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センサを搭載したマイコンロボットの設計と製作
特別研究報告書 題 目（日本語，英語） センサを搭載したマイコンロボットの設計と製作 (Design and Fabrication of the electronic circuits for miniature mobiles with sensors) 指 導 教 員 綿森 道夫 報 告 者 学籍番号： 1055091 氏名： 新田 敏弘 平成 17 年 ２月 20 日 高知工科大学 電子・光システム工学コ−ス 目次 第１章 はじめに................................................................................ １ 第２章 研究目的 .............................................................................. ２ 第３章 使用するプロセッサについて ...................................................3 ３−１ ＰＩＣプロセッサについて ...........................................................3 ３−２ ＰＩＣの概要 .........................................................................4 第４章 赤外線センサを用いた黒ラインを検出する回路の設計と製作 ....8 ４−１ 実験の目的.............................................................................8 ４−２ 黒ラインを検出する方法の原理 ................................................8 ４−３ モータードライバーを用いてモーターの回転方法を 制御する方法 ........................................................................10 ４−４ 応用例..................................................................................12 ４−４−１ ライントレース/ランダム移動切り替えマウスの動作原理..12 ４−４−２ ライントレース/ランダム移動切り替えマウスの回路製作 .17 ４−５ 実験回路の動作確認.............................................................18 ４−５−１ 実験回路の動作不良の原因と修正 .............................18 ４−５−２ 実験回路修正後の動作確認.......................................19 ４−６ 検討 ......................................................................................20 第５章 赤外線/無線切り替えリモコン走行車の製作と動作確認 ........21 ５−１ 実験の目的 .........................................................................21 ５−２ 赤外線を用いた送受信回路の原理と問題点 .........................21 ５−３ ＦＭ電波を用いた送受信回路の原理と問題点.......................22 ５−４ 応用例 ................................................................................22 ５−４−１ 赤外線/無線切り替えリモコン走行車の動作原理 .........22 ５−４−２ 赤外線/無線切り替えリモコン走行車の回路製作 ........23 ５−５ 実験回路の動作確認...........................................................55 ５−６ 検討....................................................................................56 i 第６章 加速度センサを用いた角度検出器の設計と製作 ....................57 ６−１ 実験の目的...........................................................................57 ６−２ 加速度センサを用いた角度検出器の原理 ..............................57 ６−３ ダイナミック点灯方式について................................................58 ６−４ 応用例..................................................................................58 ６−４−１ 加速度測定器の動作原理..........................................58 ６−４−２ 加速度測定器の製作 .................................................59 ６−５ 実験回路の動作確認.............................................................60 ６−６ 検討 .....................................................................................63 第７章 加速度センサ、ＦＭ電波送受信回路、モーターコントロール 回路を組み合わせた回路の設計と製作 ..................................64 ７−１ 実験の目的...........................................................................64 ７−２ 実験回路の製作 ....................................................................64 ７−２−１ ロボットアームの送受信回路の動作原理 .....................64 ７−２−２ ロボットアームの送受信回路の回路製作 .....................65 ７−３ 実験回路の動作確認 .............................................................68 ７−４ 検討 ......................................................................................68 第８章 まとめ ...................................................................................70 参考文献 ................................................................................................71 謝辞 .......................................................................................................72 ii 第１章 はじめに 現在、我々の身の周りには各種センサを用いた電化製品が数多く存在する。 