デジタル時計（Ｐａｇｅ１）　制作：2007-05-06〜

電子工作の定番、デジタル時計を作ります。表示は液晶ではなくＬＥＤを使用しますが、消費電力が大きいので消費電力を減らす工夫をしてみます。

とりあえず、表示部のイメージ。


時計なので２４時間、３６５日点けっぱなしになります。そのとき気になるのが消費電力。これは東京電力の回し者「でんこちゃん一家」の電気料金。３１０ｋＷｈで￥７１３６ということは、４３Ｗｈで￥１となる計算。４０ワットの電球を約１時間点灯すれば￥１ってことです。


一番電気を無駄使いしそうなトランスの消費電力を計測。左の小さい方が１６Ｖ−３００ｍＡで約２６ｍＡ流れています、右の物はちょっと大きくて１６Ｖ−１Ａで４１ｍＡ流れます。共に２次側に何もつないでいない状態です。理想的なトランスは２次側に何も接続しなければ電力を消費しないはずですが、そうはいかないようです。消費電力は１００Ｖ×２６ｍＡ＝２６００ｍＷ＝２．６ワット。少ないようですが１年で２．６Ｗ×２４時間×３６５日＝２２７７６Ｗｈとなり、これを４３で割ると年間￥５２９となります。同じ物を３台作る予定なので年間約￥１５００、１０年で￥１５０００です。２次側に何も繋がっていない、つまり、何も仕事をしていないトランスに￥１５０００も食われてしまうのはもったいない限りです。


参考のため、市販の液晶表示タイプの消費電力を測定しようと思いましたが、計測不能でした。電池を抜いてもしばらく動いています。


人がいないときに点灯している必要性はないので、赤外線センサーで人体を検知して人がいないときは表示を消してしまうことにします。これは秋月電子で売っている焦電型赤外線検出器（日本セラミック製　ＲＥ２１０）


日本セラミックのＨＰのデータシートにサンプルがあるのでこの回路を参考にします。人体（たぶん）を検知して一定時間リレーをＯＮする回路のようです。オペアンプは１個に４個入っているタイプを使います。しかも４個で￥１００。


何のために購入したのか忘れてしまったトライアック。これを使って自分自身の電源を切って節電する方法を考えてみます。


人体センサーの実験。人体を検知すると出力が３．５Vになります。左は写真を撮っている自分に反応しています。センサーに入ってくる赤外線の変化を捉えているのでじっとしていると反応しません。変化がないときの出力は０Ｖ。反応する距離は約２ｍ。それ以上になると遠すぎて反応しません。消費電力は０．６３４ｍA×５V＝３．１７ｍW。これなら充電した電気二重層コンデンサーで動かせそうです。


動いているところ　＜−ＭＯＶＩＥ（陰しか見えませんが手をかざしています。白い筒は広角な検知範囲を絞るため）

レンズをつけると検知距離を延ばせます。部屋が狭いので確認できませんでしたがデータシートによると３０ｍまでＯＫとのこと。レンズはフレネルレンズです。シマシマが見えます。ちょっと大きいのが難点。


ＩＣピッチじゃないみたいです。ユニバーサル基板が使えません。


トライアックの実験


ライトのＯＮ／ＯＦＦ　＜−ＭＯＶＩＥ

トライアックがＯＦＦしているときの消費電力はこのテスターでは計測不能なようです０．０１０ｍＡを示していますが、少しずつ下がっていきます。トライアック端子の両端の抵抗値をはかると３０メガΩ程度なので、消費電力は気にしないでよいレベルです。抵抗値も最初は３５ＭΩほどを示しますが、次第に下がっていくので実際の抵抗値はよくわかりません。


ＬＥＤが大きすぎて無料版のＥＡＧＬＥではダメなことに気づきました。


時計の心臓部はリアルタイムクロックを使います。秋月電子で￥５００。


リアルタイムクロックはほぼ計測不能なほど低消費電力ですが、ＰＩＣは１．５ｍＡも食います。


データシートを見る限り周波数を下げなければならないようです。低周波の水晶の手持ちが無いので購入しないといけません。内部オシレーターやリアルタイムクロックからクロックを取る方法を実験してみましたが１ｍＡ以下にはなってくれません。これが正しい仕様でしょうか？消費電力をトータル１ｍＡ程度に抑えれば１Ｆ（ファラッド）の電気２重層コンデンサに１０秒充電して１０分程度動かせます。１０分で５Ｖ−＞４Ｖに電圧が落ちます。


