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Arduinoで動かすアナログ表示の気圧計の電池電圧

◆まえがき
定期的に(と言っても数ヶ月置き)に取り上げている、アナログ表示の気圧計の電池電圧の状況です。いきなりデーターを出しても何の話だか判らない人もいそうです。ということで、まずは外観写真から、

・ こんな気圧計です
Arduinoで動かすアナログ表示の気圧計
気圧センサーは LPS-25H、CPU は ATmega328 で、プログラムは Arduino で開発しました。あと、この気圧計については、平成から令和へ、元号を超えて動き続けているマイコンたち という、つい先日の記事で紹介したばかりでした。

◆電池電圧の推移
・ グラフ
気圧計の電池電圧
動かし始めてから今日で742日目、電池電圧は 4.42Vでした。これは電池3本を直列にした値なので、一本当たり 1.473Vで、まだまだいけそうです。

ちなみに電池電圧は CPUで監視していて、電圧がグラフの赤い点線 (3.3V) に達すると、メーターの針を Low Battery の位置まで移動させ、さらにLEDを点滅させて自動停止させる仕掛けになっています。

これ、3年間の連続動作が目標ですが、この調子だと楽々目標をクリアできそうな感じです。まあ、電池の液漏れなどで強制終了になる恐れは残っています。

◆もっと省電流化できないか?
ところで、最近の記事では CMOS のシリーズレギュレーターをいろいろ話題にしているのですが、この気圧計にも使っています。

▼回路図
アナログ気圧計の回路図
電池の電圧を CMOSシリーズレギュレーターの XC6202 で 3.3V に落とし、各部へ供給するようになっています。この気圧計は大半の期間は CPU がスリープしていて、その時の消費電流は数μAなので、シリーズレギュレーターの消費電流は電池寿命に大きく効いてきます。

この気圧計を作った時は、CMOSシリーズレギュレーターに関する知識があまり無くて、手持ちの中から適当に選んだのが XC6202 でした。今から見直すと、そんなに悪い選択ではなかった感じですが、世の中にはもっと消費電流の少ないレギュレーターが存在します。そういうことを知ると、消費電流の少ない物に交換して電池寿命をより長くしてみたくなります。

ちなみに、この気圧計の CPU がスリープ状態の時の消費電流を振り返ってみると、こうなっています。
 ・2017年5月:34μA (CPU:27μA, LDOほか:5.5μA) DelayWDT関数使用
 ・2018年5月:14.4μA (CPU:8.9μA, LDOほか:5.5μA) DelayWDT2関数に変更

気圧計として動かすためには、上記に加え気圧を測定して針を動かすための消費電流が必要です。でもこっちは数分間隔の間歇動作だけで良いので、平均値としては 6μA程度に過ぎません。つまり消費電流の大半はスリープ中に使われています。

◆シリーズレギュレータを交換するか
シリーズレギュレーターをもっと自己消費電流の小さな物、出来れば 1μAクラスの物に交換すれば、あと 20% くらいは電池寿命を延ばすことが出来そうです。

これ面白そうな話です。ただ、今でも十分省エネなので、ここからあと20%程度消費電流が減ったとしても、あまり効果が実感できない可能性が高そうです。手持ちのシリーズレギュレーターの消費電流を実測してみて、結果が良ければ入替えを考えるのが良さそうです。

◆まとめ
この気圧計は約 2年前に作った物ですが、いろいろと電子工作のネタを提供してくれます。もしこれを作らなかったら、こういう話は出てこなかった訳で、実際に物を作って使ってみることは大切だと思います。

あと、機械式の表示なんて時代遅れとよく言われます。でもこれ、待機時の消費電力はゼロだし、視認性も優れているので、気圧のようにゆっくりと変化する値を表示させるには、優れたデバイスだと思います。ちなみに、同じ性能(消費電流、視認性)の物を液晶で作ったらどうでしょう。たぶん液晶が負けるような気がします。

台風24号の通過に伴う気圧変化

 昨夜から今朝にかけて台風24号が紀伊半島から東北へ通過して行きましたが、その時の気圧変化を記録してみました。

 記録に使ったのは以前作った気圧計で、制御はArduino、気圧センサーはLPS25Hを使っています。

▼気圧計
気圧計(LPS25H)
 この気圧計は測定結果をシリアルに吐き出しているので、そのデーターをパソコンに取り込んで記録しました。

▼USBシリアルアダプタで読み出し
シリアルデーターを読み出す
 回路図を印刷したものを小さく折りたたんでケースの中に入れておいたので、接続箇所は簡単に判りました。なお、気圧の測定結果は10分間隔に送られてきて、データーレートは115200bpsです。