いくつか例を挙げると、防犯のためのセキュリティ機器やＯＡ機器、医療機器 等がある。いずれに於いても、現代社会を生きる我々にとって重要な役割を占 めている。特にセキュリティに関しては家庭レベル、あるいは個人レベルでそ れぞれ固有のものが必要になってくると予想される。ここでは特に重要なセン サ機器に着目し、本研究では、ＰＩＣプロセッサを用いた、いくつかのセンサ 回路を製作し動作させる。 本論文の構成として、第３章には、回路製作に用いられたＰＩＣプロセッサ の説明が記述される。第４章から第７章にかけて、実際に製作されたそれぞれ のセンサ回路が動作するに至るまでの過程が記述される。 1 第２章 研究目的 本研究では、まずＰＩＣプロセッサを用いて各種センサを制御することを試 みる。そして、その応用例として、センサを組み込んで、実際に動きのある模 型を製作することが目的である。また、これらの製作された動きのある模型か ら、センサの使用法の新しい発想を生み出すことも本研究に於ける目的である。 2 第３章 使用するプロセッサについて ３−１ ＰＩＣプロセッサについて ＰＩＣとは１９８０年に、アメリカのＧＩ社が、コンピュータの周辺装置の 制御用マイコンとして開発したものであり、コンピュータに接続するフロッピ ーディスク装置やハードディスク装置に内蔵されたものである。その後、ＰＩ Ｃの多様化が進められ、１９８９年に、ＧＩ社から独立したマイクロチップテ クノロジー社がＰＩＣの開発を続けている。 現在では、コンピュータの周辺装置だけでなく、冷蔵庫や炊飯器等の家電製 品や携帯電話に使用されている。また、自動車を例に挙げると、ＰＩＣを使用 しない部分は、自動車のエンジンの主要部分に組み込まれているワンチップマ イコンがあり、ワイパーや方向指示器、スピードメータやエアコン制御にＰＩ Ｃが使用されている。現在では、研究用ロボットの制御や趣味の電子工作に使 用されるまでに応用分野が広がっている。 図３．１ ＰＩＣを使用した電子工作の一例（受光による時間計測器） ３−２ ＰＩＣの概要 3 ＰＩＣの概要として次のことが記載される。 （１）ＰＩＣと一般のマイコンの機能とその相違点 一般のマイコンに内蔵された機能（Ｚ80 等） ・ ・ ・ ・ 周辺回路 命令解読、命令実行部 演算処理部 内部データバス ＰＩＣに内蔵された機能 ・ 周辺回路 ・ 命令解読、命令実行部 ・ 演算処理部 ・ データメモリ、プログラムメモリ ・ データバス、プログラムバス 一般のマイコンアーキテクチャーはノイマン型アーキテクチャーと呼ばれ、メ モリが内蔵されておらず、外部データバスによって、メモリを接続している。 また、一般のマイコンには周辺回路が内蔵されていない場合があり、外部デー タバスを接続する必要がある。 （２）命令数が３５個である 4 ＰＩＣ（１６Ｆ８４Ａ）には全部で３５個の命令がある。これらを用いて、 プログラムを作成し、ソフトウェアのＭＰＬＡＢを用いてマシン語にアセンブ ルさせ、ＰＩＣに書き込ませる。その過程を経て、ＰＩＣを動作させている。 バイト対応命令 命令の種類 転送 算術演算 論理演算 ローテイト（ビット回転） ジャンプ クリア ビット対応命令 数値対応命令 命令 ＭＯＶＦ、ＭＯＶＷＦ、ＳＷＡＰＦ ADDWF,SUBWF, INCF, DECF ANDWF,IORWF, COMF, XORWF RRF,RLF INCFSZ,DECFSZ CLRF,CLRW ビット操作 BCF,BSF ジャンプ BTFSC,BTFSS 転送 算術演算 論理演算 ジャンプ クリア 制御 MOVLW ADDLW,SUBLW ANDLW,IORLW,XORLW CALL,GOTO,RETURN,RETLW,RETFIE CLRWDT SLEEP 表３．１ ＰＩＣ（１６Ｆ８４Ａ）の全命令 （３）ＰＩＣ（１６Ｆ８４Ａ）のピン配置 5 ＰＩＣ１６Ｆ８４Ａには足の数が全部で１８ピンある。ＰＩＣに書き込まれ たプログラムの命令により、それぞれのＰＩＣの足の役割が決められる。 ピン番号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 名称 ＲＡ２ ＲＡ３ ＲＡ４/ＴＯＣＫＩ ＭＣＬＲ（ＮＯＴ） Ｖｓｓ ＲＢ０/ＩＮＴ ＲＢ１ ＲＢ２ ＲＢ３ ＲＢ４ ＲＢ５ ＲＢ６ ＲＢ７ Ｖｄｄ ＯＳＣ２/ＣＬＫＯＵＴ ＯＳＣ１/ＣＬＫＩＮ ＲＡ０ ＲＡ１ 説明 双方向Ｉ/Ｏポート 双方向Ｉ/Ｏポート 双方向Ｉ/Ｏポート、タイマクロック リセット アース 双方向Ｉ/Ｏポート 双方向Ｉ/Ｏポート 双方向Ｉ/Ｏポート 双方向Ｉ/Ｏポート 双方向Ｉ/Ｏポート 双方向Ｉ/Ｏポート 双方向Ｉ/Ｏポート 双方向Ｉ/Ｏポート 正電源 クロック端子２ クロック端子１ 双方向Ｉ/Ｏポート 双方向Ｉ/Ｏポート 表３．２ ＰＩＣ（１６Ｆ８４Ａ）のピン配置 （４）ＰＩＣの種類 ＰＩＣには大きく分けると、３つの種類がある。まず始めに、命令語調が １２ビットのベースライン製品がある。ベースラインのＰＩＣは１２Ｃ５０８ や１６Ｃ５４等があり、価格や性能は３種類の中では一番低いＰＩＣである。 次に、ミドルレンジ製品がある。命令語調が 14 ビットあり、ＰＩＣの機種と して、１６Ｆ８４や１６Ｆ８７７Ａ等がある。ミドルレンジ製品は、簡単な機 6 能を持つものから、高機能のものがあり、扱いやすいＰＩＣとして幅広く使用 されている。 最後に、ハイエンド製品がある。命令語調が１６ビットで、ＰＩＣの機種と して１７Ｃ４４や１８Ｆ４５２がある。ハイエンド製品には、乗算器内蔵タイ プや、命令数７７個を持つものもある。 （５）ファイルレジスタ ＰＩＣにはファイルレジスタと呼ばれるビット幅８ビットのメモリがある。 ファイルレジスタにはＳＦＲレジスタと汎用レジスタがある。ファイルレジス タは 0 番地から７Ｆ番地まであり、0 番地から０Ｂ番地がＳＦＲレジスタである。 ＳＦＲレジスタとは、ＰＩＣの各種設定を行うレジスタであり、主な働きとし て、割り込み処理の許可やバンクの切り替え等がある。 アドレス バンク０ 0 ＩＮＤＦ 1 ＴＭＲ０ 2 ＰＣＬ 3 ＳＴＡＴＵＳ 4 ＦＳＲ 5 ＰＯＲＴＡ 6 ＰＯＲＴＢ 7 未使用 8 ＥＥＤＡＴＡ 9 ＥＥＡＤＲ ０Ａ ＰＣＬＡＴＨ ０ＢＩＮＴＣＯＮ バンク１ ＯＰＴＩＯＮ＿ＲＥＧ ＰＣＬ ＳＴＡＴＵＳ ＳＴＡＴＵＳ ＦＳＲ ＴＲＩＳＡ ＴＲＩＳＢ 未使用 ＥＥＣＯＮ１ ＥＥＣＯＮ２ ＰＣＬＡＴＨ ＩＮＴＣＯＮ ４Ｆ 汎用レジスタ 表３．３ １６Ｆ８４Ａのファイルレジスタ 7 第４章 赤外線センサを用いた黒ラインを検出 する回路の設計と製作 ４−１ 実験の目的 フォトインタラプタと呼ばれる赤外線センサの仕組みを学ぶため、工作キッ トのねずみロボットを用いる。フォトインタラプタは、反射する光により、電 流を流すか、流さないかを操作する働きがある。この働きを利用して、地面に 張られた黒いラインに、ねずみロボットを置いて動作させ、黒ラインに対して、 何らかの動きをさせた。 ねずみロボットにフォトインタラプタを組み込むにあたって、電源スイッチ の他に、２種類の動きを切り替えるためのスイッチを用意した。一方の働きと して、ねずみロボットは、組み込まれたフォトインタラプタが黒いラインを避 け続けるよう設計された。 また、もう一方の働きとして、フォトインタラプタが黒いラインに沿って動 作するように、ねずみロボットは設計された。 ４−２黒ラインを検出する方法の原理 ４−１章に於いて、ねずみロボットに黒ラインを検出するため、フォトイン タラプタを用いたと記述した。フォトインタラプタの内部にはＬＥＤとフォト トランジスタが内蔵されている。フォトインタラプタを、地面に張られた黒ラ インに接近させたとき、フォトインタラプタ内のＬＥＤの光が反射しない。も し、白い地面にフォトインタラプタを接近させたとき、フォトインタラプタ内 のＬＥＤからの光が反射される。反射された光は、フォトインタラプタ内のフ ォトトランジスタが反応して、コレクタからエミッタに電流が流れる。よって、 フォトインタラプタの出力には電源電圧と同等の電圧がかかる。