温度、湿度、気圧を測る（BME280使用）

解説

BME280は、温度、湿度、気圧の３つの環境情報を同時に測定できます。

「BME280 の仕様書」に従い、BME280クラス を作成しました。

作成したBME280クラスを利用して、温度、湿度、気圧を測定します。

秋月電子にて販売されている「ＢＭＥ２８０使用　温湿度・気圧センサモジュールキット」を使用しました。

部品表

最低限必要なものは「ハードウェアのセットアップ」参照

部品名	数量	商品名	参考価格
BME280モジュール	1	ＢＭＥ２８０使用　温湿度・気圧センサモジュールキット	1,080円

接続表

BME280モジュール側		ESP-WROOM-02側
ピン番号	ピン名称	ピン名称
1	VDD	3V3
2	GND	GND
3	CSB	IO15(Slave Select pin)
4	SDI	IO13(MOSI)
5	SDO	IO12(MISO)
6	SCK	IO14(SCK)

接続例

プログラム書き込み時の接続については、「ハードウェアのセットアップ」参照



プログラム書き込み時は、RTSピンとRESETピンを接続し、DTRピンとIO0ピンを接続します。
実行時は、RTSピンとRESETピンを接続しません、DTRピンとIO0ピンを接続しません。
（実行時に、RTSピンとRESETピンを接続し、DTRピンとIO0ピンを接続すると、シリアル通信時に、生じる信号が、RESETピン、IO0ピンに入り、「リセットがかかる」等、期待しない動作になります。）

BME280の測定処理の手続き

BME280を用いて温度、湿度、気圧の測定を行うための手続きは以下です。

１．レジスタ※へオプション設定の書き込み（※レジスタ：BME280の演算装置内にある記憶装置。）

・測定モード（定期的に測定するか、必要なときに測定するか）
・スタンバイ時間（定期的測定モードにおける測定終了から次回測定開始までの時間）
・オーバーサンプリング（ノイズ低減のためのオーバーサンプリングの設定）
・フィルタ係数（ノイズ低減のためのIIR フィルタの係数）
・SPIのワイヤー数（３ワイヤーか４ワイヤーか）
の設定をBME280のレジスタに書き込みます。

２．レジスタからトリミングパラメータの読み込み

温度、湿度、気圧は、A/D変換回路（アナログ-デジタル変換回路）によって、A/D変換値として測定されます。
A/D変換値をアナログ値（人間にとって意味のある値）に戻すには、補正計算を行う必要があります。
補正計算は補正計算式で計算します。
補正計算式中のトリミングパラメータをBME280のレジスタから読み込みます。

３．温度、湿度、気圧の測定

測定モードを、ノーマルモードとした場合は、測定のための特別な処理はありません。（測定モードを、ノーマルモードとした場合には、測定は、スタンバイ時間設定に従い、自動的に定期的に行われます。）
測定モードを、スリープモードもしくはフォースモードとした場合には、測定のために、測定モードをフォースモードに変更します。（測定モードを、スリープモードもしくはフォースモードとした場合には、測定は、測定モードをフォースモードに変更した直後に行われます。測定後、測定モードは、スリープモードに移行します）

４．レジスタからA/D変換値の読み込み

温度、湿度、気圧は、A/D変換値として計測され、レジストリに記憶されます。
A/D変換値をBME280のレジスタから読み込みます。

５．A/D変換値をアナログ変換値に戻す

補正計算式を用いて、A/D変換値をアナログ値（人間にとって意味のある値）に戻します。

１．２．は、最初に一度だけ実行します。
３．～５．を温度、湿度、気圧を取得したいときに実行します。

クラスファイルの作成

「BME280.h」というファイル名で、以下の内容のファイルを作成します。
「BME280の測定処理の手続き」の
１．２．を、begin()関数にまとめ、
３．～５．を、getData()関数にまとめています。

