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アナログ風ゲージ
2023.05.15

YouTube でも紹介しています。画像をクリックすると再生できます。


12 Useful & Interesting ESP32 Projects for Beginners!
YouTube でスタイリッシュな計器を見つけました。 この動画では、ESP32ボードに240x135 ST7789 SPIディスプレイが搭載されているTTGO T-DISPLAYが使用されています。 ロータリー エンコーダーの回転度合いを表示するとともに PC ファンを制御しています。 注目したのはこの表示部分です。色々と活用できそうなので、gitHubにアップされていたソースコードを変更して動くようにしてみました。

ディスプレイとマイコンボード一体型は使い勝手がよくないので、動作環境にはマイコンボードとディスプレイを別々に用意しました。
表示に使用されているフォントは、ビルド時、SPI FLASHに保存されるので、Arduino UNOなどは使用できません。 4MBのSPI FLASHを実装しているESP8266ボードのWeMos D1 mini V3.0を使用しました。

●WeMos D1 Mini V3.0

送料込みで418円でした。Arduino NANO互換機よりもかなりお安いです。

A mini wifi(802.11) board with 4MB flash based on ESP-8266EX(80MHz).
LOLIN D1 mini v3.1.0
MCUに80MHzのESP-8266EX、4MBのSPI FLASH、80KBのRAM、オンボードWiFiと非常にコスパに優れていて、日本ではあまり知られていませんが海外では人気のボードです。

Pinout

Note. All of the IO pins run at 3.3V.



Getting Started with WeMos D1 Mini

ソースコードのビルドには、PlatformIOを使用しています。
Arduino開発環境構築 PlatformIO

ボード情報をみてみます。
$ pio boards 'WeMos D1'
Platform: espressif32
===============================================================
ID              MCU   Frequency Flash RAM   Name
--------------- ----- --------- ----- ----- -------------------
wemos_d1_uno32  ESP32 240MHz    4MB   320KB WEMOS D1 R32
wemos_d1_mini32 ESP32 240MHz    4MB   320KB WeMos D1 MINI ESP32

Platform: espressif8266
===============================================================
ID           MCU     Frequency Flash RAM  Name
------------ ------- --------- ----- ---- ---------------------
d1           ESP8266 80MHz     4MB   80KB WEMOS D1 R1
d1_wroom_02  ESP8266 80MHz     2MB   80KB WeMos D1 ESP-WROOM-02
d1_mini      ESP8266 80MHz     4MB   80KB WeMos D1 R2 and mini
d1_mini_lite ESP8266 80MHz     1MB   80KB WeMos D1 mini Lite
d1_mini_pro  ESP8266 80MHz     16MB  80KB WeMos D1 mini Pro
プロジェクトを作成します。
$ mkdir ~/WeMosD1Mini
$ cd ~/WeMosD1Mini
$ pio init -b d1_mini

ピン定義を確認しておきます。
$ cat ~/.platformio/packages/framework-arduinoespressif8266/variants/d1_mini/pins_arduino.h
#define PIN_WIRE_SDA (4)
#define PIN_WIRE_SCL (5)

static const uint8_t SDA = PIN_WIRE_SDA;
static const uint8_t SCL = PIN_WIRE_SCL;

#define LED_BUILTIN 2

static const uint8_t D0   = 16;
static const uint8_t D1   = 5;
static const uint8_t D2   = 4;
static const uint8_t D3   = 0;
static const uint8_t D4   = 2;
static const uint8_t D5   = 14;
static const uint8_t D6   = 12;
static const uint8_t D7   = 13;
static const uint8_t D8   = 15;
static const uint8_t RX   = 3;
static const uint8_t TX   = 1;
●定番Lチカプログラム
$ vi src/builtin.ino
void setup() {
	pinMode(LED_BUILTIN, OUTPUT);
}

void loop() {
	digitalWrite(LED_BUILTIN, HIGH);
	delay(1000);
	digitalWrite(LED_BUILTIN, LOW);
	delay(1000);
}
$ pio run -t upload


次に解像度240x135のST7789ドライバ使用のTFTディスプレイを用意します。
●Adafruit 1.14" 240x135 Color TFT Display + MicroSD Card Breakout - ST7789