時計なのでアラームも必要です。ブザーでは味気ないのでメロディーＩＣを使うことにしました。これも秋月電子で安く売っている物。携帯のアラームより大きな音で鳴ります。外付け抵抗で再生速度を変更できます。


鳴らしているところ　＜−ＭＯＶＩＥ（映像はいらなかったが．．．　音がちょっと割れていますがデジカメのサンプリング速度と圧縮率による問題で、実際はもっときれいな音です）

回路図は２ＳＣ１８１５を使うようになっていますが、４Ωのスピーカーを鳴らすと熱くなります。電源電圧５Ｖで電流は２００ｍＡ程度流れます。


一枚の基板にすべての部品を乗せるため１００Ｖのトランスも基板取り付けタイプにしました。


電圧監視ＩＣの動作確認。Ｍｉｃｒｏｃｈｉｐ社製　ＭＣＰ１００。このＩＣは監視する電圧によって種類を選ばなければなりません。４Ｖちょうどになったときに反応する物が欲しかったのですが、あいにくその電圧の物は製造されていません。これは３Ｖ動作の物。１０ｋΩと３０ｋΩの抵抗で分圧して使うことにします。このＩＣの消費電流は４５μＡしかありませんので分圧抵抗を流れる電流の方がずっと大きくなります。それでも抵抗を流れる電流０．１ｍＡは全体に流れる電流と比べると十分小さい値です。このＩＣは１０個で＄１しかしませんが、秋葉原では入手できないのでＭｉｃｒｏｃｈｉｐＤｉｒｅｃｔで購入。ついでにＰＩＣｋｉｔ２を仕入れて販売し＄１５の送料を捻出します。安く上げようとすると地味な努力が必要です。写真ではＬＥＤを光らせていますが、高抵抗で分圧したらＬＥＤを光らせるだけの電流は取り出せません。


Ｃｄｓの抵抗値を計測。Ｃｄｓは大きさには無関係に１００Ω（明るいとき）〜１０ＭΩ（真っ暗なとき）と広範囲に抵抗値が変化します。


スリープモードにしてＰＩＣの消費電力を下げる実験。左が通常モードで約５．９ｍＡ。ＰＩＣ１６Ｆ８７３Ａを２０ＭＨｚクロックで動かしてます。左がスリープモードにしたつもりで約１．３ｍＡ。何故が１／５程度にしか下がりません。しかも、電源を入れ直すたびに１．７ｍＡになったりして不安定です。


実験したプログラムはこんなです。最初は通常モードで動いて、１秒後にスリープモードになります。ＭｉｋｒｏＢＡＳＩＣにはスリープ命令がないので、そこだけアセンブラで書いてます。

program Clock_TEST

symbol PORT_OUTPUT   = 0
symbol PORT_INPUT    = 1

symbol LED_TRIS     = TRISB
symbol LED_PORT     = PORTB
symbol LED_BIT      = 0


main:
    '---- initialize -------------------------
    LED_TRIS.LED_BIT = PORT_OUTPUT

    '---- port A digital INPUT-OUTPUT --------
    ADCON1      = %00000110
    ADCON0.ADON = 0

    '---- disable port B pull-up -------------
    OPTION_REG.NOT_RBPU = 1

    CMCON.CM2 = 1
    CMCON.CM1 = 1
    CMCON.CM0 = 1

    Delay_ms(1000)

    asm
       sleep
    end asm

    while(TRUE)
    wend
end.

データシート通りならば１μＡ程度に電流が下がるはずなのですが．．．


結局、こんな風にすべてのＩ／ＯピンをＧＮＤに落としたら３９μＡにまで落ちました。それでもデータシート通りではありませんが実用域です。上のプログラムだとＲＢ０ポート以外はすべて入力ピンになっていますが、無接続の入力ピンを残しておいてはいけないみたいです。


下のように、すべてのポートを出力モードにしたら、無接続のピンを残しておいても消費電力が下がってくれました。但し、実測９５μＡとなって、ちょっと消費電力が増えてしまいました。

program Clock_TEST

symbol PORT_OUTPUT   = 0
symbol PORT_INPUT    = 1

symbol LED_TRIS     = TRISB
symbol LED_PORT     = PORTB
symbol LED_BIT      = 0


main:
    '---- initialize -------------------------
    LED_TRIS.LED_BIT = PORT_OUTPUT
    TRISB = 0x00
    TRISA = 0x00
    TRISC = 0x00

    '---- port A digital INPUT-OUTPUT --------
    ADCON1      = %00000110
    ADCON0.ADON = 0

    '---- disable port B pull-up -------------
    OPTION_REG.NOT_RBPU = 1

    CMCON.CM2 = 1
    CMCON.CM1 = 1
    CMCON.CM0 = 1

    Delay_ms(1000)

    asm
       sleep
    end asm

    while(TRUE)
    wend
end.