// // I2CLiquidCrystal.h // // Class to control BME280 // (See. BST-BME280_DS001-10.pdf) // // Written by Nobuki HIRAMINE // https://www.hiramine.com // Last modified : 2017/07/30 // #include <SPI.h> #define FORCEDMODE (0b0001) // オプションパラメータ struct OptionParameters { uint8_t ui8TemperatureOversampling; uint8_t ui8HumidityOversampling; uint8_t ui8PressureOversampling; uint8_t ui8Mode; uint8_t ui8StandbyTime; uint8_t ui8Filter; uint8_t ui8SPI3WireEnabled; }; // トリミングパラメータ struct TrimmingParameters { // 温度関連のトリミングパラメータ uint16_t ui16DigT1; int16_t i16DigT2; int16_t i16DigT3; // 気圧関連のトリミングパラメータ uint16_t ui16DigP1; int16_t i16DigP2; int16_t i16DigP3; int16_t i16DigP4; int16_t i16DigP5; int16_t i16DigP6; int16_t i16DigP7; int16_t i16DigP8; int16_t i16DigP9; // 湿度関連のトリミングパラメータ uint8_t ui8DigH1; int16_t i16DigH2; uint8_t ui8DigH3; int16_t i16DigH4; int16_t i16DigH5; int8_t i8DigH6; }; class BME280 { private: int m_pinCSB; OptionParameters m_optionparams; TrimmingParameters m_trimparams; int m_iTimeMeasurementMilliSec; public: // コンストラクタ BME280( int pinCSB, uint8_t ui8TemperatureOversampling, uint8_t ui8HumidityOversampling, uint8_t ui8PressureOversampling, uint8_t ui8Mode, uint8_t ui8StandbyTime, uint8_t ui8Filter, uint8_t ui8SPI3WireEnabled ) { m_pinCSB = pinCSB; m_optionparams.ui8TemperatureOversampling = ui8TemperatureOversampling; m_optionparams.ui8HumidityOversampling = ui8HumidityOversampling; m_optionparams.ui8PressureOversampling = ui8PressureOversampling; m_optionparams.ui8Mode = ui8Mode; m_optionparams.ui8StandbyTime = ui8StandbyTime; m_optionparams.ui8Filter = ui8Filter; m_optionparams.ui8SPI3WireEnabled = ui8SPI3WireEnabled; // 測定に要する時間 (See. P51, 9.1 Measurement time) // TimeMeasurementMax = 1.25 + (2.3 * TempOversampling) + (2.3 * PressureOversampling + 0.575) + (2.3 * HumidityOversampling + 0.575) double dTimeMeasurementMax = 1.25 + (2.3 * getOversamplingCount(m_optionparams.ui8TemperatureOversampling)) + (2.3 * getOversamplingCount(m_optionparams.ui8PressureOversampling) + 0.575) + (2.3 * getOversamplingCount(m_optionparams.ui8HumidityOversampling) + 0.575); m_iTimeMeasurementMilliSec = (int)dTimeMeasurementMax + 1; // 「+1」で簡易切り上げ演算を行う。 } // 開始 void begin() { // スレーブセレクトピンの設定 pinMode( m_pinCSB, OUTPUT ); // SPIのセットアップ SPI.begin(); SPI.setBitOrder( MSBFIRST ); // most-significant bit first setOptions(); readTrimmingParameters(); } // 温度、湿度、気圧の取得 void getData( double& rdTemperature, double& rdHumidity, double& rdPressure ) { if( 0b0011 != m_optionparams.ui8Mode ) { // インスタンス時に設定したモードがノーマルモード以外の場合は、 // スリープ状態にあるので、フォースドモードにモード変更することで、１回測定を実施する。 // （インスタンス時に設定したモードがノーマルモードの場合は、 // ノーマル状態にあるので、「測定に要する時間＋スタンバイタイム」間隔で測定が実施されているので、測定に関するアクションは不要） // 測定制御についての設定 (See. P26, 5.4.5 Register 0xF4 “ctrl_meas”) uint8_t ui8MeasurementControl = (m_optionparams.ui8TemperatureOversampling << 5) | (m_optionparams.ui8PressureOversampling << 2) | FORCEDMODE; writeRegister( 0xF4, ui8MeasurementControl ); // レジスタへの書き込み // 測定完了を待つ。 delay(m_iTimeMeasurementMilliSec); } // ADC値の読み込み uint32_t ui32Temperature_adc, ui32Humidity_adc, ui32Pressure_adc; getAdcData( ui32Temperature_adc, ui32Humidity_adc, ui32Pressure_adc ); // ADC値の補正 int32_t i32Temperature_fine = 0; int32_t i32Temperature_comp = BME280_compensate_T_int32( ui32Temperature_adc, i32Temperature_fine ); int32_t i32Humidity_comp = bme280_compensate_H_int32( ui32Humidity_adc, i32Temperature_fine ); int32_t i32Pressure_comp = BME280_compensate_P_int64( ui32Pressure_adc, i32Temperature_fine ); // 人間にとっての値に変換し、出力変数へ代入 // (See. P23, 4.2.3 Compensation formulas) rdTemperature = (double)i32Temperature_comp * 0.01; // [DegC] rdHumidity = (double)i32Humidity_comp / 1024.0; // [%RH] rdPressure = (double)i32Pressure_comp / 256.0 * 0.01; // [hPa] } private: // BME280のセットアップ // (See. P25, 5.4 Register description) void setOptions() { // 湿度制御についての設定 (See. P25, 5.4.3 Register 0xF2 “ctrl_hum”) uint8_t ui8HumidityControl = (m_optionparams.ui8HumidityOversampling); writeRegister( 0xF2, ui8HumidityControl ); // レジスタへの書き込み // 測定制御についての設定 (See. P26, 5.4.5 Register 0xF4 “ctrl_meas”) uint8_t ui8MeasurementControl = (m_optionparams.ui8TemperatureOversampling << 5) | (m_optionparams.ui8PressureOversampling << 2) | (m_optionparams.ui8Mode); writeRegister( 0xF4, ui8MeasurementControl ); // レジスタへの書き込み // 構成についての設定 (See. P27, 5.4.6 Register 0xF5 “config”) uint8_t ui8Config = (m_optionparams.ui8StandbyTime << 5) | (m_optionparams.ui8Filter << 2) | (m_optionparams.ui8SPI3WireEnabled); writeRegister( 0xF5, ui8Config ); // レジスタへの書き込み } // トリミングパラメータの読み込み // (See. P22, 4.2.2 Trimming parameter readout) void readTrimmingParameters() { // 温度関連のトリミングパラメータ m_trimparams.ui16DigT1 = readRegister(0x88) | (readRegister(0x89) << 8); m_trimparams.i16DigT2 = (int16_t)( readRegister(0x8A) | (readRegister(0x8B) << 8) ); m_trimparams.i16DigT3 = (int16_t)( readRegister(0x8C) | (readRegister(0x8D) << 8) ); // 気圧関連のトリミングパラメータ m_trimparams.ui16DigP1 = readRegister(0x8E) | (readRegister(0x8F) << 8); m_trimparams.i16DigP2 = (int16_t)( readRegister(0x90) | (readRegister(0x91) << 8) ); m_trimparams.i16DigP3 = (int16_t)( readRegister(0x92) | (readRegister(0x93) << 8) ); m_trimparams.i16DigP4 = (int16_t)( readRegister(0x94) | (readRegister(0x95) << 8) ); m_trimparams.i16DigP5 = (int16_t)( readRegister(0x96) | (readRegister(0x97) << 8) ); m_trimparams.i16DigP6 = (int16_t)( readRegister(0x98) | (readRegister(0x99) << 8) ); m_trimparams.i16DigP7 = (int16_t)( readRegister(0x9A) | (readRegister(0x9B) << 8) ); m_trimparams.i16DigP8 = (int16_t)( readRegister(0x9C) | (readRegister(0x9D) << 8) ); m_trimparams.i16DigP9 = (int16_t)( readRegister(0x9E) | (readRegister(0x9F) << 8) ); // 湿度関連のトリミングパラメータ m_trimparams.ui8DigH1 = readRegister(0xA1); m_trimparams.i16DigH2 = (int16_t)( readRegister(0xE1) | (readRegister(0xE2) << 8) ); m_trimparams.ui8DigH3 = readRegister(0xE3); uint8_t e5 = readRegister(0xE5); m_trimparams.i16DigH4 = (int16_t)( (readRegister(0xE4) << 4) | (e5 & 0x0F) ); m_trimparams.i16DigH5 = (int16_t)( (readRegister(0xE6) << 4) | (e5 >> 4) ); m_trimparams.i8DigH6 = (int8_t)readRegister(0xE7); } // ADC値の取得（温度、湿度、気圧） // (See. P28, 5.4.7 Register 0xF7…0xF9 “press” (_msb, _lsb, _xlsb)) void getAdcData( uint32_t& rui32Temperature_adc, uint32_t& rui32Humidity_adc, uint32_t& rui32Pressure_adc ) { // 気圧値の読み込み uint32_t ui32Pressure_msb = readRegister(0xF7); uint32_t ui32Pressure_lsb = readRegister(0xF8); uint32_t ui32Pressure_xlsb = readRegister(0xF9); // 温度値の読み込み uint32_t ui32Temperature_msb = readRegister(0xFA); uint32_t ui32Temperature_lsb = readRegister(0xFB); uint32_t ui32Temperature_xlsb = readRegister(0xFC); // 湿度値の読み込み uint32_t ui32Humidity_msb = readRegister(0xFD); uint32_t ui32Humidity_lsb = readRegister(0xFE); // ADC値の計算 rui32Pressure_adc = (ui32Pressure_msb << 12) | (ui32Pressure_lsb << 4) | (ui32Pressure_xlsb >> 4); rui32Temperature_adc = (ui32Temperature_msb << 12) | (ui32Temperature_lsb << 4) | (ui32Temperature_xlsb >> 4); rui32Humidity_adc = (ui32Humidity_msb << 8) | (ui32Humidity_lsb); } // 温度ADC値の補正 // (See. P23, 4.2.3 