この動作は、 フォトインタラプタをエミッタ出力で用いた場合の働きであるが、反射した光 8 +3V をフォトインタラプタ内のフォトトランジスタに検出された場合に、フォトイ ンタラプタの出力にアース電圧と同等の電圧をかけたい場合には、フォトイン タラプタをコレクタ出力にする必要がある。ここで、ライントレース/ランダム 切り替えマウスを製作にインバータＩＣを用いた。これは、ＰＩＣマイコンに 入力される信号の誤動作を防止するためである。 フォトインタラプタを３Ｖで動作させる場合、フォトインタラプタ内のダイ オードに流れる電流を約４．４ｍＡにするため、図４．１の抵抗Ｒ１を 110Ωに 設計する必要がある。また、フォトトランジスタに電流０．１ｍＡを流すため、 抵抗Ｒ５を３０ｋΩに設計する必要があるが、図４．１では、フォトトランジ スタの感度を上げるために、抵抗Ｒ５をさらに感度の高い６２ｋΩに設計して いる。 GP2S40 U6 GP2S40 R5 62k R1 110 図４．１ 本研究に用いられたフォトフォトインタラプタ（エミッタ出力 の場合） 9 白地 黒ライン フォトインタラプタからの出力 インバータを通した時の出力 1 0 0 1 表４．１ フォトインタラプタからの出力（エミッタ出力） ４−３ モータードライバーを用いて、モーターの回転方法を制御 する方法 ねずみロボットを実際に動作させるためモーターを用いる。モーターを動作 させるためモータードライバーという素子を用いる。図４．２で、モータード ライバーを動作させるには、ＩＮ１、ＩＮ２に電圧をかけなければならない。 モータードライバーのＩＮ１、ＩＮ２のどちらかに電圧をかけることで、モー ターの正回転、逆回転を操作できる。ねずみロボットにモーターを２つ用いる ことにより、動作の種類を増やした。そして、それぞれのモーターに、モータ ードライバーを接続し、モータードライバーのＩＮ１とＩＮ２のピンをＰＩＣ １６Ｆ６２８に接続することにより、ねずみロボットを前進と後退や回転させ た。モータードライバーと接続されたＰＩＣ１６Ｆ６２８の各ピンに、それぞ れ電圧を出力させた場合の動作を表４．２に記述する。ＰＩＣ１６Ｆ６２８に プログラムを書き込むことにより、ＰＩＣ１６Ｆ６２８からの出力は操作され る。 10 1 GND 2 MC1 3 NC 4 Vref 5 IN1 6 IN2 7 Vcc 8 Vs 9 NC 10 MC2 図４．２ モータードライバー（ＴＡ７２９１Ｐ） ＲＡ３ ＲＡ２ 1 0 1 1 1 1 0 0 ＲＡ１ 0 1 1 1 0 1 1 1 ＲＡ０ 1 0 1 1 1 0 1 1 0 1 1 0 1 1 1 0 ねずみロボットの動作 前進 後退 停止 前進左回転 前進右回転 後退右回転 後退左回転 高速左回転 表４．２ ねずみロボットの動作の種類 11 ４−４ 応用例 ４−４−１ ライントレース/ランダム移動切り替えマウスの動作原 理 赤外線センサの学習のため、ライントレース/ランダム移動切り替えマウスを 製作した。 まず、ライントレース回路は、ライントレース/ランダム切り替えマウスの先 端に取り付けられたフォトインタラプタにより、地面に張られた黒ラインに対 して、次に記述した動作を行うようにした。 ・図４．８のフォトインタラプタｂｃｄの働き（黒ライン検出は１） ０１０ 直進 １１０ 左折 ０１１ 直進 １１１ 左折 １００ 左折 ００１ 右折 １０１ 左折 ０００ 左旋回 上記の働きするようＰＩＣ１６Ｆ６２８にプログラムを書き込み、動作させた。 次にランダム移動マウス回路は、地面に張られた黒ラインの有無で、ランダ ムに動きを変化させるため、ＰＩＣ１６Ｆ６２８にプログラムを書き込む。ラ 12 ンダム移動マウス回路のプログラムのフロチャートは図４．４、図４．５、図 ４．６、図４．７になる。 動きタイマ変数 ｘ＿ｔｐ ｍａｉｎ 速度タイマ変数 ｘ＿ｔｓ スピード変数 ｘ＿ｓ ｘ＿ｔｐ＝０ ｘ＿ｔｓ＝０ Ｙ Ｎ nｅｘｔ＿p Ｎ nｅｘｔ＿s ｘ＿ｔｐ＞０？ Ｙ ｘ＿ｔｓ＞０？ Ｙ Ｎ ｘ＿ｓ≠１？ Ｙ Ｎ ｘ＿ｓ≠２？ Ｙ Ｎ ｘ＿ｓ≠３？ ｗａｉｔ＿h ｗａｉｔ＿m ｗａｉｔ＿l ｘ＿ｔｐ：１を引く ｘ＿ｔｓ：１を引く 図４．４ ランダム移動マウス回路のメインルーチンフロチャート 13 nｅｘｔ＿p ｐｔｒ＿ｐ：1 を足す Ｎ ｐｔｒ＿ｐ＜５３ ｐｔｒ＿ｐ＝０ Ｙ ｄａｔ＿ｐｆのｐｔｒ＿ｐ番目の データをｘ＿ｐに ｐｔｒ＿ｔｐに １を足す Ｎ ｐｔｒ＿ｔｐ＜２９ ｐｔｒ＿ｔｐ=0 Ｙ ｄａｔ＿ｐｆのｐｔ ｒ＿ｐ番目のデー タをｘ＿ｐに ＲＥＴ 図４．5 ランダム移動マウス回路の動きとタイマフロチャート 14 nｅｘｔ＿ｓ ｐｔｒ＿ｓ：1 を足す Ｎ ｐｔｒ＿ｐ＜３０ ｐｔｒ＿ｓ＝０ Ｙ ｄａｔ＿ｐｆのｐｔｒ＿ｐ番目の データをｘ＿ｓに ｐｔｒ＿ｔｓに １を足す Ｎ ｐｔｒ＿ｔｐ＜３１ ｐｔｒ＿ｔｓ=0 Ｙ ｄａｔ＿ｔｓｐのｐｔｒ＿ｔｓ番 目のデータをｘ＿ｔｓに ＲＥＴ 図４．６ ランダム移動マウス回路のスピードとタイマフロチャート 15 intrpt Ｎ sfl=1？ ｆｌ Ｎ Ｙ sfr=1？ ｆｒ Ｎ Ｙ srl=1？ ｒｌ Ｎ Ｙ srr=1？ ｒｒ Ｎ ＲＥＴ 図４．7 ランダム移動マウス回路の動き検出フロチャート 16 ４−４−２ ライントレース/ランダム移動切り替えマウスの回路製 作 赤外線センサを用いて黒ラインを検出する回路を設計するため、図４．３の 回路を製作した。図４．３の回路の電源はモータードライバーが動作するに十 分な３Ｖに設計された。 図４．３の回路は、ＰＩＣ１６Ｆ６２８のＲＢ２ポートに加わる入力電圧の有 無で、ライントレース回路とランダム移動マウス回路が切り替わる設計になっ ており、それぞれの回路はプログラムで制御される。ライントレース回路に於 いて、移動マウスが、行き止まりに差し掛かった場合、動作を止める働きをす る。その働きを知らせるために、ＲＢ０とＲＢ１のポートにそれぞれ接続され たＬＥＤが交互に光るように図４．３の回路は設計された。ＬＥＤが光るよう +3V に電流を５ｍＡ流すため、２００Ωの抵抗を接続することにした。 GP2S40 U6 GP2S40 R5 62k R1 110 17 RA3 RA1 D4 DIODE R9 200 R11 200 RA1 18 RA0 17 RA7 16 RA6 15 Vcc 14 RB7 13 RB6 12 RB5 11 RB4 10 +3V 1 RA2 2 RA3 3 RA4 4 RA5 5 GND 6 RB0 7 RB1 D1 8 RB2 DIODE 9 RB3 C1 47uF RA2 M1 C4 0.1uF 16f628 1 GND 2 MC1 3 NC 4 Vref 5 IN1 6 IN2 7 Vcc 8 Vs 9 NC 10 MC2 R RA0 U5 +3V L U4 U1 1 GND 2 MC1 3 NC 4 Vref 5 IN1 6 IN2 7 Vcc 8 Vs 9 NC 10 MC2 M2 TA7291P TA7291P RB2 S2 R8 10k P14 14 P13 13 P12 12 d P11 11 P10 10 P9 9 c P8 8 +3V +3V RA7 RA6 a12 P1 3 P2 4 P3 P4 b56 P5 7 P6 P7 +3V RA4 U2 +3V GP2S40 U6 GP2S40 U7 RPR-220 74HC14 RA5 U3 RB7 RB6 RB5 e12 P1 P2 f34 P3 P4 g 56 P5 7 P6 P7 R1 110 P14 14 P13 13 P12 12 P11 11 P10 10 h P9 9 P8 8 RPR-220 R5 62k R10 110 +3V R3 62k S3 +3V 74HC14 RB4 + Vcc1 3V 図４．８ 赤外線/ランダム移動切り替えマウスの回路図 ４−５−１ 実験回路の動作不良の原因と修正 実際に、図４．８の回路を製作し、動作させた。しかし、Ｕ２のインバータ に接続されたフォトインタラプタｃが黒ラインに対しての反応が弱かったので、 写真４．１のように、黒い紙で敷居をした。 18 写真４．１ 図４．８の回路の修正 ４−５−２ 実験回路修正後の動作確認 ４−５−１章のように図４．