途中まで回路図を入力しましたが２８ピンのＰＩＣ１６Ｆ８７３Ａでは足の数が不足していることに気づきました。４０ピンのＰＩＣ１６Ｆ８７７に変更です。


１６Ｆ８７７でも消費電力の実験。すべて出力ピンにして計測。結果は７９μＡ。電源電圧はもちろん５Ｖ。


１６０×１００ｍｍサイズの基板でも両面に配置しないと部品が全部乗りません。中央下にある物は人体センサーのフレネルレンズ。検知範囲が狭いので都合の良い方向に向けられるよう調整機構を付けたので場所を取りすぎている。右上の物はアラーム用のスピーカー、もう少し大きい物を取り付ける予定。


あとで現物を掲載しますが、回路図はこんな混み具合。


薄っぺらなスピーカーと液晶を購入。感光基板を購入し忘れたことに気づいた。液晶は時刻設定やアラーム設定時の表示用。大きい方が４０ｍｍ、小さい方が３６ｍｍ。コーンの材質も違う。


４０ｍｍの方はちょっと大きい。


上の状態のまま自動配線すると取り付けねじ穴付近にもパターンやビアが出来てしまうので「この部分には配線しないこと」という領域を追加。これはｔＲｅｓｔｒｉｃｔ、ｂＲｅｓｔｒｉｃｔレイヤーにポリゴンを書き込んでおくことで可能。自動配線すると右の写真のようにこの領域をよけてくれる。両面感光基板で作ると裏表が正確に合わない可能性もあるのでビアは少し大きめにしてある。


青くした物が取り付けてしまうと部品面のパターンが隠れてしまう物。この部分はスルーホール加工が必要。思ったより少ない。これ以外の部品については両面から半田付けすればスルーホール加工は不要。


レイアウトをちょっと変えて自動配線した。ビアが１００個近くあるがこの実装密度ならやむなしか？


ドリルで穴あけするときの位置決め用にＰＡＤを配置した部品を作って移動させようとしたら何故か１６０×１００からはみ出ているという警告が出る。左の写真はエラーが出て、これ以上右へスピーカーを移動できない。右の写真はこの状態から４５度回転が出来ない。どちらも１６０×１００ｍｍの範囲に収まっているのに変。左の写真の方は１６０×１００ｍｍをはみ出すまで１５ｍｍ近く余裕があるのに？？？


最初から４５度回転した状態でライブラリーを作っておくとうまくいく。原因よくわからないがＥＡＧＬＥのＢＵＧってことにして先に進むことにする。


秋葉原へ買い出し。ランニングコストが高いのを知りつつスルピンキットも購入してしまう。連日の暑さのせいで”再度買い出しに来るのはいやだ”という気持ちが先行して必要のない物にも手が伸びる。秋月電子も千石電商も入り口は大きく解放されているので空調があまり効いていない。感光基板は￥１１９０もする。値上がりしたかな？。Ｐ板．ｃｏｍへ５０枚発注したときの単価と同じだ。１ｍｍ厚のガラスコンポジット基板がお気に入りなのだが両面基板は１．６ｍｍのガラエポしかない。


レイアウトが確定。スルーホール加工をゼロにするためコンデンサはＲｅｓｔｒｉｃｔレイヤーにポリゴンを書き込んでいます。


マスクフィルムを作って感光。しばらくインクジェットプリンターを使用していなかったので、インクが出るようになるまで３０分近くクリーニングとテスト印刷を繰り返す。
基板の厚みだけ両側のフィルムに隙間を作らないといけないので定規を挟み込んでフィルムを定規にセロハンテープで止めています。露光時間はいつもの４分２０秒。両面なのでひっくり返して、また４分２０秒。インクジェットプリンターは熱が加わらないので２枚のシートの穴位置がぴたりと合います。一度使ったＯＨＰフィルムは保存が利かないので捨ててしまいます。このフィルムは１枚￥６０ですが、サンハヤトのインクジェットフィルムは一枚￥６００もします。異常に高いのですが売れているのでしょうか？


