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陸上短距離走用自動タイム測定器を作ろう(4)

Last updated at 2017-10-13Posted at 2017-10-13

前回の記事では、Visual Studio 2017 をインストールして、アプリのビルドと配置ができる環境を構築しました。
https://qiita.com/IKETA/items/ec4239e7eb337256425b

今回は、測距センサーを使用した自動タイム測定器の回路を組み立てて、チェック用の簡単なアプリを作成し動作確認をしてみます。

回路図

回路図は以下の通りです。回路の主役となる測距センサーは、安価な赤外線方式の GP2Y0A710K0F を使用します。1 ～ 5.5m 程度の距離をしか測定できませんが、今回はランナーのゴール判定でのみ使用するため、測定範囲や正確性は求めていませんのでこれで十分と考えます。

番号	パーツ種	形名	参考
(1)	測距センサー	GP2Y0A710K0F	データシート
(2)	ADコンバーター	MCP3008	データシート
(3)	コンデンサー		10μF 以上の容量

この他に、ブレッドボードや配線用のジャンパー線が必要になります。いずれのパーツもアキバや通販などで簡単に購入できます。
実際に組み立てた感じは、以下のようになります。

各センサーの役割と詳細

(1)測距センサー

測距センサーはゴールラインに向けて配置します。ランナーがセンサーの照射範囲を横切った瞬間に測定値が変化するので、これをゴールと判定します。

コードカラー	シンボル	接続先
赤	GND	ラズパイの GND
白	Vo	ADコンバーターの CH0
黒	Vcc	ラズパイの 5V
青	Vcc	ラズパイの 5V
黄	GND	ラズパイの GND

(2)ADコンバーター

今回使用する測距センサーは、測定した距離を出力電圧の大きさで表現しますが、ラズパイで値を受け取れるようにデジタル化する必要があります。そこで、ADコンバーターを使用して、センサーの出力電圧であるアナログ信号をデジタル信号に変換します。

|ピン番号|シンボル|接続先|
|:-----:|:--:|:--:|:--:|
|1|CH0|測距センサーの Vo (出力)|
|2 ~ 8|CH1 ~ CH7|未使用|
|9|DGND|ラズパイの GND|
|10|CS/SHDN|ラズパイの GPIO8 (SPI_CE0)|
|11|Din|ラズパイの GPIO10 (SPI_MOSI)|
|12|Dout|ラズパイの GPIO9 (SPI_MISO)|
|13|CLK|ラズパイの GPIO11 (SPI_SCLK)|
|14|AGND|ラズパイの GND|
|15|Vref|ラズパイの 3.3V|
|16|Vdd|ラズパイの 3.3V|

(3)コンデンサー

測距センサーの電源ライン安定化のために使用します。ただし、無くても構いません。

動作チェック用アプリ

これで電子回路の組み立てと、ラズパイとの接続が完了しました。ただし、これを動かすアプリがないと意味がないので、チェック用のアプリを作成して、測距センサーがどのような動きをするかを確認します。

プログラムコード

前回の記事で作成した UWP アプリのプロジェクトを引き続き使用します。MainPage.xaml との MainPage.xaml.cs を以下のように書き直します。

MainPage.xaml

<Page
    x:Class="App1.MainPage"
    xmlns="http://schemas.microsoft.com/winfx/2006/xaml/presentation"
    xmlns:x="http://schemas.microsoft.com/winfx/2006/xaml"
    xmlns:local="using:App1"
    xmlns:d="http://schemas.microsoft.com/expression/blend/2008"
    xmlns:mc="http://schemas.openxmlformats.org/markup-compatibility/2006"
    mc:Ignorable="d" Width="640" Height="360">
    <Grid Background="{ThemeResource ApplicationPageBackgroundThemeBrush}">
        <TextBlock x:Name="textBlock1" Text="0" Margin="10,74,10,192" Height="94" Width="620" FontSize="72" TextAlignment="Center"/>
    </Grid>
</Page>

MainPage.xaml.cs

using System;
using Windows.Devices.Enumeration;
using Windows.Devices.Spi;
using Windows.UI.Xaml;
using Windows.UI.Xaml.Controls;

namespace App1 {

    public sealed partial class MainPage : Page {

        private static readonly byte[] WriteBuffer = new byte[] { 1, 8 << 4, 0 };

        private SpiConnectionSettings _spiConSettings;
        private SpiDevice _spiDevice;
        private DispatcherTimer _timer = new DispatcherTimer();

        public MainPage() {
            this.InitializeComponent();
            this.InitializeSpiDevice();          

            _timer.Interval = TimeSpan.FromMilliseconds(1000);
            _timer.Tick += (sender, e) => {
                if (_spiDevice != null) {
                    byte[] readBuffer = new byte[3];
                    _spiDevice.TransferFullDuplex(MainPage.WriteBuffer, readBuffer);
                    this.textBlock1.Text = (((readBuffer[1] & 3) << 8) + readBuffer[2]).ToString();
                }
            };
            _timer.Start();
        }

        private async void InitializeSpiDevice() {
            var spiDevices = await DeviceInformation.FindAllAsync(SpiDevice.GetDeviceSelector("SPI0"));

            if (spiDevices.Count > 0) {
                _spiConSettings = new SpiConnectionSettings(0);
                _spiConSettings.ClockFrequency = 1000000;
                _spiConSettings.Mode = SpiMode.Mode0;

                _spiDevice = await SpiDevice.FromIdAsync(spiDevices[0].Id, _spiConSettings);
            }
        }
    }
}

SPI デバイスに接続するコードの解説は次回に繰り延べにさせていただいて、とりあえずこれをビルドして、ラズパイに配置します。

測距センサーの動作チェック

Windows IoT Remote Clinet で画面を確認しながらアプリを実行します。アプリが起動すると、以下のように数値が表示されて、1 秒ごとに数値が更新されます。数値は測定距離のデジタル値を 10 進数で表したもので、これだけでは距離がよくわかりませんが、とりあえず今は数値が変化することだけ確認できれば OK です。