８回路に修正をした結果、スイッチの切り替え により、ライントレースにした場合には、黒ライン上に走り、ランダム移動マ ウスにした場合は、黒ラインを避ける動作をした。しかし、黒ラインを検出す るのが遅いので、それが今後の課題である。この製作したライントレース／ラ ンダム移動切り替えマウスを写真４．２に示す。 19 写真４．２ 製作したライントレース／ランダム移動切り替えマウス ４−６ 検討 ライントレース/ランダム切り替えマウス回路を実際に製作してわかったこと は、ランダムモードの場合はフォトインタラプタの反応かプロセッサの方向転 換の指示が遅くて、ラインを横切った後に方向を転換した。ライントレースモ ードの場合は白黒が明確に区別できなければ動作が不安定になった。フォトイ ンタラプタ単体の動作確認は終えているので、プロセッサまで含めた総合的な 調整がライントレースの性能を大きく左右する。今回は時間の都合上、完全に 調整を行わなかった。あらゆるケースで完全に動作させるためには多くの動作 試験が必要であることがわかった。フォトインタラプタの間に黒い仕切りを設 けることで一応の動作は保障されたので、より完全な動作は今後の課題とする。 20 第 5 章 赤外線/無線切り替えリモコン走行車の 製作と動作確認 ５−１実験の目的 実験の目的として、送信機から赤外線で信号を送信させ、受信された模型が 働くことにより、赤外線通信と無線通信の仕組みを学習する。そして、実際に 応用として、赤外線/無線切り替え走行車を製作する。 ５−２ 赤外線を用いた送受信回路の原理と問題点 赤外線通信は、テレビやビデオのリモコンに利用される。テレビのリモコン は次図５．１に記述される送信フォーマットを受信機側に送信する。 （a）送信データフォーマットの構成 フレームリーダー部 データ部 ８ビット（全てビット０） １６ビット データ部（連送） １６ビット (b) データ部の構成 1 C2 C1 C0 スタートビット デバイスコード 0 セパレータ 1 D4 D3 D2 D1 D0 スイッチコード 1 0 0 0 0 ストップシーケンス 図５．１ 送信データフォーマット 21 送信機からの送信データフォーマットはデバイスコードとスイッチコードを指 定し、受信機に送信する。送信データを受信した受信機は、スタートビット、 デバイスコード、セパレータ、スイッチコード、ストップシーケンスを確認し た後受信する。そして、再び送信データフォーマットを確認、受信し、最初に 受信した送信データフォーマットと照合し、一致していない場合は、受信機の プログラムの最初に戻るという２連送照合をしている。 赤外線通信の問題点として、４∼５ｍの通信距離であるということが挙げら れる。従って、赤外線通信は１部屋分の距離であるといえる。また、赤外線受 信部は、直射日光や蛍光灯の光にも反応してしまうので、誤動作を起こしやす いという問題点がある。 ５−３ ＦＭ電波を用いた送受信回路の原理と問題点 本実験に於いて、ＦＭ電波の送受信には、赤外線送受信と同様に図５．１の データフォーマットを送信し、2 連送照合によりデータを受信する方式が採用さ れた。ＦＭ電波は通信距離が約１０ｍであるので、赤外線通信よりも通信距離 が優れている。 ＦＭ電波送受信回路の問題点として、他の変調方式に比べて広い周波数帯域 幅が必要になる性質がある。 ５−４ 応用例 ５−４−１ 赤外線/無線切り替えリモコン走行車の動作原理 赤外線送受信とＦＭ無線送受信を学習するため、赤外線送信機と無線送信機 で動作するリモコン走行車を製作した。赤外線送信機と無線送信機を使い分け るため、リモコン走行車はスイッチを切り替えることにより、赤外線受信機と 無線受信機が切り替る仕組みである。 22 まず、赤外線で送信するため、赤外線発光ダイオードを赤外線送信機に用い た。赤外線送信機は、８つのスイッチで各動作をするよう設計された。そして、 赤外線受信機には、赤外線受光モジュールが用いられた。赤外線送信機からの ８つスイッチのうちのどれかを押すことにより、赤外線発光ダイオードを光ら せ、その発光した間隔により、３２つスイッチコードのどれかを赤外線受信モ ジュールに送信する原理になっている。本実験に於いては、赤外線、無線送信 機の両方とも送信するデバイスコードを１００に設定した。赤外線送信機と赤 外線受信機のデータフォーマットの送受信は、ＰＩＣ１６Ｆ８４Ａに書き込ま れたプログラムで操作される。 次に、無線で送信するため、無線送信モジュールを、無線送信機に用いた。 無線送信機は、赤外線送信機と同様の構造と送信方式である。無線受信機には 無線受信モジュールが用いられた。無線受信機も、赤外線受信機と同様の構造 と受信方式である。 ５−４−２ 赤外線/無線切り替えリモコン走行車の回路製作 赤外線送信機は、ボタン配置が下図４．１のように設計された。 Ｓ４左速度ＵＰ Ｓ０停止 Ｓ１右速度ＵＰ ００１００ ０００００ ００００１ Ｓ５左減速 Ｓ３未使用 Ｓ２右減速 ００１０１ ０００１１ ０００１０ Ｓ７左逆回転 Ｓ６右逆回転 ００１１１ ００１１０ 図５．１ 赤外線送信機のボタンの役割とスイッチコード 23 そして、下図５．２に赤外線送信機の回路図を記述する。ここで、赤外線送信 機は、赤外線発光ダイオードに６０ｍＡの電流が流れるように設計された。ス イッチＳ１∼Ｓ７を押すことにより、ＰＩＣ１６Ｆ６２８に書き込まれたプロ グラムが赤外線発光ダイオードＤ１にかかる電圧を操作している。 S9 +3V R2 50 D1 LED1 R1 10k R3 50 S8 U1 R4 50 C1 1uF 1 RA2 2 RA3 3 RA4 4 RA5 5 GND 6 RB0 7 RB1 8 RB2 9 RB3 S0 RA1 18 RA0 17 RA7 16 RA6 15 Vcc 14 RB7 13 RB6 12 RB5 11 RB4 10 XTAL1 4.000MHZ S7 16f628 S6 S1 S5 S2 S4 S3 図５．２ 赤外線送信機回路図 24 無線送信機は下図５．３のように設計された。ＰＩＣ１６Ｆ６２８に書き込 まれたプログラムで、無線送信モジュールＵ２のＩｎに入力する電圧を操作し ている。 EA En In GND S9 GND Vcc +3V U2 R1 10k C1 1uF S8 U1 1 RA2 2 RA3 3 RA4 4 RA5 5 GND 6 RB0 7 RB1 8 RB2 9 RB3 S0 RA1 18 RA0 17 RA7 16 RA6 15 Vcc 14 RB7 13 RB6 12 RB5 11 RB4 10 XTAL1 4.000MHZ S7 16f628 S6 S1 S5 S2 S4 S3 図５．３ 無線送信機回路図 25 赤外線/無線切り替えリモコン走行車の受信回路は図５．４のように設計され た。Ｕ８が赤外線受光モジュールで、Ｕ７がインバータである。無線受信モジ ュールＵ２から受信された信号をＵ７に入力し、Ｕ７からの入力反転信号をＰ ＩＣ１６Ｆ８４のＲＡ４ポートに入力させている。赤外線と無線の受信切り替 えスイッチはＳ３である。 U2 U7 GND NC NC OUT En 1 P1 2 P2 3 P3 4 P4 5 P5 6 P6 7 P7 11 12 13 14 15 IN 7 GND 1 Vcc 2 GND 3 FM-RRFQ1-315 P14 14 P13 13 P12 12 P11 11 P10 10 P9 98 P8 74HC14 U3 S81350 S1 3 IN GND 2 +6V S3 C5 33uF U8 Optorecv OUT 3 R7 470 OUT 1 C6 100uF 16f84 Vs 2 1 RA2 RA1 18 2 RA3 RA0 17 3 RA4 osc1 16 4 nMCLRosc2 15 5 GND Vcc 14 6 RB0 RB7 13 7 RB1 RB6 12 8 RB2 RB5 1 9 RB3 RB4 10 GND 1 CRVP1738 XTAL1 10.000MHZ U1 R1 3k U9 R6 5k 40% C7 R2 200 0.047uF 1 Vref 2 InB 3 InA 4 Cosc 5 NF 6 OutB 7 Vi 8 OutA Gm 16 Gm 15 DA3 14 DA2 13 DA1 12 DA0 11 Vm 10 Gm 9 U5 1 Vref 2 InB 3 InA 4 Cosc 5 NF 6 OutB 7 Vi 8 OutA TA7289P C4 2.2uF R4 2 R5 200 M1 C2 0.01uF C1 0.047uF Gm 16 Gm 15 DA3 14 DA2 13 DA1 12 DA0 11 Vm 10 Gm 9 TA7289P R3 2 M2 C9 2.2uF C3 0.01uF 図５．