TIM Labs

I2CバスでOLED(有機EL)のドットディスプレイを Arduinoに接続したが、まったく何も表示されず、画面は真っ暗なままだった。

OLED-128x64display.JPG

こういうとき、一番考えられるのは、I2Cのアドレスが一致していないことである。

スケッチのコードを見ると...

  if(!display.begin(SSD1306_SWITCHCAPVCC, 0x3D)) { // Address 0x3D for 128x64
    Serial.println(F("SSD1306 allocation failed"));
    for(;;); // Don't proceed, loop forever
  }

となっていて、プログラムではアドレスが0x3Dが指定されている。

デバイス側のI2Cのアドレスが3Dであるかどうかを確認しなくてはならない。

確認方法は色々考えられる。

  1. 他のI2Cのアドレスを調べられるマシンで確認する。
  2. デバイスの説明書を読んで確認する。
  3. Arduinoに、I2Cバスに接続したデバイスのアドレスを調べるソフト(スキャナ)を入れて確認する。

2.が正統派と思うが、ここでは、知っておくと非常に便利なI2Cのアドレス・スキャナについて説明しよう。

前回、Arduinoの小型版のArduino nano に、128×64のモノクロのOLED(有機EL)を繋いでみたことを書いた。今回は、もっと掘り下げてみよう。

Arduino-nano-OLED-1.JPG

まず、もっとも標準的なArduino UNOから、より小さい、ブレッドボード上に挿せるArduino nanoについて説明しよう。

機能的にはArduino UNOとほぼ同じであるが、ピンに違いがあるので、結線するときには必ず印刷されているピンの記号を見ながら行おう。

今回は、I2CでOLEDディスプレイを繋ぐので、必要な結線は4本だけである。

OLED-128x64display.JPG

ディスプレイの上に、ピンが4つあるが、左から GND, VCC, SCL, SDA になっている。

16文字2行の液晶ディスプレイをArduinoにつけたが、基板も含めると、幅8cm、高さ3.6cmとかなり大きい。Arduino本体より大きく、拡張ボードと同じ幅になってしまった。遠くから眺めるのならともかく、これではあまりにも大きく、基板を専有し過ぎて邪魔である。

ということで、小型化に取り組んでみよう。

さらに、このディスプレイはピンの数が多く、ハンダ付けするのが面倒である。
ということで、少ない線数で接続できる小型のディスプレイを探すことにした。

それで、ネットで何か手頃なものはないかと調べてみた。

すると、YouTubeに、Tutorial on I2C OLED Display with Arduino/NodeMCUがあり、参考になった。
英語だけど、非常に丁寧な説明で、英語が聞き取れなくても、良く分かる説明であったので、これをベースに考えることにした。

  • 単に小さいディスプレイではなく、ドットマトリックスにしてみよう。
  • 液晶はバックライトがないと見難いし、視野角に限度がある。でも、OLED(organic light-emitting diode、有機EL)なら、ドット自身が発光しているから、見やすい。
  • Arduinoとの接続に、I2Cバスを使えば、たった4本の結線で済むので、楽そうだ。(エンジニアはlazyであるべし)温湿度気圧センサーはI2Cだったし。
  • ついでに、Arduino Uno(実際にはMarduino)を使っていたが、このビデオではArduino nano というはるかに小さいのが使われていた。

ということで、ちょっと部品を集め直して、ディスプレイのテストをしてみた。

どのくらい小さくなったか、センサーの値を表示する3階建てと比較してみた。

DSCN4729-600.JPG

ディスプレイははるかに小さくなって、約1/3の大きさである。これだけ小さいけれど、実はこちらの方が、より多くの文字を表示することができる。楽勝で、10文字4行の英数字が表示できる。頑張れば、20文字8行さえ可能である。

ディスプレイの右にあるのが、Arduino nanoである。正しくは、その互換品の安いやつである。
USBなのだが、USB Mini-B という、それほど一般的でないコネクタになっていたので、これのケーブルはわざわざ入手した。