The TFT driver (ST7789) is very similar to the popular ST7735, and our Arduino library supports it well. There was a little space so Adafruit placed a microSD card holder so you can easily load full color bitmaps from a FAT16/FAT32 formatted microSD card. (GREENTAB)
上記のAdafruit製ディスプレイも製造終了品のようなのですが、MOUSER.JPで大量に在庫があったのでストックしておきました。

●ロータリーエンコーダ
ロータリーエンコーダには、壊れたマウスから部品取りしてあったものをブレッドボード上に配線しやすいように加工しました。


●配線

ST7789 -  D1 Mini  - Encoder
TFTCS  -  [D8]HCS    
DC  -  [D3]    
RST  -  [D4]    
LIT  -  [D0]    
SCK  -  [D5]HSCK    
MISO  -  [D6]HMISO   
MOSI  -  [D7]HMOSI   
Vin  -  3.3V    
GND  -  GND  -  GND 
     D1  -  ENC_A 
     D2  -  ENC_B 

●EspGauge ソースコード

VolosR/EspGauge

取り合えず、ビルドだけ通したいのであれば、設定ファイルは下記のような感じです。 TFT_eSPI の設定で、User_Setup.h 内のピン番号を書き換えて使用する方法を見かけますが、お薦めできません。
$ vi platformio.ini
[env:d1_mini]
platform = espressif8266
board = d1_mini
framework = arduino
lib_deps = 
	adafruit/Adafruit GFX Library
	bodmer/TFT_eSPI @ ^2.5.2
build_flags =
	-fpermissive
	-D SERIAL_BAUD=115200
	-D USER_SETUP_LOADED
	-D LOAD_GLCD
	-D ST7789_DRIVER
	-D TFT_WIDTH=135
	-D TFT_HEIGHT=240
	-D TFT_DC=D3
	-D TFT_CS=-1
	-D TFT_RST=D4
	-D TFT_BL=-1
	-D TFT_ROTATION=2
	-D SPI_FREQUENCY=40000000
ビルドしてコードをマイコンにアップロードできますが、フォント情報を取り込めず不具合が発生してしまいました。

EspGauge.ino (抜粋)
void setup() {
    ........
    img.setSwapBytes(true);
    img.createSprite(220, 105);
    img.setTextDatum(4);
    ........
}

void loop() {
    ........
    img.fillSprite(TFT_BLACK);
    img.fillCircle(sx,sy,124,color5);

    img.setTextColor(TFT_WHITE,color5);
    img.setFreeFont(&FreeSans9pt7b);
    for(int i=0;i<10;i++)
        if(start[i]+angle<360){
            img.drawString(cc[i],x[start[i]+angle],y[start[i]+angle]);
    ........

    img.pushSprite(10, 30);
ESPGaugeでは、Adafruit GFX ライブラリをコアとして、機能拡張された TFT_eSPIライブラリが使用されています。 制作者の意図を考えると、毎回再描画される決まりきった部分をテンプレート化するために、スプライト機能を用いたように思えるのですが、 そのテンプレート部分にも更新が発生しており、最適化されていないようです。 また、スプライト機能は小さなキャラクタを1つ描いておいて、それを複製させるのには有効ですが、画面の大半をスプライトしようとすると 膨大なRAMを消費するため、ESP32-S2,S3のような数MBのPSRAMを実装していないマイコンでは対応できません。

●ソースコードの変更点
・TFT_eSPIライブラリは使わないように変更
・ロータリーエンコーダの検出ロジック変更
  【Arduino】マウスホイール(ロータリーエンコーダ)の回転量を取得する
・割り込み処理→loop()内処理に変更
ソースコードは変更点が多過ぎて説明する気になれません。

#include <Adafruit_GFX.h>
#include <Adafruit_ST7789.h>
#include "FreeSans9pt7b.h"
#include "fonts.h"

#define TFT_CS         D8
#define TFT_RST        D4                                            
#define TFT_DC         D3
#define TFT_BL         D0

Adafruit_ST7789 tft = Adafruit_ST7789(TFT_CS, TFT_DC, TFT_RST);

#define WHITE    0xFFFF
#define BLACK    0x0000
#define ORANGE   0xFBE0
#define SKYBLUE  0x8410
#define color4   0x15B3
#define color5   0x00A3

volatile int counter = 0;
float gauge;

double rad=0.01745;
float x[360];
float y[360];

float px[360];
float py[360];

float lx[360];
float ly[360];


int r  = 100;
int sx = 110 + 10;
int sy = 116 + 30;

char *cc[10]={" 0","10","20","30","40","50","60","70","80","90"};
int start[10];
int startP[60];