４ 赤外線/無線切り替えリモコン受信回路図 26 D1 LED1 赤外線/リモコン切り替え走行車に、赤外線と無線送信機で送信したがうまく 動作せず、どこに原因があるかを確かめるために、ブレッドボードに図５．４ の赤外線受信部分を再現し（写真５．１）、8 桁 7 セグメント LED 表示装置を 用いて赤外線送信機の動作が正しく行われたかどうかを写真５．２から５．８ のように確認した。ＬＥＤを用いた動作確認回路はＰＩＣ１６Ｆ８４に書き込 まれたデータにより、点滅が変化する。図５．４のモータードライバーＵ９（左 動作）、Ｕ５（右動作）ＤＡ０からＤＡ３に入力するＰＩＣ１６Ｆ８４のＲＢ０ （ＬＳＢ）からＲＢ３（ＭＳＢ） 、ＲＢ４（ＬＳＢ）からＲＢ７（ＭＳＢ）が２ 進数で表示される。速度が増加すると、その２進数の値も増加する。そして、 Ｕ９とＵ５モータードライバーの入力ＩＮＡ，ＩＮＢに対応した、ＰＩＣ１６ Ｆ８４のＲＡ２とＲＡ３ポートからの信号で、動作確認回路の LED が同時に点 灯すると、停止することを示している。 写真５．１ 赤外線送信機の動作確認回路 写真５．２ 赤外線送信機の左速度を上げたときの動作確認回路 27 写真５．３ 赤外線送信機の左速度を下げたときの動作回路 写真５．４ 赤外線送信機の左逆回転させたときの動作回路 28 写真５．５ 赤外線送信機の右速度を上げたときの動作確認回路 写真５．６ 赤外線送信機の右速度を下げたときの動作回路 29 写真５．７ 赤外線送信機の右逆回転させたときの動作回路 写真５．８ 赤外線送信機の停止状態のときの動作回路 30 無線送信機からの信号も、赤外線送信機と同様にＢｒｅａｄｂｏａｄに 回路を組み込んで動作を確認した。その動作の様子は写真５．９から５．１６ である。 写真５．９ 無線受信機の動作確認回路 写真５．１０ 無線送信機の左速度を上げたときの動作確認回路 31 写真５．１１ 無線送信機の右速度を下げたときの動作回路 写真５．１２ 無線送信機の左逆回転させたときの動作回路 32 写真５．１３ 無線送信機の右速度を上げたときの動作確認回路 写真５．１４ 無線送信機の右速度を下げたときの動作回路 33 写真５．１５ 無線送信機の右逆回転させたときの動作回路 写真５．１６ 無線送信機の停止状態のときの動作回路 34 ブレッドボードで、赤外線と無線の送信確認回路を用いて赤外線/無線送信機の 動作を確認した結果、正常に動作することが確認された。 次に、赤外線送信機の送信データフォーマットの受信を確認するため、赤外 線送信機の波形をデジタルオシロスコープで確認した。そのようすは写真５． １７と写真５．１８になり、送信データフォーマットが正確に送信されている ことが確認された。ここでの信号波形はＰＩＣに書き込まれたプログラムのた め０と１が逆転している。 Ｓ０ Ｓ１ Ｓ２ Ｓ３ 写真５．１７ 赤外線送信機出力波形１（Ｘ軸のリードアウト表示はスイッチ コード） 35 Ｓ４ Ｓ５ Ｓ６ Ｓ７ 電源入力時のノイズ 写真５．１８ 赤外線送信機出力波形２ 36 そして、無線送信機の送信データフォーマット確認するため、図５．３の回 路においてＰＩＣ１６Ｆ６２８のＲＡ２端子の信号波形を観測した。赤外線送 信機と同様に無線送信機の送信データフォーマットは、正確に送信されている ことが確認された。写真５．１９と写真５．２０はデジタルオシロスコープを 用いて観測されたようすである。 Ｓ０ Ｓ１ Ｓ２ Ｓ３ 写真５．１９ 無線送信機出力波形１（Ｘ軸のリードアウト表示はスイッチコ ード） 37 Ｓ４ Ｓ５ Ｓ６ Ｓ７ 写真５．２０ 無線送信機出力波形２ 38 次に受信波形を示す。最初に赤外線検出器の場合である。赤外線受信部はノ イズの影響を受けやすく、受信された送信データフォーマットのようすをデジ タルオシロスコープで観察した。写真５．２１、写真５．２２にその様子を示 す。ノイズ源は主として蛍光灯や家庭の AC コンセントである。図５．４のＰ ＩＣ１６Ｆ８４のＲＡ４ポートの信号はデジタルオシロスコープで観測された。 観測時にはノイズの影響を受けやすかった。 Ｓ０ Ｓ１ Ｓ２ Ｓ３ 写真５．２１ 赤外線受信機出力波形１（Ｘ軸のリードアウト表示はスイッチ コード） 39 Ｓ４ Ｓ５ Ｓ６ Ｓ７ 電源入力時のノイズ 写真５．２２ 赤外線受信機出力波形２ 40 FM 無線受信部は蛍光灯の影響は受けないものの、送信機からの出力がない時 には非常に多くのノイズを出す。このノイズが受信信号に乗るときがあり、時 にはノイズ信号が先に検出され、受信した送信データフォーマットが全く測定 出来ない時間があった。最初は７４HC０４を用いて１回反転することでノイズ を軽減しようとしたのだが、あまりうまくいかないので、ノイズ対策用として アクティブフィルターを用いることとした。下図５．５は本実験で用いたアク ティブフィルタ回路である。ここで、抵抗Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３と、コンデンサＣ １、Ｃ２、Ｃ３の値は次式（５-１）、（５-２）、（５-３）を用いて定められた。 カットオフ周波数はデジタルオシロスコープで観測した最も低周波側に存在す るノイズである１．２kＨｚを十分に遮断し、しかも送信機の６００Hz を遮断 しない１kＨｚとした。図５．５のアクティブフィルターを回路シュミュレーシ ョンすると設計通りの結果になった。 1 2 ⋅π ⋅ f = f （５-１） 1 = R1 ⋅ C 3 （５-２） c 1 2 ⋅ 2 ⋅π ⋅ 3 c 2 2 ⋅π ⋅ R ⋅C f = R ⋅C 2 2 （５-３） c Vcc 5V +V C3 22nF A R3 7.2k R1 14.4k + R2 14.4k + B U2B U2A Vin 0/5V LM2902/NS LM2902/NS R6 10k 40% C1 C2 5.4nF 2.2nF 1kHz 図５．５ アクティブフィルター回路 41 + U2C LM2902/NS C ここで、アクティブフィルターに搭載されたオペアンプとして、NJM２９０ ２Ｎか LMC660CN、ＬＭ３２４のどれかを使うこととし、実際それらの性能を 比較してみた。ここで LM３２４は一般の単電源オペアンプで、NJM2902 は LM324 よりもスルーレートが向上しており、比較的パルス信号に強いタイプで、 LMC６６０CN は単電源かつレールトゥーレールのオペアンプである。Ｂｒｅ ａｄｂｏａｄに図５．５のアクティブフィルター回路を再現し、どのをオペア ンプを採用するかを決定する。まず、NJM２９０２Ｎを用いたときの、Ｂ点と Ｃ点の波形をデジタルオシロスコープで観測した。そのときの入力周波数を 1 ｋＨｚごと変化させると同時に、最終段のコンパレーターの比較電圧を決定す る可変抵抗Ｒ６にかかる電圧を変化させ、それをデジタルオシロスコープで観 測した。ここで、図５．５の可変抵抗の電圧は、その出力信号波形の１と０の 周期が等しかった３．０Ｖと３．５Ｖで観測した。 写真５．２３ NJM２９０２Ｎを用いたアクティブフィルター回路 １ｋHz ２ｋHz. ３ｋHｚ ３．３６ｋHｚ 写真５．２４ 図５．５に NJM２９０２Ｎを用いた可変抵抗電圧３ Ｖにおける B 点の波形 42 １ｋHｚ ２ｋHｚ ３ｋHｚ ４．４２ｋHｚ 写真５．２５ 図５．５に NJM２９０２Ｎを用いた可変抵抗電圧３Ｖにおける Ｃ点の波形 43 １ｋHｚ ２ｋHｚ ３ｋHｚ ３．６ｋHｚ 写真５．２６ 図５．５に NJM２９０２Ｎを用いた可変抵抗電圧３。５Ｖにお けるＢ点の波形 44 １ｋHｚ ２ｋHｚ ３ｋHｚ ３．６ｋHｚ 写真５．２７ 図５．