Compensation formulas) // Returns temperature in DegC, resolution is 0.01 DegC. Output value of “5123” equals 51.23 DegC. // t_fine carries fine temperature as global value int32_t BME280_compensate_T_int32(int32_t adc_T, int32_t& ri32Temperature_fine ) { int32_t var1, var2, T; var1 = ((((adc_T>>3) - ((int32_t)m_trimparams.ui16DigT1<<1))) * ((int32_t)m_trimparams.i16DigT2)) >> 11; var2 = (((((adc_T>>4) - ((int32_t)m_trimparams.ui16DigT1)) * ((adc_T>>4) - ((int32_t)m_trimparams.ui16DigT1))) >> 12) * ((int32_t)m_trimparams.i16DigT3)) >> 14; ri32Temperature_fine = var1 + var2; T = (ri32Temperature_fine * 5 + 128) >> 8; return T; } // 気圧ADC値の補正 // (See. P23, 4.2.3 Compensation formulas) // Returns pressure in Pa as unsigned 32 bit integer in Q24.8 format (24 integer bits and 8 fractional bits). // Output value of “24674867” represents 24674867/256 = 96386.2 Pa = 963.862 hPa uint32_t BME280_compensate_P_int64(int32_t adc_P, int32_t i32Temperature_fine ) { int64_t var1, var2, p; var1 = ((int64_t)i32Temperature_fine) - 128000; var2 = var1 * var1 * (int64_t)m_trimparams.i16DigP6; var2 = var2 + ((var1*(int64_t)m_trimparams.i16DigP5)<<17); var2 = var2 + (((int64_t)m_trimparams.i16DigP4)<<35); var1 = ((var1 * var1 * (int64_t)m_trimparams.i16DigP3)>>8) + ((var1 * (int64_t)m_trimparams.i16DigP2)<<12); var1 = (((((int64_t)1)<<47)+var1))*((int64_t)m_trimparams.ui16DigP1)>>33; if (var1 == 0) { return 0; // avoid exception caused by division by zero } p = 1048576-adc_P; p = (((p<<31)-var2)*3125)/var1; var1 = (((int64_t)m_trimparams.i16DigP9) * (p>>13) * (p>>13)) >> 25; var2 = (((int64_t)m_trimparams.i16DigP8) * p) >> 19; p = ((p + var1 + var2) >> 8) + (((int64_t)m_trimparams.i16DigP7)<<4); return (uint32_t)p; } // 湿度ADC値の補正 // (See. P23, 4.2.3 Compensation formulas) // Returns humidity in %RH as unsigned 32 bit integer in Q22.10 format (22 integer and 10 fractional bits). // Output value of “47445” represents 47445/1024 = 46.333 %RH uint32_t bme280_compensate_H_int32(int32_t adc_H, int32_t i32Temperature_fine ) { int32_t v_x1_u32r; v_x1_u32r = (i32Temperature_fine - ((int32_t)76800)); v_x1_u32r = (((((adc_H << 14) - (((int32_t)m_trimparams.i16DigH4) << 20) - (((int32_t)m_trimparams.i16DigH5) * v_x1_u32r)) + ((int32_t)16384)) >> 15) * (((((((v_x1_u32r * ((int32_t)m_trimparams.i8DigH6)) >> 10) * (((v_x1_u32r * ((int32_t)m_trimparams.ui8DigH3)) >> 11) + ((int32_t)32768))) >> 10) + ((int32_t)2097152)) * ((int32_t)m_trimparams.i16DigH2) + 8192) >> 14)); v_x1_u32r = (v_x1_u32r - (((((v_x1_u32r >> 15) * (v_x1_u32r >> 15)) >> 7) * ((int32_t)m_trimparams.ui8DigH1)) >> 4)); v_x1_u32r = (v_x1_u32r < 0 ? 0 : v_x1_u32r); v_x1_u32r = (v_x1_u32r > 419430400 ? 419430400 : v_x1_u32r); return (uint32_t)(v_x1_u32r>>12); } // レジスターへの書き込み // (See. P33, 6.3.1 SPI write) void writeRegister( uint8_t ui8Address, uint8_t ui8Value ) { digitalWrite( m_pinCSB, LOW ); SPI.transfer( ui8Address & 0b01111111 ); SPI.transfer( ui8Value ); digitalWrite( m_pinCSB, HIGH ); } // レジスターからの読み込み（8ビット値） // (See. P33, 6.3.2 SPI read) uint8_t readRegister( uint8_t ui8Address ) { digitalWrite( m_pinCSB, LOW ); SPI.transfer( ui8Address | 0b10000000 ); uint8_t ui8Value = SPI.transfer( 0b00000000 ); digitalWrite( m_pinCSB, HIGH ); return ui8Value; } // オーバーサンプリングのビットフラグ値から回数を求める // (See. P26, 5.4.5 Register 0xF4 “ctrl_meas”) uint8_t getOversamplingCount( uint8_t bitflag ) { switch( bitflag ) { case 0b000: return 0; case 0b001: return 1; case 0b010: return 2; case 0b011: return 4; case 0b100: return 8; } return 16; } };