#define ENC_A D1
#define ENC_B D2

bool debounce=true;
uint8_t prev = 0;
int     angle = 270;
int     lastAngle = 0;

void drawGauge()
{
	char buf[16];

	gauge = ((angle-270)/3.60)*-1;
	if(gauge < 0) gauge = gauge + 100;
//	tft.fillCircle(sx,sy,124,color5);
	tft.fillCircle(sx,sy,112,color5);
//	tft.setTextColor(color5);
	tft.setFont(&FreeSans9pt7b);
	tft.setTextColor(WHITE);

	for(int i=0;i<10;i++) {
		if(start[i]+angle<360){
			drawString(cc[i],x[start[i]+angle]-10,y[start[i]+angle]+9);
			tft.drawLine(px[start[i]+angle],py[start[i]+angle],lx[start[i]+angle],ly[start[i]+angle],WHITE);
		} else {
			drawString(cc[i],x[(start[i]+angle)-360]-10,y[(start[i]+angle)-360]+9);
			tft.drawLine(px[(start[i]+angle)-360],py[(start[i]+angle)-360],lx[(start[i]+angle)-360],ly[(start[i]+angle)-360],WHITE);
		}
	}

	tft.setFont(&DSEG7_Modern_Bold_20);
	sprintf(buf, "%d", (uint8_t)gauge);
	if (gauge < 10) {
		drawString(buf,sx-4,sy-16);
	} else {
		drawString(buf,sx-20,sy-16);
	}

	for(int i=0;i<60;i++) {
		if(startP[i]+angle<360)
			tft.fillCircle(px[startP[i]+angle],py[startP[i]+angle],1,SKYBLUE);
		else
			tft.fillCircle(px[(startP[i]+angle)-360],py[(startP[i]+angle)-360],1,SKYBLUE);
	}
	tft.fillTriangle(sx-1,sy-70,sx-5,sy-56,sx+4,sy-56,ORANGE);

	tft.setTextColor(WHITE);
	tft.setFont();
	drawString("POWER",104,96);
	tft.setFont(&FreeSans9pt7b);
	drawString("%",sx+16,sy-16);
}

void updateEncoder()
{
	int value = 0;
	uint8_t ab, encoded;

	if (debounce) {
		for (uint8_t i=0; i < 20; ++i) {
			uint8_t a = digitalRead(ENC_A);
			uint8_t b = digitalRead(ENC_B);

			ab = (a << 1) | b;
			encoded  = (prev << 2) | ab;

			if(encoded == 0b1101 || encoded == 0b0100 || encoded == 0b0010 || encoded == 0b1011){
				value++;
			} else if(encoded == 0b1110 || encoded == 0b0111 || encoded == 0b0001 || encoded == 0b1000) {
				value--;
			}
			prev = ab;
			delay(10);
		}
		if (value > 0) {
			angle = angle + 6;
		} else if (value < 0) {
			angle = angle - 6;
		}

		if(angle>=360) angle=0;
		if(angle<   0) angle=354;
//		Serial.print("angle:");
//		Serial.println(angle);
	}
}

void drawOnOFF(bool onOff)
{
	tft.fillRect(192,11,50,16,BLACK);
	tft.drawCircle(202,18,7,WHITE);
	tft.drawCircle(222,18,7,WHITE);
	tft.drawLine(202,11,222,11,WHITE);
	tft.drawLine(202,25,222,25,WHITE);
	tft.fillRect(203,12,18,13,BLACK);
	if (onOff) {
		tft.fillCircle(202,18,4,ORANGE);
	} else {
		tft.fillCircle(222,18,4,ORANGE);
	}
}

void drawString(char *str, uint8_t x, uint8_t y)
{
	tft.setCursor(x, y);
	tft.print(str);
}

void setup()
{
	Serial.begin(9600);
	pinMode(ENC_A, INPUT_PULLUP);
	pinMode(ENC_B, INPUT_PULLUP);
/*
	ledcSetup(pwmLedChannelTFT, 5000, 8);
	ledcAttachPin(TFT_BL, 0);
	ledcWrite(0, 90);
*/
	pinMode(TFT_BL,OUTPUT);
	analogWrite(TFT_BL, 64); // 0 - 255

	tft.init(135, 240);
	tft.setRotation(3);
	tft.fillScreen(BLACK);

