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第2章 マイコンの基礎
電子回路に苦手意識を持たないことが重
要!
メカトロニクス機械におけるマイコン回路の位置付け
2.1 マイコンとは
★マイクロコンピュータ,マイクロコントローラの略
★パソコンのように複数の部品で構成された機器ではない。
(a) AVRマイコン
(b) H8マイコン
★簡単な知識と簡単な装置で機械の高性能化ができる?
★ 使いこなすことができれば,「機械」作りの幅が広がる。
マイコン機器開発の流れ
★構想から,マイコン回路の設計・製作,プログラム作成・・・
★もちろん,メカの設計・製作も重要。
2.2 マイコンの特徴
★小型:デジタル入出力やタイマ,メモリの機能が1つの電子部品
に含まれている。
★安価:1個300円~1500円程度。
★多種類:入出力ピンの数,機能などが異なるものなど多種類。
★多様なプログラム環境:BASIC言語やC言語がそろっている。
★書き換え可能:プログラムを何度でも書き換えられる。
★高速:シンプルであるが動作が速い。
★多用途:幅広い用途で使用可能。
2.3 マイコンでできること
★外部からのデジタル信号を読み取り,書き込んだプログラムに
よって何らかの計算をして,外部に信号を出力する。
デジタル信号だけで・・・
モータを動かす
センサと表示器をつけて計測する
信号を変換する
2.4 マイコンの性能と用語
(a) AVR AT90S2313
(b) AVR AT90S8535
★どのようなマイコンがあるのか,その性能は?
★大きさ(ピンの数),機能が違うマイコンがある。
マイコン用語
●クロック
AVRマイコンの最高動作クロックは,8~12 MHz程度。実際の
動作クロックは回路に取り付ける発振子(セラロック)の周波数
で決まる。
モータ制御などではクロック(=時間)が重要になる。
●ピン
AVRマイコンは,端子間ピッチが2.54 mmのIC形状をしている
(EIA規格)。5本程度の端子が電源やクロックなどのために使
われ,残りがプログラムによって入出力が可能になる。
マイコン用語
●ROMとRAM
ROM(Read Only Memory):読み出し専用記憶装置。一度書き
込まれた情報を読み出すための記憶装置で,書き換える必要
のない情報や書き換えられては困る情報を記憶させる。
RAM(Random Access Memory):一般的に RAM と呼ばれてい
るものは読み書きが可能。本来の意味では,複数の情報を記
録し,記録順,記録位置等に関係なく読み出せるものの総称。
●フラッシュROM
フラッシュROMはプログラムを書き込むためのメモリ。これが
大きいほど,大きいプログラムを書き込むことができる。AVRマ
イコンでは,1000回の書き込み・消去が可能。電源を切っても
情報は消えない。
マイコン用語
●A/D変換
アナログ電圧を読み取り,マイコンで扱うことができるデジタ
ル値に変換する機能。
例えば,10 bitのA/D変換とは,測定電圧を10 bit=210=
1024に分解できる性能(分解能)。
0~5 Vの電圧を測定するのであれば,約0.005 V(=5/
1024)刻みで読み取ることができる。
2.5 マイコン回路とその構成部品
スイッチのON/OFFに合わせてLED(発光ダイオード)
を点灯させる簡単なマイコン回路
マイコン回路
(1) 抵抗器
●電圧や電流を調整するために使われる。
●抵抗値の単位はΩ(オーム)。
●選定には,オームの法則(V=I×R)と定格電力が需要。
●抵抗値はカラーコードで表記される。
抵抗のカラーコード
●抵抗の値は,カラーコードで見分けられる。
(2) コンデンサ
●電荷を貯める素子。容量の単位はF(ファラド)。
●交流を流し,直流は流さない。
●選定時は,容量と定格電圧が重要。
●直流回路では,ノイズ(交流成分)の発生を防ぐためなどに
使われる。
【補足】最近のコンデンサ技術
近年、1000F以上もの大容量、ミリオーム
オーダーの低い抵抗を有したパワー用電
気二重層キャパシタが登場し、100A以上
の大電流での急速充放電が可能となり、
電気自動車あるいはハイブリッド自動車
のモータ駆動、回生エネルギの蓄電が可
能な新しいデバイスとして期待されてい
る。
http://www.fdk.co.jp/cyber-j/pi_technical09.html
http://techon.nikkeibp.co.jp/CEATEC2005/ceatec2004
_NE/6_car/index2.html
(3) LED(発光ダイオード)
●ダイオードとは,一定方向に電流を流す半導体素子。
● LEDは,電圧を感知し,光を発するダイオード。
(3) LED(発光ダイオード)
●方向性(極性)があり,通常は足の長さでわかる。
