--- title: センサー url: https://doc.liz6.com/ja/hardware/09-embedded-systems/03-sensors locale: ja area: hardware tags: - センサー - I2C - 温度 - IMU - 環境 - 組み込み - hardware - embedded-systems date: 2026-06-30 modified: 2026-07-16 description: 物理量から I2C レジスタ値への完全なリンク --- # センサー > 物理量から I2C レジスタ値への完全なリンク --- ## センサーインターフェースの選定 | インターフェース | 距離 | 速度 | 消費電力 | 複数デバイス | 代表的なセンサー | |------|------|------|------|--------|------------| | I2C | PCB 上 | 100k~1M | 低い | ✅ (アドレス) | ほとんどのデジタルセンサー | | SPI | PCB 上 | MHz 帯 | 中程度 | チップセレクト必要 | 高速 ADC, IMU | | UART | 長距離 | 115k~1M | 中程度 | ❌ 1対1 | GPS, ライダー測距 | | アナログ | PCB 上 | - | 極めて低い | ❌ | NTC, 光敏, マイクロホン | | 1-Wire | 長距離 | 低速 | 極めて低い | ✅ (ROM ID) | DS18B20 | | パルス/PWM | PCB 上 | - | 低い | ❌ | ホール素子, 回転数 | --- ## 温度センサー ### NTC 熱敏抵抗 (最安値) ``` 回路: 分圧法 Vcc │ R_fixed (10k, 1%) │ ├── ADC 入力 │ NTC │ GND 温度計算: R_ntc = R_fixed × (Vcc - V_adc) / V_adc T = 1 / (1/T25 + ln(R_ntc/R25)/B) - 273.15 T25 = 298.15K, R25 = 25°C時の公称抵抗値, B = B 定数 精度: ±0.5°C (B 値が正確かつ抵抗が1%の場合)。多くの用途で十分。 利点: 安い (数セント)、応答が速い、小型 欠点: 非線形、MCU の ADC が必要、テーブル参照または B 定数式が必要 ``` ### DS18B20 (デジタル 1-Wire) ``` プロトコル: 1-Wire (データ線1本、寄生給電可选) 精度: ±0.5°C (-10~85°C) 分解能: 9~12 bit 各デバイスに一意の 64-bit ROM ID あり → 1本のバスに複数接続可能 利点: ADC が不要、工場出荷時に校正済み、長距離対応、マルチポイント対応 欠点: 割高 (~¥3)、低速 (12bit で 750ms)、プロトコルが複雑 ``` ### 熱電対 (高温用) ``` 原理: 2種類の異なる金属の接合部で熱起電力が発生 (シーベック効果) タイプ: K 型 (最も一般的、-200~1250°C)、J/T/E/N 型 必要: 冷接点補償 (冷接点温度の測定 + テーブル参照) チップ: MAX6675 (K型, SPI), MAX31855/MAX31856 用途: 3D プリンターのホットエンド、オーブン、工業用炉 ``` ### 選定クイックリファレンス ``` シーン 推奨 ──────────────────────────────────── 室温 ±2°C で十分 NTC (最安値) 工場校正済みで ADC 不要 DS18B20 高温 (>150°C) 熱電対 (K 型) 高精度 (±0.1°C) PT100/PT1000 (白金抵抗) 人体体温測定 医療用専用赤外線 PCB 基板温度 内蔵温度センサーまたは NTC ``` --- ## IMU (慣性計測ユニット) ### 代表的なチップ | チップ | 加速度計 | ジャイロ | 磁気センサー | インターフェース | 特徴 | |------|----------|--------|--------|------|------| | MPU6050 | 3軸 | 3軸 | ❌ | I2C | クラシック入門用 | | MPU9250 | 3軸 | 3軸 | 3軸 | I2C/SPI | 9軸一体型 | | ICM-20948 | 3軸 | 3軸 | 3軸 | I2C/SPI | 低消費電力 9軸 | | BMI160 | 3軸 | 3軸 | ❌ | I2C/SPI | 超低消費電力 | | LSM6DS3 | 3軸 | 3軸 | ❌ | I2C/SPI | ST 主流モデル | | BNO055 | 3軸 | 3軸 | 3軸 | I2C/UART | **内蔵姿勢解算!