Raspberry Pi Picoでアナログセンサーを読み取る — Velxio

はじめに

Velxioブログのハンズオンチュートリアルへようこそ！今回は、Raspberry Pi PicoのADC（アナログ-デジタル変換器） について詳しく見ていきます。Picoは非常に強力な小型ボードで、その最も優れた機能のひとつがアナログ電圧の読み取りです。センサーやポテンショメータなどに最適です。この例では、3つの外部アナログ信号をポテンショメータから読み取り、さらに内蔵温度センサーの値も取得します。これらすべてが、VelxioのSPICE精度のシミュレーションでブラウザ上で動作します。

Velxioシミュレーターキャンバス上のpico-adc-read回路図

回路の解説

回路を見てみましょう。2つのポテンショメータとLEDに接続されたRaspberry Pi Pico（VelxioではNano RP2040バリアント）があります。

コンポーネント

Raspberry Pi Pico（Nano RP2040）：処理の頭脳です。
ポテンショメータA0（pot-a0）：GPIO26（A0）に接続。可動接点（SIG）はA0へ、VCCは3.3Vへ、GNDはグランドへ。
ポテンショメータA1（pot-a1）：GPIO27（A1）に接続。配線は同様：SIGはA1へ、VCCは3.3Vへ、GNDはグランドへ。
赤色LED（led-temp）：GPIO2（D2）に電流制限抵抗（LEDコンポーネント内蔵）を介して接続。アノード（A）はD2へ、カソード（C）はグランドへ。

配線の詳細

A0（GP26） は青い線（#4488ff）でpot-a0のSIGピンに接続。
A1（GP27） は緑の線（#44cc44）でpot-a1のSIGピンに接続。
D2（GP2） は赤い線（#ff4444）で赤色LEDのアノードに接続。
両方のポテンショメータはPicoの3.3Vレール（赤い線）とグランド（黒い線）を共有。
LEDのカソードはグランドに接続。

注意：PicoのADCピンは3.3V対応なので、3.3V電源を使用します。ポテンショメータは分圧器として機能し、可動接点に0〜3.3Vの可変電圧を出力します。

コードの解説

それではコードを見てみましょう。Raspberry Pi Pico用のArduinoスタイルのC++で記述されています。

// Raspberry Pi Pico — ADC Read Test
// Reads analog values from A0-A2 (GPIO26-28) and the internal temp sensor

void setup() {
  Serial.begin(115200);
  delay(500);
  Serial.println("=== Pico ADC Read ===");
  Serial.println("A0=GP26  A1=GP27  A2=GP28  Temp=internal");
  Serial.println("12-bit resolution (0-4095), 3.3V ref");
  Serial.println();

  analogReadResolution(12);
}

void loop() {
  int a0 = analogRead(A0);
  int a1 = analogRead(A1);
  int a2 = analogRead(A2);

  // Internal temperature sensor on channel 4
  // T = 27 - (V - 0.706) / 0.001721
  int tempRaw = analogRead(A3); // Channel 4 mapped to A3 by Pico core
  float voltage = tempRaw * 3.3f / 4095.0f;
  float tempC = 27.0f - (voltage - 0.706f) / 0.001721f;

  Serial.print("A0: "); Serial.print(a0);
  Serial.print("  A1: "); Serial.print(a1);
  Serial.print("  A2: "); Serial.print(a2);
  Serial.print("  Temp: "); Serial.print(tempC, 1); Serial.println(" C");

  delay(1000);
}

重要なポイント

analogReadResolution(12)：ADCを12ビット解像度（0〜4095）に設定します。PicoのADCはデフォルトで12ビットですが、明示的に設定するのは良い習慣です。
analogRead(A0)：GPIO26（A0）の電圧を読み取ります。PicoコアはA0をGPIO26、A1をGPIO27、A2をGPIO28、A3を内蔵温度センサー（チャンネル4）にマッピングします。
温度計算：内蔵センサーは温度に応じて変化する電圧を出力します。式 T = 27 - (V - 0.706) / 0.001721 で電圧を摂氏に変換します。定数0.706Vは27°Cでの電圧、0.001721 V/°Cは傾きです。
シリアル出力：結果が1秒ごとに表示されます。

重要な概念

ADC解像度：PicoのADCは12ビットで、4096段階の離散電圧レベル（0〜4095）を表現できます。基準電圧は3.3Vなので、1ステップあたり約0.8mVです。
アナログ vs デジタル：ポテンショメータは連続的な電圧を提供し、ADCがそれをデジタル数値に変換します。
内蔵温度センサー：外部部品なしでチップの温度を監視できる便利な機能です。
分圧器：ポテンショメータは分圧器として機能し、電源電圧の一部を出力します。

よくある落とし穴とデバッグのヒント

ピンのマッピング間違い：A0はGPIO26、A1はGPIO27、A2はGPIO28、内蔵温度センサーはA3（チャンネル4）経由でアクセスすることを忘れないでください。
フローティングピン：ポテンショメータの可動接点が切断されていると、ADCの読み取り値がランダムになる可能性があります。常に確実な接続を確保してください。
シリアルモニター：ボーレートが一致していることを確認してください（115200）。Velxioでは、エディターツールバーからシリアルモニターを開きます。
LEDが点滅しない：この例のLEDはコードで制御されておらず、配線されているだけです。点滅させるには、digitalWrite(D2, HIGH) と delay() 呼び出しを追加する必要があります。

推奨拡張機能

3つ目のポテンショメータを追加：3つ目のポットをGPIO28（A2）に配線し、コードで読み取ります。
LEDを制御：温度読み取り値を使用して、しきい値を超えたときにLEDを点灯させます。
データをプロット：Velxioのシリアルプロッタを使用して、経時的なアナログ読み取り値を可視化します。
外部センサーを使用：ポットをフォトレジスタ（LDR）やLM35のような温度センサーに交換します。

自分で試してみよう！

実験の準備はできましたか？Velxioでライブサンプルを開き、回路やコードを調整してみてください。以下のリンクをクリックして、ブラウザでシミュレーションを起動してください。

VelxioでPico ADC読み取りサンプルを起動

楽しい工作を！