LED時計

7セグLEDにマイコンで時刻を表示する典型的なLED時計です。難易度も高くなく、高価な部品も使わず、実用性があるので、初心者の電子工作でよく使われると思います。実際、僕も昔他人の回路、プログラムを真似て作りました。
ただの時計では面白くないので、LEDの明るさが周りの明るさにより変化する機能を付け、少し見やすいようにしました。




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これを作った動機としては、安く手に入ったクリスタルを使ってみたかったからです。少し昔の話で具体的に価格は覚えていませんが、6MHzが7つ手元にありました。普段よく使うAVRマイコンはATtiny2313やATmega168Pなどで、内蔵RC発振器で8MHz動作ができるため、この6MHzのクリスタルでは「高速」動作と言う用途には向かず、「正確」な発振を生かすしかありません。時計プログラムを作ったことは無かったということもあり、これを時計に使って見ました。

しかし、普通の時計は以前作ったことがあり、またアラームやストップウォッチ、タイマーなどの機能も考えましたが既製品で足りています。そのため既製品とは違う機能として輝度調整機能を付けてみました。これはLEDの輝度が周囲が明るさに応じて変化するもので、これにより明るい場所で文字が薄くて見えづらいことや、暗い場所で文字がまぶしいことを防ぎます。
左下の写真は暗い場所で、右下は比較のためにほぼ同じ明るさで、センサ部分のみ明るくしたときの写真です。周りの明るさを変えると見え方が変わるので、センサ部分の明るさのみ変えて比較しました。
　
周囲が暗いとき　　センサが明るいとき


周囲の明るさの読み取りはCdSセルによりアナログ値で読み込みます。
ここで使用しているATtiny2313にはADコンバータ機能はありませんが、今回はCdSを通したコンデンサ充放電にかかる時間により、明るさを判定しています。CdSは周囲が暗いと抵抗値が上がる素子なので、これを通してコンデンサを充電すると、暗いほど充電に時間がかかります。
下図の回路において、PD1にHigh出力をすると同時に時間計測を開始し、コンデンサが充電され端子電圧が上がり、PD0にHigh入力が検出されたときまでの所要時間を測定します。その後PD1をLow出力し、コンデンサを放電します。この時放電を十分行うため、次の測定まで十分な時間が必要となります。またCdSは暗所での抵抗値が高すぎるためコンデンサの放電が上手くいかないので、抵抗を並列に接続し調整しています。

　疑似ADC回路
(ピンは使用したものとは異なる)
このような方式をどこかで見たことがあったのですが、手元に資料が見つからず、インターネット検索しようにも何と調べればよいかわからず、結局アイデア以外は自作することとなりました。CdS自体個体差の大きいものであり、精度など要求しない為、特に計算などせず、実測から計算に使う定数等を決めています。ピン変化割り込みやタイマ/カウンタ等を使おうとも考えましたが測定に大して時間もかからず、割り込みを使うまでもないと考え、充電開始から変数を1ずつカウントアップしていき、デジタル入力ピンの閾値を超えた時点でのカウントを読む、という簡易的方法をとりました。この方法では測定中の数us～数ms他のことができませんが、単なる時計では問題ありません。また測定中に割り込み処理が入ると測定値が狂いますが、一瞬輝度を間違えられたところで気づくほどではないようなので、対策していません。


　　　　基板裏
チップコンデンサの一方が明るさ読み取り用



試しに一か月ほど使ってみましたが、時間のずれは10秒以内くらいでした。しかし、電池の消耗が大きく、単四アルカリ乾電池2本ではほとんど見えない状態になってしまいました。電池二本の3Vで赤LEDの1.8V程を駆動させるので、電池一本当たり0.3Vも下がれば電流は半分です。連続使用なのですぐに電圧が落ち、時計は動いているものの読めなくなってしまいました。
そこで、プログラムを少し修正し、輝度を少し落としました。電流を測定したところ、最低輝度クラスで5mAほど、最高輝度クラスで40mAほどでした。LEDの点灯は断続的であり、これがその平均を示すのかはわかりませんが、差が大きいことだけはわかります。単四アルカリ乾電池が900mAhほどだそうなので、1/3日中輝度、2/3日低輝度とすると20mA*8 + 5mA*16h = 240mAhを一日で使い、4日もすれば使い切ることになるので測定値と実際は大分違うようです。しかし輝度による差は確かだと考えられるので、小さい電池で使うならできるだけ暗い所で、明るいところで使うならACアダプタに変えるなどすると良いかも知れません。