●過電流防止のため,抵抗を直列につながなければならない。
【補足】 最近のLED技術
LED交通信号機は従来の電球式信号灯
器に比べてエネルギー効率が格段に高く、
消費電力量は車両用で70Wから15Wと
1/5程度、歩行者用で60Wから15Wと1/4
以下に削減。
http://www.led.or.jp/
家庭用照明にも一部使われつつある。し
かし,白色を作り出すための「青色LED」
が高価なのが問題(ライセンス?)。電力
会社から反対意見がある(噂)。
http://www.city.yokosuka.kanagawa.jp/speed/mypage/
m-imajo/akari/akarimuseum/folder2/ledlighting.html
(4) 三端子レギュレータ
●安定した一定電圧を得るための電子部品。
●様々な容量(最大電流)のレギュレータが市販されている。
三端子レギュレータの接続
● IN,OUT,GND(グランド)の三本の端子がある。
(5) セラロック
●マイコンの動作周波数を決めるための電子部品。
(6) マイコン
●20本のピンにはそれぞれの役割があり,記号で表記される。
●半円型の切り欠きで向きがわかる。
(7) ICソケット
●マイコンやICは組立・取り外しが可能なように,直接はんだ
付けはしない。また,熱に弱い。
(8) ユニバーサル基板
● 2.54mm間隔で穴があいている。
●穴の周囲にはドーナツ状の銅箔が付けられている。
(9) スイッチ
(a) トグルスイッチ
(b) プッシュスイッチ
●様々な形式のスイッチがある。
●実際にスイッチを選定するときは,定格電流で制限を受ける
ことが多い。
その他のスイッチ
(c) ディップスイッチ
●用途によって使い分ける。
(d) マイクロスイッチ
(10) リード線
●流せる電流は,銅線の太さ(断面積)と被覆の種類で決まる。
●実際に配線するときは「色分け」するのが重要。慣例的に,プ
ラスは赤,マイナスは黒または青。
(11) 電池/電池ボックス
(a) 9V型乾電池(P006)
(b) 単三乾電池
●使用する三端子レギュレータによって,使用電圧が変わる。
●単三乾電池は1.5V(1本),四角い電池は9Vの直流。
2.6 マイコン回路の基礎
●決められた端子に,電源を接続する。
●決められた端子に,セラロックを接続する。
●端子を決めて,入力スイッチやセンサを接続する。
●端子を決めて,出力信号(LEDやモータ)を接続する。
(1) 電源回路
●三端子レギュレータから電源を入力(20ピン)。
●グランド(マイナス端子)を接続(10ピン)。
(2) グランド
●通常,直流電源のマイナス端子をグランドとし,電気的な共
通端子として使用する。
(3) セラロック
●決められた周波数のセラロック
を取り付ける。
(4) リセットスイッチと入力用スイッチ
●スイッチが
押されてい
ない状態で
5V(VSS)の
電圧が入力
される。
●スイッチが
押されると
0V(グラン
ド)につなが
る。
(5) 出力確認用LED
●どのピンを出
力にするかは作
成するプログラ
ムで決められる。
完成したマイコン回路
2.7 プログラムの概要
★パソコンを使って,マイコン用プログラムを作る。
(1) パソコンとマイコンのプログラムの違い
●ハードウェアに合わせたプログラム
信号の入出力などに利用するマイコンでは,それぞれの
ハードウェア(マイコン回路)に合わせたプログラムが必要にな
る。
●画像操作/ファイル操作
マイコンには,画像操作やファイル操作がない。
●プログラムの動作確認
マイコンには,パソコンで使うようなモニタを取り付けられな
いため,プログラムの途中経過(動作)を確認するのが困難。
●数式の表し方
一般にマイコンのプログラミングでは,複雑な数式を扱うこと
ができない。また,使用できる関数に制限を受ける。
(2) プログラム言語
●高級言語(語学の文法に近い命令)と呼ばれるC言語や
BASIC言語
●中間言語と呼ばれるアセンブラ語
●普通の人には読み取ることが困難な機械語
通常のマイコン開発は・・・
●使用者は高級言語でプログラムを作成。
●コンパイラでプログラムを変換(パソコン)。
●マイコンに書き込まれるのは「機械語」。
2.8 マイコン回路を開発する要点
★回路や構成部品の基本を理解する。
★構成部品のデータシートを解読できる技術を身につける。
★入力信号はどのようなものか?必要とされる出力信号は
どのようなものか?
★どのような計算(プログラム)が必要なのか?
★何のために作るマイコン回路なのかを考え,マイコン回路
は「機械」の一部であるという認識を持つ。
【演習問題】
★現在はマイコンを使用していないが,マイコ
ンを使用することで高性能化が図られる機械
を考えなさい。
その構造・原理を図面で表し,機能および高
性能化される理由を文章で説明しなさい。