ディスプレイにはイメージが描かれているが、これはこのデバイスのためのライブラリのサンプルを走らせただけである。

さて、次回から、もう少し詳しく説明しようと思う。

ここ3回で以下の記事を書いてきた。

今回は、これをまとめて、二酸化炭素、温度、湿度、気圧をまとめて表示できるようにしてみた。

今までは、次図の左のブレッドボードを使い、ジャンパー線で結んでいた。
プロトタイプではよくやる方法だが、どうしてもジャンパー線は外れやすい。

20190616165424198_0001-600.jpg

それで、今回は、中央のArduino用の拡張ボードを用いた。Arduinoのピン位置に合わせて穴が空いているので、これを用いると二階建て構造にして、ブレッドボードの代わりにこの拡張ボードに部品を取り付けることができるようになる。

ということで、ハンダ付けが必要になるのだが、ハンダ付けの個所もできるだけ減らしたい。とくに、配線は最小限にしたい。

それで用いたのが、右端の超薄型ユニバーサル基板である。よく見ると、ブレッドボードとプリントパターンがよく似ていることが分かるであろう。
とても薄く、カッターで簡単に切り分けることができ、穴を合わせてユニバーサル基板の上に置いて配線すると、とても便利であった。

3つの部品の配線であるが、電源系は当然共通になる。
それ以外の部品とArduinoを結ぶ信号線などは、異なるピンになるように最初から話を進めてきたので、そのまま3つの回路を拡張基板上に実現すれば動く。

DSCN4684−600.JPG  DSCN4679−600.JPG

そして組み立てて動かすと、こんな感じになった。

1行目に気温と湿度、2行目に二酸化炭素濃度と気圧を表示している。

DSCN4693-600.JPG   DSCN4687−600.JPG

Arduino, 拡張基板、センサーとディスプレイの3階建てになってしまった。

ディスプレイはとても見やすいのだが、ディスプレイの幅が拡張基板と同じだけあり、このディスプレイは大き過ぎた気がする。でも、安かったから我慢しよう。

さて、プログラムである。

Arduino単独では、センサーで得られた情報を表示できない。DSCN4665-600.JPG
センサーを付けて、その値を小さなLCDで良いから表示ししたいものである。
Raspberry Pi の時に使ったものでも表示できるのだが、今回はもっと見やすいバックライト付きのにした。

とりあえず、結果をお見せしよう。

1行目は、"Hi,Arduino."と表示し、次に起動時からの経過時間を秒単位で表示している。

2行目は、この文字ディスプレイデバイスが持っているCharacter Generaterのパターンを表示している。単なる表示では面白くないし、全256文字を表示してみたいので、どんどんスクロールするようにしてみた。写真では、カタカナの終わりの方と、それに続くギリシャ文字の小文字の初めの方が見えている。

ディスプレイの左上の方に、丸の中に一が見えているのが10kΩの半固定抵抗であり、バックライトの調整に用いる。

このLCDの型番は、ACM1602K-NLW-BBWといい、秋月電子で400円で売っていたものだ。

バックライト付きで、サイズも大きいのに、なぜか非常に安い。よほど売れているからだろうか?

実は、このLCDは、Arduinoの公式ページ内で紹介されているライブラリの Liquid Crystal Library に対応したLCDである。

配線、プログラムは、display() and noDisplay() methodsで完全に分かると思うので、下手な解説は付けない。
実際、この解説通りに結線して、プログラムも流用しただけである。

さらに詳しいYouTubeの解説(Using LCD Displays with Arduino) があり、非常に参考になる(であろう。といのは、英語だし、かなり長いので最後までちゃんとは見ていない。

ここでは、改造して、キャラクタジェネレータの全文字をスクロールしながら表示するように手を入れたプログラムを紹介するに留める。

使用LCD:秋月電子:白色抜き文字表示 LCDモジュール 16x2行 白色バックライト付 (電流制限抵抗実装済み) データシートもあり、キャラクタジェネレータの全文字パターンも載っている。