** | ### IMU の出力 ``` 加速度計: 加速度 (m/s² または g) 静止時: Z軸 = 1g (重力) 重力方向を利用してピッチとロール角を算出可能 ジャイロ: 角速度 (°/s または rad/s) 積分して角度を得る → ただしドリフトが発生 静止時の理想値 = 0 (実際にはオフセットあり) 磁気センサー: 磁場強度 (μT) 方位角 (コンパス) を算出可能 9軸融合 = 加速度 + ジャイロ + 磁気センサー → ドリフトのない絶対姿勢 (ジャイロは速いがドリフトあり、加速度+磁気はドリフトなしだが応答が遅くノイズ大) → 相補フィルタ / カルマンフィルタ / Madgwick アルゴリズム ``` ### 実際のトラブルシューティング ``` - MPU6050 は起動後にキャリブレーションが必要 (静止状態で数百回サンプリングし、オフセットを取得) - I2C アドレスの競合 (MPU6050 のデフォルトは 0x68、AD0 をハイにすると 0x69 に) - 振動環境では加速度計は使用不可 (より複雑なフィルタが必要) - 磁気センサーは干渉を受けやすい (モーター/電流/強磁性体から遠ざけること!) - BNO055 は融合コードを省略できるが割高 ``` --- ## 環境センサー ### 温湿度 ``` DHT11/DHT22: 1-Wire、安価だが低速 (1回あたり2秒)、精度は普通 SHT30/31: I2C、±2%RH、高速、信頼性が高い BME280: I2C/SPI、温度+湿度+気圧、1チップで3役 ★推奨 AHT20: I2C、SHT30 の安価な代替 注意点: DHT11 は >80%RH または <10%RH で著しく不正確になる SHT/BME シリーズははるかに優れている ``` ### 気圧 ``` BMP280/BME280: I2C/SPI、精度 ±1hPa (高度換算で ±8.5m) LPS22HB: I2C/SPI、±0.5hPa MS5611: I2C/SPI、±0.15hPa (高精度) 用途: 高度計、気象観測ステーション、ドローンの高度維持 ``` ### 照度 ``` BH1750: I2C、ルクス値を直接出力 (キャリブレーション不要!) VEML7700: I2C、広範囲、低消費電力 OPT3001: I2C、人間の目に対応した分光応答 光敏抵抗 (LDR): アナログ、安価だが非線形 + キャリブレーションが必要 ``` ### 空気質 / ガス ``` CCS811: I2C、eCO2 + TVOC (48時間のアライメント必要、消費電力大) SGP30: I2C、eCO2 + TVOC (CCS811 より優れている) PMS5003: UART、レーザー式 PM2.5/PM10 (物理測定、正確!) MH-Z19: UART、NDIR 方式 CO2 (物理測定) MQ シリーズ (MQ-2/MQ-135...): アナログ、予熱必要、精度が低い ``` --- ## センサーデバッグの定型手順 ``` 1. 電源投入 → WHO_AM_I / デバイス ID レジスタを読み取る 読み取れない → 電源/はんだ付け/I2C アドレス/プルアップ抵抗を確認 読み取れた → センサーは動作中、続行 2. 生データを読み取る → 値が妥当か確認 すべて 0 または 0xFF → 設定問題 (有効化されていない/変換が開始されていない) データが激しく変動 → 電源ノイズ / タイミング不整合 3. 参照値と比較 NTC で計算した温度 vs 室温 → 差が >5°C の場合、B 定数または R_fixed を確認 IMU 静止時の加速度 ≈ 1g → 異なる場合、レンジ設定を確認 4. フィルタを追加 単純移動平均 → 高周波ノイズを除去 中央値フィルタ → 突発的なスパイクを除去 5. キャリブレーション (必要な場合) 温度: 氷水 0°C + 湯 100°C の2点校正 IMU: 6面キャリブレーション (各面で静止サンプリング) ``` --- *キーワード: NTC, DS18B20, 熱電対, MPU6050, IMU, BME280, SHT30, I2Cセンサー, キャリブレーション*