。

 なお、このESP32 には電源端子に470μFを2個取り付けているので外から見たピーク電流は抑えられています。もしこのコンデンサが無かったら、もっと大きなピーク電流が流れたはずです。

▼WiFi Scan 動作中の電流波形
WiFi使用時の電流波形
 拡大して見ると、ピークで200mA程度の電流が流れています。

▼3.3Vの電源電圧ドロップ
3.3Vのドロップ
 140mV程度のドロップが発生しています。まあこれくらいは許容範囲だと思います。ちなみに電源の3.3Vは200mAクラスのLDOな三端子レギュレーターで作っています。

 プログラムを変えていろいろ試したのですが、Lチカだと消費電流は55mA程度でした。

◆ BASICを動かす
 ESP32は IO12 を 3.3V にプルアップして起動すると小さな BASIC が動くのですが、この時の消費電流は約20mAでした。ちなみに ESP32にArduinoのIDEからスケッチを書き込んだ後でも BASICは起動しました。ということは、ESP32を組み込みなどで使う時に IO12に変なレベルが入ると、勝手にBASICが走ることになりかねないので、注意が必要だと思います。たぶんこの機能を無効にする方法はあるのだと思いますが・・・、

▼ESP32のBASICの実行例
ESP32のBASIC
 この BASIC では整数しか扱えないようですが、その上限の値を知りたかったので、簡単なプログラムを書いてみました。結果は上の画面の通りで、プラスマイナス2億くらいの範囲まで扱えるようでした。内部では符号付き32ビットで計算しているのでしょう。

◆まとめ
 ということで、消費電流の話を中心に、ESP32をArduioのIDEから動かした事例の紹介でした。やはりWiFiを使うとかなりの消費電流になるようです。電源容量に制約がある場合はスリープをうまく使う必要があります。
 あと、BTを使った場合はどうなるのか興味深いところです。このあたりは機会があれば実験してみたいと思います。
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