部屋の環境、快適さを調べるには、温度、湿度、気圧、二酸化炭素の4つのデータが重要であろう。

前回、二酸化炭素濃度センサーについて書いたので、今回は残りの3つをまとめて計測してみよう。

世の中、この3つを同時に計測してくれる、とても小さなセンサーがあるので、入手してみた。

AE-BME280-AKIZUKI.JPG

画像は、秋月電子のサイト「BME280使用 温湿度・気圧センサモジュールキット」より拝借

秋月のサイトには、マニュアルとデータシートが用意されている。
Bosch Sensortecには、BME280 Integrated Environmental Unit のページが用意されている

そして、ちょっとネットで検索したら、とても懇切丁寧に使い方を書いているページ How to Hookup BME280 Sensor to Arduino using I2C があったので、参考にした。
英語のページだが、英語を読まなくても全てが分かるような素晴らしいページだった。

そして出来上がったのが次図である。
左右の電源を除くと、たった2本でArduinoに繋いでいるだけだ。

DSCN4648−600.JPG1pinと3pinをジャンパ線で結んで、I2Cの接続方法にしてある。

MH-Z19 という二酸化炭素濃度センサーを入手した。

気体センサーの専門メーカのようで、各種センサーがあり、ドキュメントもきちんと用意されてる。

MH-Z19 のWEBページ

5000ppmまでの濃度を計測できるのを入手した。

Arduinoとの結線は実に簡単だ。

5VとGNDの2本で電源を与え、残りの1本で情報を取得する。

DSCN4609-600.JPG

このセンサーは中国のZhengzhou Winsen Electronics Technology Co., Ltdというセンサーの会社の製品のようだ。

このセンサーの詳しい説明のPDFが用意されているので、詳しく知りたい場合は読むと良いだろう。

超簡単に説明すると、センサーからの出力が、HIGHとLOWを二酸化炭素濃度に従って変化するのだ。

次の図のようにHIGTの時の時間幅(th)とLOWの時の時間幅が延々と繰り返し出力され、それぞれの幅(tl)をArduinoで計測し、簡単な計算で二酸化炭素濃度をppmの単位で求めることができるのだ。

CO2-Sensor-Timing.JPG

プログラムも、とても簡単で、ライブラリなど使う必要もない。

超小型のPCとして、Raspberry Pi と Arduinoの国産版の Marduino を入手し、さらに各種センサなどを集めている。

DSCN4544-600.JPG

センサ類は、ブレッドボードを使ってちょこちょこと動作確認している。

何しろ、センサは多種多様であり、普通に入手可能なものだけでも何十種類もあり、とてもではないが調べ尽くせない。

Raspberry Pi に繋ぐのと、Arduino に繋ぐ場合、回路が異なることが多い。

Raspberry Pi はデジタル(HIGH,LOW)だけで、アナログが扱えないのだが、かなりのセンサーはアナログ値で測定値を伝えてくる。

そういう場合は、DAコンバータ(デジタル・アナログ変換器)というICを使うことになり、周辺の回路が増えてくることが多い。

Arduinoの場合は、デジタルだけでなくアナログも扱えるので、DAコンバーターが不要となり、配線が楽になる。

センサは種類によってかなりの価格差があり、下は数十円から数千円までと幅が広い。

さらに、測定結果の精度を問題にしだすとどんどん価格が上昇する。

非常に安く買おうとすると、中国から品物が送られてくる確率が高くなり、説明書はもちろん、箱にすら入ってなくて、スーパーのポリ袋の不透明版にいきなり賞品が入っていて驚くことがある。

