Raspberry Pi工作1号機、「格安足元ヒーター制御装置」完成!

小さいプラケースに収めるため3層構造にしてみました(パワー回路・マイコン・液晶画面)

小さいプラケースに収めるため3層構造にしてみました。
(パワー回路・マイコン・液晶画面)

SONY α7II + FE 90mm F2.8 MACRO G

長~らく更新が停まっておりましたが、この間、ずっと「格安足元ヒーター制御装置」の製品化(?)にいそしんでおりました。

先週までに、簡単な試作品はブレッドボード(実験用基板)上で出来ていたのですが、実際に、基板に配置して箱に収めたりするのは意外と大変で、1週間もかかってしまいました。

もともとソフト屋なので、ハードな工作は難しいですなぁ・・・。



(おさらい)格安足元ヒーター制御装置とは?

我が家にある、格安足元ヒーター(150W)。

机の下などに置いて、足元空間を温めるためのヒーターですが、火力が弱いのでいっそのこと足を直接置けるといいのですが、弱いとは言え150℃くらいになるため、さすがに足の直置きは熱すぎ。

そこで、火力調節の無い格安ヒーターを、ちょうどいい温度に調節するための装置を作ることにしたびです。

  • お好みの温度をダイヤルで設定する
  • 温度センサーでヒーター表面の温度を取り込む
  • PID制御で設定温度になるよう目標パワーを求める
  • 目標パワーに合うように、PWM的にこまめにヒーターON/OFFを行う
  • 自動オフタイマー(分単位)もあり

といった機能を予定していて、実験用基板レベルでは成功していました。

実験用基板では様々な配線が剥き出し(100V系だけは怖いのでレゴブロックで作った箱に入れてました)なので、普通の家電製品のように、ちゃんとした箱に収めることにしました。

試作段階の様子。AC100V回路は怖いので、レゴブロックで作った箱に格納しています(^^;

試作段階の様子。AC100V回路は怖いので、レゴブロックで作った箱に格納しています(^^;

SONY α7II + FE 90mm F2.8 MACRO G

適当ですが、今回の回路図。この通り作れば、簡単に完成・・・なんですが。

適当ですが、今回の回路図。この通り作れば、簡単に完成・・・なんですが。

製品化(っていうか箱入れ)してみよう!

試作品→製品化(笑)に当たって追加必要なのは、以下の物品&作業。

  • 電源スイッチ(おおもとのAC回路を両極ON/OFF)
  • 電源ONでOS起動&プログラム自動実行
  • ラズパイ用のDC5V電源
  • 動作状況確認用LED
  • 自動オフタイマー設定用ロータリーエンコーダ
  • タイマー0でプログラム&OSのShutdown
  • 箱の加工

いろいろ書いている割には、一番大変だったのが、「箱の加工」。

電子工作ではアルミケースが定番ですが、今回は、温度や時間の表示用に液晶画面を使ったので、外からも簡単に見られるよう、透明のアクリルケースにしてみました。

しかし、これがいけなかった・・・。

丸型の穴(ボリュームやコネクタ)はまだしも、電源プラグ(入・出)やスイッチのための四角い穴を作るのがものすごく大変(!)

小さ目のドリルで何十もの穴を並べて開けて、大雑把な形をくりぬき、そこからはひたすらヤスリ掛け。

ものすごい音(キーキー)と粉塵をまき散らしながら延々と作業することに。

出来上がりイマイチだし、素直にアルミケースにすればよかったです・・・。

小さなドリルで穴をたくさんあけます。

小さなドリルで穴をたくさんあけます。

SONY α7II + FE 90mm F2.8 MACRO G

穴を繋げて大きな穴に。

穴を繋げて大きな穴に。

SONY α7II + FE 90mm F2.8 MACRO G

延々とやすり掛け人生。

延々とやすり掛け人生。

SONY α7II + FE 90mm F2.8 MACRO G

現物合わせで微調整。面倒くさいこと、この上なし・・。

現物合わせで微調整。面倒くさいこと、この上なし・・。

SONY α7II + FE 90mm F2.8 MACRO G

ようやく、主要部品の置き場が決まりました。

ようやく、主要部品の置き場が決まりました。

SONY α7II + FE 90mm F2.8 MACRO G

作成途中の基板配線。少しリード線が太かったかなぁ・・・。

作成途中の基板配線。少しリード線が太かったかなぁ・・・。

SONY α7II + FE 90mm F2.8 MACRO G

もう一つ、苦労したのは部品間の配線。

細かい電子部品は1枚のユニバーサル基板上に実装したので問題ないのですが、スイッチ・ボリューム・エンコーダ・電源ユニット・プラグなど、基板と各部品間を結ぶ配線には悩ました。

