Raspberry Piで単一GPIOピンを使ってアナログセンサーを測定

多くのマイクロコントローラーとは異なり、Raspberry PiはデジタルGPIOピンのみを提供します。これらはハイ（3.3V）とロー（0V）のロジックレベルをソースまたはシンクできますが、アナログ電圧を直接読み取ることはできません。幸い、シンプルなRC充電技術を使用すれば、LDRやサーミスタなどの可変抵抗センサーから、わずか1つのGPIOピンで値の範囲を取得できます。

なぜ機能するのか

古典的なRC回路では、抵抗とコンデンサが直列に接続されます。電圧が印加されると、コンデンサ電圧は指数関数的に上昇します。電源電圧の63%に達するまでの時間は、時定数t = RCで与えられます。ここでtは時間（秒）、Rは抵抗（オーム）、Cは静電容量（ファラド）です。コンデンサがGPIOのハイレベル閾値（3.3VのPiでは約2V）まで充電するのにかかる時間を測定することで、センサーの抵抗に比例した値、ひいては測定対象の物理量を取得できます。

例えば、10kΩの抵抗と1µFのコンデンサでは時定数は10msです。暗闇で1MΩを示すLDRでは、時定数が約1秒になり、明暗の区別が容易になります。

実践的な実装

3.3V電源とGPIOピンの間に明確な抵抗を確保するため、LDRと直列に2.2kΩの抵抗を挿入します。完全な測定シーケンスは以下の通りです：

コンデンサを放電: GPIOを出力に設定し、ローを駆動。
充電開始: GPIOを入力に再設定。電流が抵抗ネットワークを通ってコンデンサに流れ、電圧が上昇。
立ち上がり時間を測定: カウンター（または高分解能タイマー）をインクリメントし、GPIOがハイ（約2V）を読み取るまで続ける。経過時間がセンサーのRC時定数に等しい。
繰り返し: GPIOを出力に戻し、ローを駆動、継続的な監視のために必要なだけ繰り返す。

詳細なガイダンスについては、公式Raspberry Pi GPIOドキュメントとWikipediaのRC回路記事を参照してください。オンラインのRC時定数計算ツールで、センサーの範囲に合った部品値の選定に役立ちます。

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