５に NJM２９０２Ｎを用いた可変抵抗電圧３．５Ｖにお けるＣ点の波形 45 次に NJM２９０２Ｎと同様の実験をＬＭC６６０CN で試みた場合は、１kＨ ｚから２ｋHz ではアクティブフィルターとして機能するが、２kＨｚ以上の周 波数では逆に波形が入力波形と一致し、レールトゥレールのありがたさよりも 高周波特性の悪さが目だって使い物にならなかった。 最後にアクティブフィルターのオペアンプとして LM324 を使うことを考える。 写真５．２８にアクティブフィルターを組んだブレッドボードの写真を、写真 ５．２９にコンパレータの閾値電圧として３．０V を設定したときの１ｋHz か ら４．８ｋHz の出力波形と写真５．３０にコンパレータ通過後の反転波形をし めし、写真５．３１と写真５．３２にコンパレータの閾値電圧を３．５V とし、 アクティブフィルターを通過後の波形とコンパレータ通過後の波形を示す。 写真５．２８ ＬＭ３２４を用いたアクティブフィルタ回路 46 １ｋHｚ 2ｋHｚ ３ｋHｚ ４．８ｋHｚ 写真５．２９ 図５．５にＬＭ３２４を用いた可変抵抗電圧３ＶにおけるＢ点 の波形 47 １ｋHｚ ２ｋHｚ ３ｋHｚ ３．９ｋHｚ 写真５．３０ 図５．５にＬＭ３２４を用いた可変抵抗電圧３ＶにおけるＣ点 の波形 48 １ｋHｚ ２ｋHｚ ３ｋHｚ 4ｋHｚ ４．８３ｋHｚ 写真５．３１ 図５．５にＬＭ３２４を用いた可変抵抗電圧３．５Ｖにおける Ｂ点の波形 49 １ｋHｚ 2ｋHｚ ３ｋHｚ 3．４１ｋHｚ 写真５．３２ 図５．５にＬＭ３２４を用いた可変抵抗電圧３。５Ｖにおけ るＣ点の波形 50 図３．５のＢ点とＣ点における、オペアンプ２９０２ＮとＬＭ３２４１と０ の周期は、表５．１と５．２のように観測された。また、入力に対して出力が LM324 を使ったときのほうが低い周波数で消失した。フィルターとしては１ｋ Hz 以上の周波数ではより早く減衰するほうが望ましいので、今回は LM324 を 使用することとした。そこでＬＭ３２４を用いたアクティブフィルターを図５． ４の回路に追加した。その回路図を図５．６に示す。 1kHz 2khHz 3kHz ＨＩＧHの間隔(ms) LOWの間隔(ms) 1kHz 0.5 0.48 2kHz 0.27 0.22 0.2 0.14 3kHz ＨＩＧHの間隔(ms) LOWの間隔(ms) 0.56 0.46 0.3 0.18 0.24 0.1 可変電圧３Ｖ 可変電圧３．５Ｖ 表５．１ NJM２９０２ＮのＨｉｇｈとＬｏｗの間隔 1kHz 2kHz 3kHz ＨＩＧHの間隔(ms) LOWの間隔(ms) 1kHz 0.49 0.46 2kHz 0.25 0.22 0.17 0.12 3kHz ＨＩＧHの間隔(ms) LOWの間隔(ms) 0.56 0.45 0.27 0.19 0.23 0.11 可変電圧３Ｖ 可変電圧３．５Ｖ 表５．２ ＬＭ３２４のＨｉｇｈとＬｏｗの間隔 51 U2 11 GND 12 NC 13 NC 14 OUT 15 En IN 7 GND 1 Vcc 2 GND 3 FM-RRFQ1-315 U3 S81350 S1 3 IN 2 +6V S3 C5 33uF U8 Optorecv OUT 3 R7 470 OUT 1 GND C6 100uF 16f84 Vs 2 GND 1 1 RA2 RA1 18 2 RA3 RA0 17 3 RA4 osc1 16 4 nMCLRosc2 15 5 GND Vcc 14 6 RB0 13 RB7 7 RB1 RB6 12 8 RB2 RB5 1 9 RB3 RB4 10 CRVP1738 XTAL1 10.000MHZ U1 R1 3k U9 R6 5k 40% 1 Vref 2 InB 3 InA 4 Cosc 5 NF 6 OutB 7 Vi 8 OutA C7 R2 200 0.047uF Gm 16 Gm 15 DA3 14 DA2 13 DA1 12 DA0 11 Vm 10 Gm 9 U5 1 Vref 2 InB 3 InA 4 Cosc 5 NF 6 OutB 7 Vi 8 OutA TA7289P C4 2.2uF R4 2 R5 200 C1 0.047uF M1 C2 0.01uF TA7289P R3 2 M2 C9 2.2uF Vcc 5V +V Gm 16 Gm 15 DA3 14 DA2 13 DA1 12 DA0 11 Vm 10 Gm 9 C3 0.01uF C11 22nF R11 7.2k R9 14.4k + R10 14.4k + + U4C LM2902/NS U4B U4A LM2902/NS LM2902/NS C8 2.2nF R8 10k 40% C10 5.4nF 図５．６ 赤外線/無線切り替えリモコン走行車の修正回路 52 D1 LED1 最後に LM324 を用いてアクティブフィルターを実装した図５．６の回路に対 してその受信波形をデジタルオシロスコープを用いて観測した。結果を写真５． ３３、写真５．３４に示す。正常に FM 無線送信機からの送信データフォーマ ットが受信されていることがわかった。 Ｓ０ Ｓ１ Ｓ２ Ｓ３ 写真５．３３ 図５．６の回路の赤外線受信信号１ 53 Ｓ４ Ｓ５ Ｓ６ Ｓ７ 写真５．３４ 図５．６の回路の赤外線受信信号２ 54 ５−５ 実験回路の動作確認 本実験の赤外線/無線切り替えリモコン走行車において、オペアンプＬＭ３２ ４によるアクティブフィルタ回路を追加することにより、赤外線受信部のノイ ズによる誤動作を防ぐことに成功した。そして、赤外線/無線切り替えリモコン 走行車は赤外線送信機の各スイッチに対し、正確に動作することが確認された。 作製した赤外線／無線切り替えリモコン走行車と赤外線リモコン送信機、FM 無 線リモコン送信機を写真５．３５、写真５．３６、写真５．３７に示す。 写真５．３５ 製作した赤外線／無線切り替えリモコン走行車 写真５．３６ 赤外線リモコン送信機 写真５．３７ 無線リモコン送信機 55 ５−６ 検討 赤外線/無線リモコン切り替え走行車を製作してわかったことは、赤外線通信 と無線通信には一長一短があることである。アクティブフィルターを使用しな ければ、回路の製作においてはどちらもそれほど難しくはない。しかしながら アクティブフィルターを使用しなければ無線通信は事実上使い物にならず、赤 外線通信のほうがましであった。純粋に赤外線通信と無線通信を比較してみる と、移動するリモコン走行車に対してはデータの取りこぼしが少ない分無線通 信のほうが有利に感じられた。通信可能距離は赤外線通信で約１ｍで、無線通 信で約１ｍ５０ｃｍで、若干無線通信のほうが遠くまで通信できた。当初の予 定よりも大幅に通信可能距離が短くなった原因は今のところ不明であるが、現 状のパルスでデータを送信する方式ではこの程度しか通信できないのかもしれ ない。いずれにしても通信距離を大幅に延ばすことと、データの取りこぼしの 確率を減らしてほとんど完璧に命令を実行できるようにすることが今後の課題 である。 56 第６章 加速度センサを用いた角度検出回路の 設計と製作 ６−１ 実験の目的 本実験では、動きに反応するセンサである加速度センサの働きについて学ぶ ため、角度検出器を製作することを目的とする。角度検出器は、ＰＩＣ１６Ｆ ６２８に書き込まれたプログラムにより、左右上下に動かした加速度センサか らの信号を読み取り、７セグメントＬＥＤに角度情報として出力する。 ６−２加速度センサを用いた角度検出回路の原理 Vdd 加速度センサの働きは、Ｘ軸とＹ軸方向に動かすことにより、それぞれの加 速度を検知し、それをパルス信号の形で出力することである。下図６．１に加 速度センサを示す。図６．１の加速度センサは、ＸｆｉｌｔとＹｆｉｌｔで、 それぞれ、Ｘ軸とＹ軸の加速度を読み取る。そして、ＸｏｕｔとＹｏｕｔで、 検知した加速度をパルス信号で出力する。 Xfilt Yfilt Xout Yout ST T2 COM 図 ６．１ 加速度センサ ６−３ ダイナミック点 灯方式について 57 本実験では、角度検出器の出力信号の表示には下図６．２の 7 セグメントＬ ＥＤを X 軸に対して 3 個と Y 軸に対して３個の計６個を使用した。