適当な順番で結線を始めると、かなり小さ目のケースに入れようとしたため、最後の方はハンダ付け作業をやるスペースがなくなり、にっちもさっちもいかなくなります。

この調子で配線・ハンダ付けしていくと、最後の方はきつくてどうにもならない。

この調子で配線・ハンダ付けしていくと、最後の方はきつくてどうにもならない。

SONY α7II + FE 90mm F2.8 MACRO G

そこで、ハンダ付けによる直結配線はやめて、大部分をコネクタ(2250やターミナルブロック)で繋ぐように変更。これなら、終盤の接続もコネクタで差し込んでケースに押し込めます。

また、過剰なまでに太かったAC周りの配線(AWG18相当)を1ランク細くしました(AWG20相当)。

さらに、作業途中で液晶画面を割ってしまって号泣(480円ですが)。

ハンダ配線はやめて、ターミナルブロックを使うようにしました(AC回路。DCの方は2250で)

ハンダ配線はやめて、ターミナルブロックを使うようにしました(AC回路。DCの方は2250で)

SONY α7II + FE 90mm F2.8 MACRO G

色々やっているうちに、液晶画面のガラスを割ってしまいました(涙)

色々やっているうちに、液晶画面のガラスを割ってしまいました(涙)

SONY α7II + FE 90mm F2.8 MACRO G

無駄にバックライト付きの超高級品(820円ですが、笑)に交換したところ、バックライト分だけ全体の厚みが増してケースに入らなくなるトラブルも・・・。

マイコン(2層目)と各層を結ぶピンヘッダの長さを調整(40箇所ハンダ・・・)しなおし、なんとか、ケースに収まる高さになりました。いやはや。

ケースにギリギリ入れるよう、3層構造の高さを詰めました。(下の隙間はヒューズが通る予定)

ケースにギリギリ入れるよう、3層構造の高さを詰めました。(下の隙間はヒューズが通る予定)

SONY α7II + FE 90mm F2.8 MACRO G

また、ラズパイ自体の電源はUSBでの電源供給はやめて、自力電源で動くようにしたいところ。

最初はAppleの小型アダプタでもばらして使おうかと思いましたが、それでもデカくて入らないので、中国製のチト怪しげな電源パーツを購入しました。

ちゃんと動くかチト疑わしかったのですが、いざ試してみると、ちゃんと直流で5.1Vも出てくれたので一安心。

ラズパイは電源電圧にシビアで、ほんの少しでも5Vを下回るとフリーズやリセットがかかったりしてしまいますので、5.1Vはありがたいところです(^^)

左が怪しげな(?)電源パーツ。右はAppleのヤツ。

左が怪しげな(?)電源パーツ。右はAppleのヤツ。

SONY α7II + FE 90mm F2.8 MACRO G

ドキドキしながら、AC/DCアダプタ起動。 おぉ、無事に5.1V出てくれている!!

ドキドキしながら、AC/DCアダプタ起動。 おぉ、無事に5.1V出てくれている!!

SONY α7II + FE 90mm F2.8 MACRO G

それでも完成!

試作品で動作確認できてから、箱に入れるだけで1週間、ようやく完成しました。

テスターで短絡・地絡・混触なしを入念に確認して、恐る恐る電源スイッチを入れると・・・

おぉぉ、ちゃんと稼働した!! 液晶眩しすぎる・・・。

おぉぉ、ちゃんと稼働した!! 液晶眩しすぎる・・・。

SONY α7II + FE 90mm F2.8 MACRO G

無事にラズパイのOSが立ち上がり、さらにお手製ヒーター制御プログラムが起動すると、液晶のバックライトが点灯し、温度制御が始まりました!!