使用法
時間設定は一つのボタンで行います。

①ボタンを三秒以上押し続けて離すと、設定モードになり、'分'表示が点滅しだします。3秒"以上"なので、「2.8秒で無効」などとならないよう4秒間待つなどすると良いでしょう。以後同じことが言えます。

②ボタンを短く押すと'分'が上がります。現在時刻より1分後になるまで押します。この際、内部での'秒'カウントは止まっているため、ボタンを押さなければ1分経っても'分'は上がりません。

③ボタンを3秒以上押すと'分'設定を終え'時'の設定に移り、'時'表示が点滅しだします。ボタンを離した瞬間に、時計の'秒'が再設定されます。離した瞬間が0.00..秒なので正確に合わせるときは、56秒以前からボタンを押しっぱなしにし、0秒になるタイミングで離せば正確に合わせられます。

④ボタンを短く押すと'時'が上がっていきます。この際時計のカウントは動いているので、59分から00分になるタイミングで'時'が上がるので注意してください。

⑤ボタンを3秒以上押して離すと設定モードが終わり、通常表示に戻ります。


回路図


プログラム
clock_2313.txt
hexファイルはアップロードの都合上拡張子を変えてありますので、「.txt」を「.hex」に変更してご利用ください。

ヒューズビット

Low	High	Ext
FF	DB	FF

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電子オルゴール

一つのICとスピーカと少数の部品のみで音が鳴る電子オルゴールです。パッヘルベル「カノン」フルコーラス3和音、強弱記号搭載です。電池、スピーカを含めず部品代は200円程度となっており、市販のオルゴールICに勝るとも劣らないものになっていると思います。



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AVRで何か音の出るものを作りたという考えから始まり、せっかくだから和音を作ろうと思い「カノン」を選び、終わりどころがわからず最後まで作ってしまったという形です。
楽譜は全て手打ちで、音階を変換用プログラムに一つずつ打ち込み、その出力をAVRに書き込むというようにしました。MIDIからの変換などにすれば良かったと今になって思いますが、最初はここまで長くなると思わずこの方式にし、合計で数十時間を費やしてしまいました。プログラム製作に掛けた時間では自己最長です。
楽譜データは1音符1byteになっており、上位3bitが長さ、下位5ビットが音階データになっています。また強弱記号や♯、♭も一つの音符として楽譜上に書いています。

音を出す方式は、あらかじめ用意した波形テーブルを順番にPWMで出力しています。これをフィルタ回路に通すことで、下図のような波形を電圧で得ることができます。ここでは典型的なフィルタ回路ではなく、それから素子を減らした「フィルタもどき」になっていますが、これはスピーカを直接駆動する出力を得るためで、効果は少し低いです。データ容量の問題で一周期40プロットとなっており、音質はあまり良くありません。
まずはあらゆる波の基本となる正弦波で作って見ました。フルートなどはこの波形だそうです。
せっかくなのでバイオリンのような音を出したいと思い、色々調べましたが、音質の要素である「減衰」、「ゆらぎ」などは容量の問題で実装できません。波形だけでも似せようと倍音の合成波を作るなどし色々試しましたが、それらしくはなりませんでした。試行錯誤しているうちに「オルガン」のような音が出たのでこれも採用しました。

　　　　正弦波　　　　　　　　合成波

これを、出したい周波数により読み込む周期を変え、音程を変えます。また和音を出す際は、旋律それぞれで出力すべき数値を求め、それらを足し合わせることで波形の合成を行います。

スピーカは基本的には大きいほど低音がしっかり出るという印象ですが、回路が小さいのでスピーカも小さいものを付けました。何かを分解して得たものですが、結構良い音質と音量が出ています。これを錫メッキ線で配線兼固定し、これを紙筒で巻きました。これにより、スピーカ裏から出る逆位相の音との干渉を防ぎ、特に低音の音の出を良くします。この作品以外でも、裏面の音の処理をするかしないかで音量・音質は大分違います。