写真に写っているセンサは、受光、人感、距離、加速度、二酸化炭素濃度、温度=湿度=気圧センサである。

これからはIoTの時代。ソフトだけではなく、実世界の情報をセンサで集収し、分析し、通知はもちろん、さまざまな機器を動かすことになる。

ということで、次回から、このようなセンサ類についての扱いについて色々書いて行こうと思っている。

MIDIでは、音色というか楽器を非常に多数用意している。
何もしなければ、ピアノの音が出るようだが、次のように楽器の名前を指定すれば、その楽器で演奏してくれる。

Sound[SoundNote["C", 10, "Violin"]]

楽器の種類はMIDIなので、128種類ある。
以下が、指定可能な名称である。



"Accordion" "Agogo" "AltoSax" "Applause"
"Atmosphere" "Bagpipe" "Bandoneon" "Banjo"
"BaritoneSax" "Bass" "BassAndLead" "Bassoon"
"Bird" "BlownBottle" "Bowed" "BrassSection"
"Breath" "Brightness" "BrightPiano" "Calliope"
"Celesta" "Cello" "Charang" "Chiff"
"Choir" "Clarinet" "Clavi" "Contrabass"
"Crystal" "DrawbarOrgan" "Dulcimer" "Echoes"
"ElectricBass" "ElectricGrandPiano" "ElectricGuitar" "ElectricPiano"
"ElectricPiano2" "EnglishHorn" "Fiddle" "Fifths"
"Flute" "FrenchHorn" "FretlessBass" "FretNoise"
"Glockenspiel" "Goblins" "Guitar" "GuitarDistorted"
"GuitarHarmonics" "GuitarMuted" "GuitarOverdriven" "Gunshot"
"Halo" "Harmonica" "Harp" "Harpsichord"
"Helicopter" "HonkyTonkPiano" "JazzGuitar" "Kalimba"
"Koto" "Marimba" "MelodicTom" "Metallic"
"MusicBox" "MutedTrumpet" "NewAge" "Oboe"
"Ocarina" "OrchestraHit" "Organ" "PanFlute"
"PercussiveOrgan" "Piano" "Piccolo" "PickedBass"
"PizzicatoStrings" "Polysynth" "Rain" "Recorder"
"ReedOrgan" "ReverseCymbal" "RockOrgan" "Sawtooth"
"SciFi" "Seashore" "Shakuhachi" "Shamisen"
"Shanai" "Sitar" "SlapBass" "SlapBass2"
"SopranoSax" "Soundtrack" "Square" "Steeldrums"
"SteelGuitar" "Strings" "Strings2" "Sweep"
"SynthBass" "SynthBass2" "SynthBrass" "SynthBrass2"
"SynthDrum" "SynthStrings" "SynthStrings2" "SynthVoice"
"Taiko" "Telephone" "TenorSax" "Timpani"
"Tinklebell" "TremoloStrings" "Trombone" "Trumpet"
"Tuba" "TubularBells" "Vibraphone" "Viola"
"Violin" "Voice" "VoiceAahs" "VoiceOohs"
"Warm" "Whistle" "Woodblock" "Xylophone"

もうちょっと分かりやすいもとのしては、WikipediaのMIDIの説明がある。

これによると、琴、尺八、三味線、和太鼓が入っている。

Raspberry Piには、MIDIの音源チップが載っているようだ。
そして、多くの人は、Sonic Pi というRaspberry Pi にプレインストールされているソフトで遊ぶのが普通かもしれない。
しかし、ここでは別の方法でMIDIを操ってみよう。

せっかく Wolfram/Mathematica について書いてきたので、WolframでMIDIを操ってみよう。

音は、HDMIのディスプレイからでも、ラズパイのイアホンジャックからでも音は出せる。
どこから出すかの切り替えは、公式マニュアル(訳)のオーディオ設定を見て欲しい。

さて、Wolframで「ド」の音を出してみよう。実際には、"C"と書く。

Sound[SoundNote["C"]]

すると、次のようなものが現れ、左下の三角マーク(Play)を押すと音が出る。

Mathe-MIDI-C.JPG

右下に"1s"とあるが、これは1秒という意味である。

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