１６０×１００ｍｍの基板も余裕で入る”ペヤング超大盛りカップ焼きそば”の容器。現像時間はちょっと長めでした。両面基板は感光剤が厚く塗ってあるのでしょうか？


エッチング中。両面の銅箔が溶けて次第に裏側が見えてきます。光にかざして裏表のパターンが合っているか確認。合格です。


再度感光、現像し感光剤をすべて除去します。フラックスを塗って乾燥。


後で修正が入ると思うが、とりあえず現時点の回路図とプリント基板ボードレイアウト
clock_alpha.zip へのリンク

約５００個の穴空け。下穴空けに使ったのは０．６ｍｍのハイスドリル。ガラエポはこんなに硬かっただろうか？３本がダメになった。超硬ドリルはものすごく高いのでちょっと買う気が起こらない。たまに１０本セットの中古安売り品が売っているが売り切れのときが多い。


やはり裏と表は穴位置が若干ずれる。左が表、右が裏。表面から穴あけしているので裏面がずれる。


ＦＲＰ用のホールカッターを買いました。Ｍｏｎｏｔａｒｏで￥５２１６。刃物好きなのでつい専用の高い物を買ってしまった。￥３０００以上で送料無料というのも要因のひとつ。刃は超硬、２枚刃です。センタードリルの芯が出ていないためかなりぶれます。使用した工具はボール盤、最低速より１段速い回転数（８００ｒｐｍ）で使用。ホールカッターは￥１０００台の安い物もありますが切れ味違うんでしょうか？


入り口部分はバリもなくきれいに切れます。出口は若干のバリが出ます。左の写真が入り口で、右の写真が出口。大穴を開けてみるとサンハヤトの感光基板は実験に使用した緑の基板よりかなり硬いのが解ります。ＨＳＳのドリルが直ぐダメになるのも解る気がします。


穴開け完了。今までの作品の中で一番大変でした。


失敗！！　同一平面上で押してもダメだ！！　作ってから気づいた。


６カ所で固定する方法。こうやればいいのだがだいぶ大きくなる。


配置してみてもかなり大きい


レンズの固定方法は後回しにして、配線開始。先ずビア代わりにスズメッキ線を通し両面から半田付けして裏と表を繋ぎます。


今回はブレッドボードですべての回路を実験していないので、少しずつ組み立てながら動作確認していきます。１００ＶをＯＮ／ＯＦＦする電源回路から開始。トランスのみの消費電力は約３０ｍＡ。小さいわりにこのトランスは消費電力が大きい。自分自身の電源を切ってしまう回路構成のため、１００Ｖに繋いでも動き出しません。赤いボタンのスイッチはそのためのスタートスイッチです。部品を接近させすぎで一部部品同士が干渉しています。量産時にはレイアウトの見直しをします。


とりあえず書き込みのテスト。特に問題なし。


ＬＥＤの輝度確認。この８ｍｍのＬＥＤは電源電圧５Ｖ、２個直列にして、抵抗も１ｋΩなのにかなり明るい。横から見ると明るくないが正面から見ると目に焼き付く。右は紙ヤスリで表面を磨りガラス状にしてみた物。秋月電子で１００個￥１４００。使い切れそうにないが、ばら売りだと１個￥１００の物しかない。


ＰＩＣはデータシート上だと２Ｖでも動作するようなグラフがあるのに、実際は４Ｖ以下になると動作しなくなってしまいます。


よく見たら低電圧専用の物があるみたいです。型番が「Ｆ」ではなく「ＬＦ」になっている。秋月電子ではＬＦのものは販売されていません。少ピンのものは「ＬＦ」でなくても低電圧動作するようですが多ピンの物はダメです。ＭｉｃｒｏｃｈｉｐＤＩＲＥＣＴで購入することにします。低電圧シリーズは低価格で入手しにくいので少し多めに購入して売店で販売することにします。１６Ｆ８７７Ａ，１６Ｆ８７６Ａ，１６Ｆ６４８Ａあたりの定番がいいかな。１６Ｆ６４８Ａは３Ｖ程度まで動作するようですがＬＦタイプはさらに低電圧でも動作するようです。電気二重層コンデンサーは５Ｖで１０秒充電しても４Ｖ程度まではかなり短時間で放電してしまいます。３．５Ｖ程度までＰＩＣが動作してくれると設計が楽になります。