　　　錫メッキ線固定　　　　　　部品面　　　　　　　　　紙筒　


スピーカの出力をマイクで拾って録音しました。mp3では容量オーバーとなってしまうため、動画でアップしました。
sin波によるカノン


合成波によるカノン




回路図


アートワーク



プログラム
kanon1
kanon2
hexファイルはアップロードの都合上拡張子を変えてありますので、「.txt」を「.hex」に変更してご利用ください。

ヒューズビット

Low	High	Ext
FF	DB	FF

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電子ルーレット

5つのLEDを光が流れ、ボタンを押すとそのどれかで止まるという、五者択一に役立つ電子ルーレットです。
回路、プログラム共に初心者向けというような容易なものに見えますが、「できるだけ安価で実用的なもの」というテーマで作ってみました。その上で、幾つかの付加機能（演出）も入れています。




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前述のようにこの電子ルーレットは、以下のような目標を以下の順の優先度で目指して作りました。

①単価が安いこと。個人でも通常まとめ買いするもの（抵抗など）はその単価で計算する。尚電池は価格に含めない。
②実用的なものであること。ただ光る、などではなく、少しでも生活に役立つ見込みがあるもの。
③上項を満たしたうえで機能をできるだけ増やすこと。

まず①は最後にして②について。
実用的なものとしては時計などが良く挙がりますが、これは数字表示の7セグLEDや水晶振動子がどうしても高価になってしまうため、作れません。だからと言ってLEDが点滅するだけでも役に立たないので、その光に安価に意味を持たせられるルーレットにしてみました。
次に③について。
もっとも単純なルーレットとしては、「ボタン押下→LED流れ始める→ボタン押下→LED停止」という動きになりますが、ただチカチカ動いてピタッと止まるのも（それはそれで面白いかも知れないが）簡単すぎて面白くないので、下記の機能を付けました。

• 点灯、消灯はフェードを付け、電子蛍のようにだんだん点きだんだん消える。
• 一定時間が経つとスリープモードになるため、電源オフが必要ない。10^-2[mA]精度のテスター実測で、スリープ時の消費電力は0.00[mA]であった。

最後に①について。
単価をできるだけ安くするようにし、1円単位で削りました。大きいものから紹介すると、
・マイコンは僕の知る限り秋葉原で最も安く入手できる、秋月電子のATtiny2313を用いました。1個100円。
・スイッチは秋月電子で100個買いしたもので、1個8円。
・意外と大きな問題なのが電池ボックスでした。3～5[V]を供給するには単三等を2～3本直列が簡単ですが、2011年1月現在最安なのは秋月電子の35円。これでは高いので、電池スナップを使い、006P電池の9[V]をレギュレータで5[V]にしました。スナップが10円、レギュレータが秋月電子S-812C50AY-B-Gで、8個100円、1個12.5円なので、1セット22.5円。
・基板は秋月電子60円基板の7/25列なので、一個分約20円。
・LEDは秋月電子の100個400円のもので、1個分、5個で20円。
・抵抗は100本100円なので1本1円。

従って、電子ルーレット一つ当たり171.5円になります。


抵抗はLEDの電流制限用ですが、複数の並列のLEDを抵抗一本で使ってはいけなく、それぞれに抵抗が必要というのが常識です。その理由の一つは個体差があるためで、例えば3個のLEDにそれぞれ20[mA]流す計算で、計60[mA]が一つの抵抗で流されてるとすると、このとき3つのLEDの順方向降下電圧に差があった場合、流れ込む電流に差ができ、一つのLEDに20[mA]を大きく上回る電流が集中して流れる危険があります。この電子ルーレットは少しずつLEDが消えていく間に次のLEDが少しずつ点き、二つ同時点灯してるように見えますが、交互に目に見えない早さで点滅させ、同時には点けていないため、抵抗は一本で済ませられます。

また今回、初めてフラックス洗浄を行ってみました。と言っても専用の洗浄剤などは買っておらず、手持ちにあったアルコールを布と綿棒に含ませて拭いてみました。アルコールは多分塗料を薄めるために買ったものでしたが、試してみると結構きれいになりました。

　　配線面（洗浄前）　　　　　　配線面（洗浄後）


回路図


プログラム
roulette.txt
hexファイルはアップロードの都合上拡張子を変えてありますので、「.txt」を「.hex」に変更してご利用ください。

ヒューズビット

Low	High	Ext
E4	DF	FF

2011/03/15 ヒューズビット High,Low逆

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HIDaspx

AVRライタ（プログラマ）です。以前公開の作品がAVRを使ったものでしたから、これは勿論その前に作ったものです。AVRを含むマイコン工作をする際は、基本的にはこのようなプログラマが必要です。HIDaspxはその中でも、安価・使い易い・作り易いなど好条件であるため、僕は普段これを使っています。