この素子は、 ａから dp のどれかに電流を流すことにより、０から９までの数字が表示される 仕組みになっている。しかし、３つの７セグメントＬＥＤに全てに電流を流し た場合、ＰＩＣ１６Ｆ６２８のピンの数を超えるので、角度検出器にはダイナ ミック点灯制御方式が採用された。これは、ＰＩＣに書き込まれたプログラム により短時間に１つの桁を点灯、消灯して、３桁表示させる方式である。この 方式を用いると、数 10ms 周期の信号を７セグメントＬＥＤに送ると、肉眼で は連続にその各桁が点灯しているように見えるのである。 a b c d e f g dp 図６．２ ７セグメントＬＥＤカソードコモンタイプ ６−４応用例 ６−４−１ 角度測定器の動作原理 本実験で製作された角度測定器に組み込まれた加速度センサは、前後、左右に 倒すことで、パルス波である出力信号の１の間隔を変化させる。そして、角度 検出器に用いられた７セグメントＬＥＤが出力信号１の間隔を表示するのであ 58 る。本実験では、ＰＩＣ１６Ｆ６２８に書き込まれたプログラムにより、加速 度センサから出力されるパルス波の周期は約６．０ｍｓに設定された。 ６−４−２ 角度検出器の製作 本実験で製作された角度検出器の回路図は図６．３である。 R7 1MEG 1 ST 2 ADXL202E C3 1uF Vdd 8 U2 S1 Xfilt 7 Yfilt 6 Xout 5 4 Yout T2 3 COM C2 0.1uF +3V C1 0.1uF U1 R8 120 R9 120 RA2 RA3 RA4 RA5 GND RB0 RB1 RB2 RB3 R3 3.9k RA1 RA0 RA7 RA6 Vcc RB7 RB6 RB5 RB4 16f628 R2 3.9k Q3 2SC1815 R1 3.9k Q2 2SC1815 Q1 2SC1815 R14 120 Gnd R13 120 Gnd Gnd DISP2 DISP3 R12 120 abcdefg. DISP1 abcdefg. abcdefg. R10 120 R11 120 R6 3.9k R5 3.9k Q6 2SC1815 Gnd Q5 2SC1815 R4 3.9k Gnd DISP6 abcdefg. Q4 2SC1815 Gnd DISP5 abcdefg. DISP4 abcdefg. 図６．３ 角度測定器の回路図 図６．３の回路図の加速度センサＡＤＸＬ２０２Ｅに接続された抵抗Ｒ７と コンデンサＣ１，Ｃ２には、厳密な測定でない故に標準的な数値を用いて設計 59 された。また、抵抗Ｒ８からＲ１４までの抵抗１２０Ωは、各 7 セグメント LED の入力に約８ｍＡの電流が流れるよう設計された結果である。そして、Ｒ１か らＲ６の抵抗は、１つの７セグメントの全てのエレメントが点灯した場合の電 流が、ＮＰＮ型トランジスタＱ１からＱ６で１００倍に増幅した場合、６０ｍ Ａになるように、３．９ｋΩに設計された。図６．３で用いられたＰＩＣには、 ＲＡ０、ＲＡ１、ＲＡ２，ＲＡ３、ＲＡ６、ＲＡ７には点灯させる７セグメン トの選択をさせ、ＲＢポート全てに、その表示する数字を選択するようにプロ グラムが書き込まれた。 ６−５実験回路の動作確認 角度検出器の働きを観測するため、実際にそれを前後、左右に倒した場合の、 加速度センサからの出力波形を、デジタルオシロスコープを用いて調べた。こ こでの観測波形は、回路図６．３の加速度センサ ADXL202E の Xout から X 軸 の出力波形が現れ、Yout から Y 軸の出力波形が現れるので、それらをモニター した。その様子を写真６．１から６．３に示す 実際の測定写真 X 軸０°傾斜の Y 軸０°傾斜の Xout 出力波形 Yout 出力波形 ３． ４５ｍｓ ３．６１ｍｓ 写真６．１ 角度検出器 Ｘ，Ｙ軸０°の場合の出力１の間隔 60 実際の測定写真（X 軸９０°傾斜） X 軸９０°傾斜の Xout 出力波形 ４．０６ｍｓ 実際の測定写真（X 軸―９０°傾斜） X 軸−９０°傾斜の Xout 出力波形 ２．９７ｍｓ 写真６．２ 角度検出器を X 軸方向に９０°、−９０°（加速度センサ４、 １ピン方向が X 軸）に傾けた場合の出力信号１の間隔 61 実際の測定写真（Y 軸９０°傾斜） Y 軸９０°傾斜の Xout 出力波形 ４．２１ｍｓ 実際の測定写真（Y 軸―９０°傾斜） Y 軸−９０°傾斜の Yout 出力波形 ３．１７ｍｓ 写真６．３ 角度検出器を Y 軸方向に９０°、−９０°（加速度センサ４、 ５ピンは Y 軸方向）に傾けた場合の出力１の間隔 以上の結果を元に角度測定器を製作した結果、加速度センサの出力信号波形 の１（high）の間隔の変化が７セグメント LED の３桁の数字の形で表示される ことになった。観測された。これを写真６．４に示す。 62 写真６．４ 製作した角度検出回路 ６−６ 検討 本研究を通して加速度センサの基本的な使い方を習得し、応用回路として角 度検出器を設計・製作したが、当初の設計どおりの水平の位置で４ｍｓ、＋９ ０°の位置で５ｍｓ、−９０°の位置で３ｍｓから出力がずれてしまった。こ の原因はパルス幅を決める外付けの抵抗とコンデンサの精度によるものと考え ているが、明確なことはわからない。いずれにしても、現状で発生するパルス 幅を基準として第７章のロボットアームを製作したが、より角度条件の厳しい 回路に於いては今回のとりあえず角度検出部分を製作してその結果から次の回 路を製作するという方法は問題を発生させる可能性を有する。角度条件が厳し い場合は当初の設計どおりのパルス幅を出力するまで設計を追い込む必要があ ることをここに記しておく。 63 第７章 加速度センサ、FM 電波送受信回路、 モーターコントロール回路を組み合わせ た回路の製作 ７−１ 実験の目的 本実験の目的として、第４章に記述された回路のモーター制御部分と第５章 に記述された回路の FM 電波送受信部分、そして、第６章に記述された回路の 加速度センサ部分を用いて、いままでの実験の集大成として、動きのある模型 を製作する。 ７−２実験回路の製作 ７−２−１ ロボットアーム送受信回路の動作原理 本実験では動きのある模型として、ロボットアーム送受信器が製作された。 これは、予め市販されているリモコンロボットアームのモーター制御回路に、 本実験で製作されたロボットアーム受信回路を組み込むことにより、送信回路 の動きにあわせてロボットアームが上下左右に動作をする仕組みである。 ロボットアームの送信回路には、第５章で記述された無線送信モジュールと 第６章の回路製作で記述された加速度センサが用いられた。その送信回路は、 ロボットアーム回路に信号を送信するため、加速度センサで検出された信号を PIC に入力させ、それに書き込まれたプログラムにより無線送信機が出力信号 を送信する仕組みになっている。 ロボットアームの受信回路には、第４章で記述されたモータードライバーと 64 第５章で記述された無線受信モジュールと雑音対策のためのアクティブフィル タ回路が用いられた。その受信回路は、無線送信モジュールでロボットアーム 送信機からの信号を受信し、アクティブフィルタ回路に入力される。そして、 アクティブフィルタ回路から出力した信号が PIC に入力され、予め PIC に書き 込まれたプログラムによりモータードライバーへの信号を制御する仕組みとな っている。 ７−２−２ ロボットアーム送受信回路の製作 ロボットアーム送信機の回路図を下図７．１に示す。この図７．１の回路は、 加速度センサ ADXL202E からの出力信号 Xout、Yout を PIC12F６２９に入力 し、その PIC に書き込まれたプログラムにより制御された出力信号が無線送信 モジュール FM-RTFQ1−３１５の In に入力されるよう設計された。その PIC に書き込まれたプログラムは、第６章で記述されたように加速度センサ X 軸と Y 軸のそれぞれを０°、９０°、-９０°傾けた３通りにより出力パルス１の間 隔は変化する。そのことを用いてそれぞれ３通りの動作をロボットアームにさ せるようそのプログラムは作成された。図７．２に、ロボットアーム送信機か らの送信データフォーマット、図７．