第２章　マイコンの基礎

メカトロニクス機械におけるマイコン回路の位置付け

電子回路に苦手意識を持たないことが重要！

2.1 マイコンとは

★ 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

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

★ 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。

(a) AVR AT90S2313 (b) AVR AT90S8535

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

● 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。

●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。

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

http://www.fdk.co.jp/cyber-j/pi_technical09.html

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://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

● 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。

(a) トグルスイッチ (b) プッシュスイッチ

その他のスイッチ

● 用途によって使い分ける。

(c) ディップスイッチ (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

● 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。

(a) 9V 型乾電池（ P006） (b) 単三乾電池

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

● 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」。

通常のマイコン開発は・・・

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。