Raspberry Pi 筆記(20)：MCP3008 讀取類比訊號測溫度與光度

兩三個星期前到台北光華商場電子材料行找 MCP3008 這顆 IC，竟然問了三家都沒有賣這個IC，還是上網去買才買到。為什麼要使用這個 IC 呢? 主要是因為Raspberry Pi沒有支援類比訊號輸入，例如要用Raspberry Pi去讀取溫度或光度偵測的類比訊號，是無法達成的。MCP 3008這個 IC的功能就是將類比訊號轉換成數位訊號(Analogue-to-digital converter, ADC)，它有8通道 ，每個通道可依類比設備的輸入值傳回一個10位元的數值。MCP3008可使用SPI介面跟Raspberry Pi連接，以下就來看看如何運用MCP3008偵測溫度和光度。

[MCP3008]

MCP3008讀取ADC數值時，會傳回一個10-bit的數字，介於0到1023之間，可以根據輸入電壓與傳回值的電壓，計算出類比訊號的值，再根據類比設備的特性得到所需的資訊。可參考MCP3008 Datasheet 。

圖片來源：MCP3008 Datasheet

MCP3008 pinout description (接腳說明)

來源：MCP3008 Datasheet

● Digital Ground (DGND)：Digital ground 連接至內部數位電路
● Analog inputs (CH0 - CH7)：類比通路0 - 7
● Chip Select/Shutdown (CS/SHDN)：CS/SHDN pin當設定為低電壓時，被用來啟動設備間的通訊；設定為高電壓時，停止設備間的通訊進入等待狀態。CS/SHDN pin在通訊時必須設定為高電壓才能進行通訊。
● Serial Data Output (DOUT)：SPI串列通訊時資料輸出，資料會因為設備間通訊的時序變化而改變。
● Serial Data Input (DIN)：SPI Port串列資料輸入，用來載入設定資料給通訊設備。
● Serial Clock (CLK)：SPI clock pin被用來啟動通訊。

來源：MCP3008 Datasheet

[溫度感測元件LM35]

LM35是一個常見的溫度感測IC，根據技術文件說明LM35輸出電壓與攝氏溫標呈線性關係，0℃時輸出為零，每提高1℃輸出就增加10mV。由此特性，我們可以根據輸出電壓換算測得的溫度，例如：測得電壓0.24V時，表示當時溫度為24℃。可參考LM35 Datasheet 。

  來源：網路

[光敏電阻(Photocell)]

光敏電阻是一種特殊的電阻，簡稱光電阻，又名光導管。它的電阻和光線的強弱有直接關係。當有光線照射時，電阻內原本處於穩定狀態的電子受到激發，成為自由電子。所以光線越強，產生的自由電子也就越多，電阻就會越小。在光線越暗時，電阻值會越高。

  來源：網路

[材料]

• Raspberry Pi 主板 x1
• MCP3008 IC  x1
• LM35 IC x1
• 光敏電阻 x1
• 10K電阻 x1
• 連接線  x N條

[線路連接與電路圖]

• MCP3008 CH0接光敏電阻，光敏電阻另一隻腳接地(GND)
• MCP3008 CH0接10K電阻，10K電阻另一隻腳接3.3V
• MCP3008 CH1接LM35中間接腳，LM35另外兩隻腳分別接3.3V及接地
• MCP3008 pin16(VDD)及pin15(VREF)接3.3V，pin14(AGND)及pin9(DGND)接地
• MCP3008 pin13(CLK)接Pi pin23(SCLK)；pin12(DOUT)接Pi pin21(SPI0_MISO)；pin11(DIN)接Pi pin19(SPI0_MISI)；pin10(CS/SHDN)接Pi pin24(SPI0_CE0)

[2017/02/21] 更新上述接線，改為表格。

MCP3008	Pi
Pin 1 (CH0)
Pin 2 (CH1)
Pin 3 (CH2)
Pin 9 (DGND)	Pin 6 (Ground)
Pin 10 (CS/SHDN)	Pin 24 SPI0_CE0 (GPIO8)
Pin 11 (DIN)	Pin 19 SPI0_MISI (GPIO10)
Pin 12 (DOUT)	Pin 21 SPI0_MISO (GPIO9)
Pin 13 (CLK)	Pin 23 SCLK (GPIO11)
Pin 14 (AGND)	Pin 6 (Ground)
Pin 15 (VREF)	Pin 1 (3.3V)
Pin 16 (VDD)	Pin 1 (3.3V)

[程式碼]

import spidev
import time
import os

# open(bus, device) : open(X,Y) will open /dev/spidev-X.Y
spi = spidev.SpiDev()
spi.open(0,0)

# Read SPI data from MCP3008, Channel must be an integer 0-7
def ReadADC(ch):
    if ((ch > 7) or (ch < 0)):
       return -1
    adc = spi.xfer2([1,(8+ch)<<4,0])
    data = ((adc[1]&3)＜＜8) + adc[2]
    return data

# Convert data to voltage level
def ReadVolts(data,deci):
    volts = (data * 3.3) / float(1023)
    volts = round(volts,deci)
    return volts

# Calculate temperature from LM35 data
def ConvertTemp(data,deci):
    temp = data * 100
    temp = round(temp,deci)
    return temp

# Define sensor channels
light_ch = 0
temp_ch  = 1

# Define delay between readings
delay = 3

while True:

  # Read the light sensor data
  light_data = ReadADC(light_ch)
  light_volts = ReadVolts(light_data,2)

  # Read the temperature sensor data
  light_data = ReadADC(light_ch)
  light_volts = ReadVolts(light_data,2)

  # Read the temperature sensor data
  temp_data = ReadADC(temp_ch)
  temp_volts = ReadVolts(temp_data,4)
  temp       = ConvertTemp(temp_volts,2)

  # Print out results
  print "Temp  : ",temp_data, " (",temp_volts ,"V) -->",temp,"~C    Light : ",light_data," (",light_volts,"V)"

  # Delay seconds
  time.sleep(delay)

*註：data = ((adc[1]&3)＜＜8) + adc[2] 其中<< 因造成網頁編碼錯誤，改用全型小於符號，如需複製程式使用請改為半型

[程式解說]

程式中有一行spi.xfer2，他會送出3 Bytes 給Device，第一個位元是1，相當於二進位的00000001，″8+ch″表示Device的頻道位置，變成"00001000"，″<<4″往左移 4個位元(bits)，變成 ″10000000"，最後一個字元是0，亦即 "00000000"。而程式中 "spi.xfer2([1,(8+channel)<<4,0])"會送出 " 00000001 10000000 00000000" 給接收設備，設備回應三個Bytes回來，而傳回值會放在最右邊10個Bits位置，該值介於0跟1023之間。我們可根據這個數字，判斷光度、溫度等類比的訊號。

[執行結果]

[參考資料]

● Raspberry Pi Cookbook
● Raspberry Pi Spy : Analogue Sensors On The Raspberry Pi Using An MCP3008
● 維基百科 : 光敏電阻