３にそのスイッチコードを示す。 S1 +3V FM-RTFQ1-315 U2 EA En In GND GND Vcc 12F629 U3 XTAL1 4.000MHZ VDD OSC1 OSC2 GP3 GND GP0 GP1 GP2 Vdd U1 ADXL202E ST T2 COM Xfilt Yfilt Xout Yout R1 1MEG C2 0.1uF C1 0.1uF ７．１ ロボットアーム送信機の回路図 65 1 1 0 スタートビット デバイスコード 1 0 1 1 D3 D2 D1 D0 セパレータ スイッチコード 1 0 0 0 0 ストップシーケンス 図７．２ ロボットアーム送信機の送信データフォーマット（データ部） D3 D２ ー９０° ０ １ ０° １ １ ９０° １ ０ 加速度センサ Y 軸傾斜によるスイッチコード D１ D０ ー９０° ０ １ ０° １ １ ９０° １ ０ 加速度センサ X 軸傾斜によるスイッチコード 図 ７．３ 加速度センサ X 軸 Y 軸のスイッチコードの割り当て 66 ロボットアーム受信機の回路図を下図７．４に示す。この回路では、第５章 で製作された無線送信部分とアクティブフィルター部分を同じように搭載した。 また、抵抗 R9,10,11,12 の値は、トグルスイッチ S９からの電圧を抵抗 R9 と R10 間、R11 と R12 間で約５V になるようにするために挿入したものである。 また、そのスイッチからの電圧は、出力電圧を一定に保つ３端子レギュレータ ーS81350 により５V とされ、その電圧はオペアンプ LM324 と無線受信モジュ ール、PIC１６F628 の電源電圧とされる。そして、抵抗 R4、R5 は発光 LED に電流を約８mＡ流れるよう設計された。この回路の受信順序として、ロボット アーム送信回路からの信号を無線受信モジュールで受信し、その OUT からの出 力信号がアクティブフィルターを通り、PIC16F628 に入力される。そして、そ の PIC に書き込まれたプログラムにより、モータードライバーIN1、IN２の出 力信号は制御される。また、そのプログラムは、ロボットアーム送信データフ ォーマットからの信号を第５章に記述したように、２連送照合して受信するよ う作成された。 U2 FM-RRFQ1-315 IN GND NC NC OUT En Vcc GND M1 GND S1 D2 LED2 S2 U1 R4 390 RA2 RA3 RA4 RA5 GND RB0 RB1 RB2 RB3 D1 LED2 S3 RA1 RA0 RA7 RA6 Vcc RB7 RB6 RB5 RB4 A XTAL1 10.000MHZ R1 14.4k + R3 7.5k U6A C3 22nF R2 14.4k C1 R5 390 2.2nF S4 M4 R7 470 D3 LED2 R14 470 R8 470 R15 470 D6 LED2 D4 LED2 D7 LED2 C4 0.1uF S5 C7 0.1uF U4 R9 200 V1 3V GND MC1 NC Vref IN1 IN2 Vcc Vs NC MC2 TA7291P S9 + U5 M2 GND MC1 NC Vref IN1 IN2 Vcc Vs NC MC2 M3 R10 820 + V2 3V R11 200 R12 820 B U6B LM324 LM324 16f628 M5 + TA7291P U3 S81350 IN OUT R13 470 D5 LED2 GND 図７．２ ロボットアーム受信回路図 67 C2 2.2nF R6 10k 40% U6C LM324 + C ７．３ 実験回路の動作確認 実際にロボットアーム送受信回路を製作した結果、ロボットアーム送信機の 加速度センサの X 軸、Y 軸の動きに合わせてロボットアームのアーム部分が前 後、左右に動くことが確認された。製作したロボットアーム送信部と受信部を 写真７．１に示す。 写真７．１ 製作したロボットアーム送信部と受信部 ７−４ 検討 第７章ではいままでの総まとめとして腕に取り付けたリストバンドに加速度 センサを搭載することによって、腕の角度を検出し無線でロボットアームに取 り付けた受信機に信号を送信する回路を製作した。角度の信号が正確に送信さ 68 れ、受信されているかどうかを確かめるために４個の LED を用いて受信コード の主要部分である下位４ビットを表示させることとした。送信機には送信デー タを確認するためにデジタルオシロスコープのプローブを付け、送受信間でど こに問題があるのかを何度も確認した。受信回路はノイズをある程度減衰させ るアクティブフィルターを搭載しており、第５章の赤外線/無線切り替えリモコ ン走行車の製作経験から１ｍ以内の距離では確実にデータが受信できるはずで あった。しかしながら、受信機に対して送信機の位置関係が変わることによっ てそれほど距離が変わっていないにもかかわらず送信データを取りこぼす場合 が時々見受けられた。この原因は不明であるがロボットアームから製作した回 路が外にはみ出さないように無理して実装したことによるのかもしれない。ロ ボットアームの空きスペースは相当少なく、配線やそれぞれの部品にいろいろ な圧力がかかっている。このような状況下でも確実に動作させるためにはかな りの技術と経験が必要であると痛感した。 69 第８章 まとめ・感想 本研究では、PIC プロセッサの基礎的な構造とプログラムを学ぶことから始 めた。そして、センサに着目し、その仕組みを学び、それを活かした回路を作 製した。まず、第４章では、PIC を用いたセンサ回路を製作した。ここでは、 フォトインタラプタの動作を確認する際、ソフトやハードの面のどちらかに誤 りがあるのかどうかということを調べることに大変試行錯誤した。次に第５章 では、信号の送受信が困難になることが起こり、ブレッドボードにその一部の 回路を製作し確認する等の方法を行ったが、受信側の問題箇所が分からず、非 常に難儀であった。そこで、アクティブフィルター回路を用いた結果、それな りに動作をしたが、思い描いた動作でない所に心残りがあった。しかし、第５ 章の回路で非常に躓いたことにより、一層 PIC プロセッサの応用の広さを実感 した。そして、第６章では、動きを読み取るセンサを学ぶため、角度検出器を 設計した。ここでは、回路の配線が非常に複雑で、幾度も導通確認を行った。 最後に本研究の集大成として、ロボットアーム送受信回路を製作した。この回 路では、もともとのロボットアームの真下の空きスペースに基板を組み込む際 に切断などをして実装するまでが大変苦労した点が印象に残った。 以上の実験を通して、センサと PIC プロセッサの知識を学習した。そして、 これからの人生に於いて本研究で製作した経験はかけがえのないものになるで あろうと思った。 70 参考文献 １）後閑哲也著『ロボット改造工作マニュアル』（技術評論社） ２）後閑哲也著『電子工作のための PIC 活用ブック』（技術評論者） ３）遠藤敏夫著『PIC マイコン製作集』（誠文堂新光社） ４）後閑哲也著『たのしくできる PIC 電子工作』（東京電機大学出版局） ５）堀桂太郎著『図解 PIC マイコン実習』（東北出版株式会社） ６）中尾真治著『おもしろい PIC マイコン１２F６７５を使いこなす』 （オーム社） ７）河西真史 共著『PIC マイコンによるメカトロニクス入門』（CQ 出版社） 山本健一 鶴見恵一 71 謝辞 本研究ならびに論文の作成に当たり、終始親切で丁寧なご指導、ご支持を承 りました高知工科大学電子・光システムコース綿森道夫助教授に深い感謝の意 を表します。本論文は綿森助教授のお蔭で完成したといっても過言ではありま せん。 また高知工科大学電子・光システムコース在学中、本研究の実験遂行、各過 程で終始ご厚意、ご協力頂きました高知工科大学電子・光システムコース長神 戸宏教授、河津哲教授、原央教授、矢野政顕教授、木村正廣教授、河東田隆教 授、成沢忠教授、岩下克教授、八田章光教授、橘昌良助教授、野中弘二助教授、 山本真行講師、植田和憲講師、杉田彰久教育講師、武田光由教育講師、西田謙 助手の方々には重ねて感謝の意を述べさせて頂きます。 72