Transcript H18講義スライド（MS-PowerPoint）

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。