▼パソコンに取り込み
PCのteraTermに接続
 PCのTeraTermでデーターを受信し、タイムスタンプを付加してファイルに記録しました。このままモニタの電源を切って放置して寝てしまいました。

 翌朝、というか今朝はとっくに台風は通過していて良い天気になってます。

▼気圧変化グラフ
台風24号通過に伴う気圧変化
 記録されたファイルをエクセルで加工して気圧変化グラフにしました。

 台風は1時から2時くらいに当地に最接近していて、気圧は977hPaくらいまで下がっていました。

 ということで久しぶりに気圧のグラフを作ってみました。今回は手っ取り早くPCを使いましたが、ESP8266やRaspberry Pi などを使って、Webサーバーに直接データーを送り込むようなことがサクッと出来るとかっこいいのですが、まだまだそんな実力がありません。

▼気圧計の電池電圧
電池電圧
 ちょうど良い機会なので、気圧計の電池電圧をチェックしました。まだまだ電池は元気で、目標の3年間連続運転はいけそうな気配です。ちなみに、下の赤い点線まで電圧が下がるとバッテリー電圧低下を検出して自動停止する仕掛けになってます。

 なお、360日目あたりで、スリープさせる関数をdelayWDT2 に変更してより省エネ化したのですが、このタイミング以降の電圧低下のペースが遅くなっている感じなので、効果はあったようです。

アナログ気圧計2号機のソフト改良 (delayWDT2 を適用)

 前の記事の終わりに少し書きましたが、アナログ気圧計2号機の消費電流をもっと減らすために、スリープを実行するソフトを delayWDT2 関数に入れ替えました。

 関数を入れ替える前に、まずは従来のプログラムの状態の消費電流を測定します。

▼電流測定の様子
消費電流測定
 左下の線が電流測定用の配線です。

▼電池電流測定アダプタ
電池電流測定アダプタ
 この写真のように、薄いプラ板の両面に銅箔テープを貼り付けて、配線を引き出し、電流測定アダプタを作りました。これを電池と電池ケースの間に差し込んで消費電流を測定します。これ、一つ作っておくと便利です。

▼ソフト入れ替え前の消費電流
差し替え前、34.01μA
 ご覧のように、34.01μAでした。内訳は、電源電圧測定用分圧抵抗で 0.8μA、3端子レギュレーターが 6μA、CPUが残りの約 27μAとなっているはずです。

 これはスリープ中の消費電流ですが、これ以外に、10分間隔で行う測定/表示中は10mA以上の電流が流れます。でも、この動作時間は短い(約0.5秒)ので、平均すると 6μAにしかなりません。

 つまり、ソフト入れ替え前の消費電流は両者を合計した、40.01μA ということになります。

◆新ソフト
 スリープの関数を delayWDT から delayWDT2 に変更したスケッチ → _20180429BarometerLPS25H (拡張子が txt になっていてShift-JISエンコードになっています)

▼電流確認
消費電流測定
 本番用の電池に入れ替えて消費電流を確認します。

▼delayWDT2 に入れ替え後の消費電流
delayWDT2適用後、14.42μA
 消費電流が14.42μAまで減っています。これに測定/表示の電流の 6μAを加えると、合計で20.42μAの消費電流になります。つまり、消費電流は半減しています。

 delayWDT2 関数の内部には、タイミングが厳しい部分があるので、狙い通りに動かないかも知れないと、心配していたのですが、大丈夫でした。

◆まとめ
 これまでのプログラムでも、かなり消費電流が小さかったと思いますが、ソフトを入れ替えることで更に消費電流を減らすことが出来ました。値としては20μAになっており、電池容量が仮に1000mAh あるとしたら、5年以上は動くという計算になります。これくらいになると、電池の自己放電の方が問題になりそうです。

 ともかく、プログラムを改良することで、電池寿命を約2倍に伸ばすことが出来ました。このあたりが組み込みプログラムをいじる醍醐味です。というか、最初からこうしておくべきでした。

 回路の省電流化のためには、プログラムの改良以外に、回路設計上の注意点がいろいろあります。ということで、最終的には、この記事のように、消費電流を測定して確認した方が良いと思います。

 今回ソフトを入れ替えたので、電池も新しい物に交換して、電池電圧変化カーブを最初から測定するのが正しい対処だと思います。でもそうすると、これまでの1年間がもったいないです。ということで、電池はこのままで行くことにします。
 今回のソフト変更で消費電流は半減しました。ということは、これまでの1年は2年間に相当するので、あと1年動き続ければ3年間連続動作に成功した、とみなすことが出来るはずです。

◆自分用の覚え書き
 Arduino pro / pro mini 8Mhz としてコンパイル。
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