サンプルコード

クラスファイル「BME280.h」は、サンプルコードファイルと同一フォルダにコピーします。

#include "BME280.h" // BME280のインスタンス // 第２引数以降の引数の値については、「BST-BME280_DS001-10.pdf」のp25、「5.4 Register description」参照。 BME280 bme280( 15, // スレーブセレクトピン（CSB：チップ選択）: 15番ピン 0b0001, // Temperature oversampling : x1 0b0001, // Humidity oversampling : x1 0b0001, // Pressure oversampling : x1 0b0000, // Mode : Sleep mode 0b0101, // Stand-by time : 1000ms 0b0000, // filter : 0ff 0b0000 ); // 3-wire SPI ? : No(4-wire SPI) void setup() { // シリアル通信の開始 Serial.begin(9600); // BME280の開始 bme280.begin(); } void loop() { // 温度、湿度、気圧の取得 double dTemperature, dHumidity, dPressure; bme280.getData( dTemperature, dHumidity, dPressure ); // 温度、湿度、気圧の表示 Serial.println( "----------" ); Serial.print( "temperature : " ); Serial.print( dTemperature ); Serial.println(" [DegC]"); Serial.print( "Humidity : " ); Serial.print( dHumidity ); Serial.println(" [%]"); Serial.print( "Pressure : " ); Serial.print( dPressure ); Serial.println(" [hPa]"); delay( 2000 ); }

実行

ESP-WROOM-02から送信されたものをPC（Arduino IDE の Serial Monitor）で受信した結果。
温度、湿度、気圧の測定結果がSerial Monitor画面に表示されます。

ダウンロード

サンプルスケッチファイル