//	tft.setFont(&FreeSans9pt7b);
	drawString("ON/OFF",196,4);
	drawString("CONTROL",20,20);
	drawString("MOTOR",20,6);

	tft.setTextColor(color4);
	drawString("REVOLUTIONS PER MINUTE",60,4);

	drawOnOFF(true);

	int b=0;
	int b2=0;

	for(int i=0;i<360;i++) {
		x[i]=(r*cos(rad*i))+sx;
		y[i]=(r*sin(rad*i))+sy;
		px[i]=((r-16)*cos(rad*i))+sx;
		py[i]=((r-16)*sin(rad*i))+sy;

		lx[i]=((r-24)*cos(rad*i))+sx;
		ly[i]=((r-24)*sin(rad*i))+sy;

		if(i%36==0) {
			start[b]=i;
			b++;
		}

		if(i%6==0) {
			startP[b2]=i;
			b2++;
		}
	}
	tft.fillCircle(sx,sy,124,color5);

	tft.setTextColor(ORANGE);
	tft.setFont(&FreeSans9pt7b);
//	tft.setFont(&Slackey_Regular_16);
	drawString("32465",92,30);

	drawGauge();
}

void loop()
{
	static int lastCounter = 0;

	updateEncoder();

	debounce = false;
	if(angle != lastCounter) lastCounter = angle;

	if(angle!=lastAngle) {
		lastAngle = angle;
		drawGauge();
	}
	debounce=true;
}
言い訳:月2回の動画配信のために、手の空いたときに作業を行っているのですが、情報収集→テスト環境構築→ソースコード解析→システム設計→コーディング→検証→YouTube動画解説サイト編集(当サイト)→YouTube動画作成の工程をこなすには時間的にかなり無理があります。それで作成したコードは全然ブラッシュアップされていません。

●デフォルトフォントの変更
デフォルトフォントを変更します。
~/WeMosD1mini/ESP32Gauge/.pio/libdeps/d1_mini/'Adafruit GFX Library'/glcdfont.c
static const unsigned char font[] PROGMEM = {
    ・・・・・・・・
};
   ↓配列の中身を下記のデータに置き換えます
https://github.com/Bodmer/TFT_eSPI/blob/master/Fonts/glcdfont.c
static const unsigned char font[] PROGMEM = {
    ・・・・・・・・
};

デフォルトフォントを追加します。
https://github.com/Bodmer/TFT_eSPI/tree/master/Fonts/GFXFF/FreeSans9pt7b.h
をソースディレクトリにコピーします。

●検証

電源をいれた直後の状態です。


ロータリーエンコーダのローラーをくるくる回すとゲージも回転します。

今回はロータリーエンコーダーの数値表示に用いましたが、色々な用途への応用は容易です。

■参考文献
Gauge for ESP32 and TFT (LilyGo T-Display)
ロータリーエンコーダを使う(1)
 Raspberry Pi(ラズベリー パイ)は、ARMプロセッサを搭載したシングルボードコンピュータ。イギリスのラズベリーパイ財団によって開発されている。
2020.05.28 画像処理 第1回トイカメラ
2020.06.09 画像処理 第2回カメラモジュール制御
2020.06.28 画像処理 第3回リアルタイムクロック
2020.07.08 画像処理 第4回電源回路
2020.10.27 画像処理 第5回自作デジカメ初号機完成
2020.11.10 画像処理 第6回ドーナツデジカメ
2021.05.16 画像処理・基本変換
2021.07.10 M5Stackアプリの移植
2022.04.04 減色処理 雑談
2022.04.18 減色処理 均等量子化法とK平均法
2022.05.04 減色処理 グレースケール・二値化
2022.05.18 減色処理 二値化画像印刷
2022.08.12 京セラ feelH” Treva カメラ
2022.10.15 デジカメ弐号機 1.仕様変更
2022.10.21 デジカメ弐号機 2.SDカードとRTC
2022.11.04 デジカメ弐号機 3.SPI DISPLAY
2022.11.18 デジカメ弐号機 4.ストリーミング
2022.12.02 デジカメ弐号機 5.機能統合
2022.12.17 デジカメ弐号機 6.完成
2023.05.15 アナログ風ゲージ
2023.06.01 ADS1115デジタル電圧計
2023.10.01 立体視(ステレオグラム)
2024.04.08 自作デジカメ参号機・雑談
2024.08.24 シリアルカメラ


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