左のボリュームで目標温度を設定し、右のダイヤルでは自動オフ時間を調節でき、どちらも液晶画面にちゃんと表示されます。

この後は、涙で前が見えませんでしたが(うそ)、試作品時と同様、目標温度に対して±0.5℃程度の精度で正確に格安ヒーターを制御してくれました。

試作品から完成品までの作業を振り返ってみての課題は、

アクリルケースはアカン
加工が大変なことに加え、ACプラグ抜き差し時の力に耐えられずに壊れそうです。やっぱり、電子工作はアルミケースの方がいいと思います。
ラズパイをケチり過ぎた
メインのコンピュータとして最小機能のRaspberry Pi Zero(600円)を選んだのですが、Wi-Fiが無いので、外部からログインして制御データを見たりすることができない(USB端子にWi-Fiドングルを付ける必要がある)。WiFi付きのZero W(1300円)にしておけばよかった・・・
部品間接続はコネクタで
なんでもハンダ付けはアカン。今風にターミナルやコネクタで接続しましょう。
苦労して押し込んだだけあって、かなり小型でいい感じです(^^)

苦労して押し込んだだけあって、かなり小型でいい感じです(^^)

SONY α7II + FE 90mm F2.8 MACRO G

ケースは小さくていいのですが、やはりあまりにも脆そうなので、そのうち、アルミケースに入れ替えようかなぁと思っています。

また、今回の「超高性能 格安足元ヒーター制御装置」(←名前変わってる)に使った部品・お値段は以下の通りです。

種類 部品 お値段(円)
コンピュータ Raspberry Pi Zero 600
液晶画面 8×2行、バックライト 820
DC電源 チャイナ製怪しげ 280
SSR 秋月電子キット 660
AD変換IC MCP3208 300
電源スイッチ 2回路 220
ヒューズ・ホルダ 3A 140
温度センサ DB18B20 200
ロータリーエンコーダ 24クリック 80
可変抵抗器 10kΩ 40
ボリューム つまみ 160
LED 赤色 20
抵抗 330Ω,5kΩなど 10
ヒートシンク SSR用 80
ACインレット 90
ACアウトレット 120
ターミナルブロック 3端子 80
2250コネクタ 多数 100
ピンヘッダ 40ピン 150
ステレオジャック 温度センサ接続用 130
ステレオコネクタ 温度センサ接続用 120
プラケース ここで失敗? 130
ゴム足 4個 40

これらのパーツ代を全部合算すると、4,570円(税込み)

3,000円のヒーターに4,570円の制御装置を搭載するのが妥当なのかどうか、微妙なところではありますが(笑)、2週間にわたって十分楽しむことができましたので、良しとしましょう(^^)

まだまだ腰の状況は非常に悪く、自転車はかなり難しい感じです。

このままでは、電子工作日記ブログになってしまいそうですが、そろそろ、ローラーだけでも再開できるよう、少しずつ体を動かしていこう!(今は指先だけだ・・・)

楽しくてやりたい放題。ちなみに、ここは仕事机であり、寝室でもある。

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入門書は多数出ていますが、自分はこれでスタートしました

コメント

  1. 名前:sramred 投稿日:2021/01/31(日) 23:48:21 ID:146d58d87 返信

    ボリュームが2つ♪
    PIDだけでも難しいのに、100V扱うのは素人にはキビシイ…
    次はパルスオキシメーター自作などどうでしょうか(直接原価はさらに安そうw)
    ラズパイ+Linux+太陽光発電+リチウムイオンで100%カーボンフリーとかできないかなぁ…

    • 名前:Shiro 投稿日:2021/02/02(火) 18:32:05 ID:11963cda8 返信

      PIDはそんなに難しくなく、P/I/Dの各パラメータをやみくもに(?)調節してれば、いつかは適当な安定状態にたどり着きますので(^^)
      本当は、ある程度ちゃんとしたセオリーがあるのですが、やっちゃった方が早い・・・。

      100Vは本当に怖いので、慎重にも慎重を重ねた方がいいですね。
      ヒューズはもちろんですが、自分の腕が信用できないので(笑)、スイッチも双極(ACの2本とも切る)を使っています。

      よく考えたら、このダメヒーターに変圧器かまして50V供給にすればよかっただけじゃないか、という気もしてきましたが・・・。

      パルスオキシメーターの自作は割と簡単で、普通にセンサーが売られているので、I2C通信でRaspberry Piに取り込んで表示するだけです。

      センサーはAmazonで900円くらいなので、やってみようかな!?

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