データシートをダウンロードするときにＭｉｃｒｏｃｈｉｐＤＩＲＥＣＴを見に行きましたが、いつの間にか日本語対応になっています。いつからでしょうか？　でも何だか訳がおかしい。変化プロフィールって何？


だいぶ修正入りました。１列のソケットは７セグメントＬＥＤ用です。この設計のおかげで半田付け順序を気にしないですみます。



最近、秋月で販売されているこの小さい液晶はピンの並びが１５，１６，１，２，〜１３，１４となっていて変則的。意図がわかりません。バックライトは５００Ω抵抗を直列に入れても十分実用になる明るさです。そのときの電流はわずか１４ｍＡと優秀です。


とりあえずハードが完成、ロータリーエンコーダーのつまみが大きすぎたり、Ｃｄｓがデジタルポートに繋がっていたりで、まだ少し変更が必要です。ここから先はしばらくソフトいじりが続きます。先ずはＬＣＤからやっつけます。このＬＣＤはアラームの時刻設定などの各種設定のためです。それと曜日もカタカナで表示します。アルファベット３文字の、ＳＵＮ，ＭＯＮ，ＴＵＥ．．．等はどうもピンと来ない。アルファベットなら　ＳＵＮ，ＭＯＯＮ，ＦＩＲＥ、ＷＡＴＥＲ．．．の方がまだわかりやすい。１００Ｖ部分は液晶の下に隠れていて、触りにくくなっています。感電対策です。１００Ｖは両手で触ると危ないのですが、片手で触るだけならちょっとビリッとくるだけです。


トランス以外はそれほど重くないのですが、合計で４７０ｇもあります。


初期化が出来れば後は簡単なはずなのだが、文字が表示できない．．．配線ミスはなさそうだし、カーソルも点滅しているので後は文字コードを送り込めばいいだけのはず。それがなぜかうまくいかない。


互換性のある液晶でも確認。結果は同じ表示。タイミングの問題っぽいのだが．．．　ＭｉｋｒｏＢＡＳＩＣでは液晶表示をしてみた実績がないのでブレッドボードで回路を組み立てて実験してみることにします。右の写真は半田付けをせずに配線するために作ったケーブル。


４Ｖ以下でＰＩＣが動作しなくなるってことについて、ブラウンアウトリセットとかいう機能があるの思い出しました。ブラウンアウトリセットをＯＦＦしたら低電圧でも動作しました。結果は４ＭＨｚで１．８Ｖ。動いているか否かはＬＥＤの点滅プログラムを作って、点滅しなくなる電圧を確認。ＭｉｋｒｏＢＡＳＩＣの場合「ＢＯＤＥＮ＿ＯＦＦ」というのにチェックを付けないとダメ。ＬＦタイプは低電圧でも動くという”保証”があるってだけのようです。どうりで売ってないわけです。


互換性のある液晶表示器で実験。うまく表示できるようになったので、この互換ＬＣＤで文字列表示サブルーチンや全クリヤサブルーチンなどを作ってしまうことにする。


原因が何だったのかよくわからないままですが、動きました。


リアルタイムクロックから日付と時刻を受け取って表示しているところ。中途半端にＯＫだが、実際は全く使えない状態です。
　−秒を設定すると誤動作
　−時間の間隔がちょうど２倍になっている。１日が４８時間だ！！
　−日が正しく取ってこられない
リアルタイムクロックが壊れたかもしれません。同じ物をもう一つ買って試してみないと原因がわかりそうもありません。これは１個￥５００もする。ＳＩＩのものは外付け水晶なのだが安いのでこれに変えてしまうか。ＳＩＩのホームページからたどるとここで売っている。１個￥９０。


うへっ　合計価格を計算してみたらすごいことになった。正確に計算したら￥５００くらいは違っているかもしれないが。本当に作る意味あるのか？　
今一度この時計のメリットを考えてみよう。

良いところ
　　１．暗くてもＬＥＤなので見える
　　２．ロータリーエンコーダーとＬＣＤディスプレイがあるのでアラームの設定が楽
　　３．ＰＩＣで制御するので平日のアラーム時間と休日のアラーム時間を個別設定できたり多機能
悪いとこと
　　１．高価　市販の液晶置き時計の２〜３倍といったところか
　　２．ＡＣ１００Ｖなので移動の自由度は低い
　　３．重く大きい
普通なところ
　　１．消費電力は市販の液晶タイプの電池代に比べて大差ないだろう

やはり多機能化しないと価値は低そうだ。

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