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基本的に以下のサイトのものの通りで、使用しない部分の部品を削減しています。ソフトウェアはファームウェア、パソコン用共に、すべてこのサイトのものです。
参考サイト：千秋ゼミ

しかし、これを作るにはAVRにプログラムを書き込まなければなりません。書き込みをするために書き込み器を作るために書き込みをしなければならない・・・　という「卵と鶏問題」とも呼ばれる問題が起こります。そのため、AVRライタを一つも持ってないときにこれを作ることはできません。僕は以下のサイトのライタを仮に（ブレッドボード上で）作ることで、HIDaspxを作りました。
参考サイト：FTDI BitBang AVR-Writer
このサイトの「ICSPライタ」をブレッドボード上で作りました。僕は別件でたまたま「AE-UM232R」を買っていたためほとんど0円で作りましたが、探せば他にも方法はあります。
これを作っておいてあえてHIDaspxを作るのは、小さくできる、書き込みが速いなどの理由があります。

実はこれを作る前に、千秋ゼミさんのサイトで紹介されているプリント基板を購入して作ったことがあり、このHIDaspxは二代目です。作り直した理由は、「USB-IO」機能を当面使わないこと、USB-A - mini B変換コネクタを付けると意外と大きくなってしまうこと、電源等切り替えのジャンパピンを無くしやすいから、作り直してみました。

プリント基板で作成　　　　大きさ比較

できるだけ小さくしようと、基板の穴（部品の下以外）を使い切ってしまいました。表面実装の「ATtiny2313-20SU」をマルツパーツ館にて購入していましたが、クリスタルが大きいことからあまり変わらないだろうと判断し、デザイン性も込めてdipの2313を使いました。
ケースを付ける前の写真がないのでわかりにくいですが、裏にも表面実装抵抗と積セラコンが、計5個付いています。ケースは1[mm]厚のアクリル板に切れ込みを入れて折り曲げ、グルーガンで固定しています。

　　裏面(配線面)　　ケースのグルー固定


2010/12/20 回路図修正　R8 追加

回路図





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ISP_tester

AVRマイコンを使ったものを作る際、プログラム書き換えの可能性があるときはISP端子を基板につけるようにしています。これを利用すると、製作途中にパソコンから読み込ませることにより、AVRを熱破壊してしまっていないか、プログラミング用の配線を間違えていないか、などを確認することができます。
しかし接続を確認するためだけにパソコンを起動しなければならないのも面倒だと考え、パソコンなしでも接続テストだけできるものを作りました。




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これをAVRのISP端子接続し、ボタンを押すと、「プログラミング許可」命令、「識票符号読み出し」命令を送信し、それぞれ同期確認の第2ﾊﾞｲﾄ($53)、供給者符号($1E)を受信できれば成功とし、ブザー音2回と青LED点灯します。一方でも満たさなかった場合は最大5回繰り返し、5回失敗すると赤LEDが点灯します。二つの条件を課すことと失敗時に5回試みることで確実性の向上を図りました。
また、せっかくISPコネクタを付けているので、スイッチ一つでISP_testerの動作、ファームウェア書き換えを切り替えられるようにし、スイッチを切り替えAVRライターをコネクタに接続するだけで書き換えができるようにしてみました。

右下の写真はMISOの配線を外しているため「失敗」となっています。

成功時　　　　　　　　　失敗時

小さく作りたかったので電池のスペースを節約するため、単三１本のみの使用にし、DC/DCコンバータ　HT7750Aを用いてAVR駆動とLED点灯に必要な電圧を得ています。また単三２本の電池ボックスに収めたため、基板の裏にまで抵抗などの部品が配置されています。表面実装の部品があれば良かったのですが手持ちに無かったため、1/4Wのものを無理やり付けています。

基板部品面　　　　　　基板配線面


回路図


プログラム：ISPtester.txt
hexファイルはアップロードの都合上拡張子を変えてありますので、「.txt」を「.hex」に変更してご利用ください。

ヒューズビット

High	Low	Ext
6A	FF

2010/11/13 回路図修正　CN1 2,3pinをそれぞれVcc,GNDに接続
2011/ 1/ 5　ヒューズビット追記



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