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ハイテク和時計完成(機能説明編)

 Arduinoの勉強を兼ねて取り組んでいた和時計作りですが、とりあえず完成状態になりました。

 ということで、今回の記事は機能説明編。まずはどんな仕様の物になったかまとめます。なお、中の回路やソフトの内容は次回の記事で紹介予定です。

▼外観
自作したハイテク和時計
 100円ショップの木製アクセサリーボックスに入れました。サイズは150×100×52mm。
 上が和時計、下は液晶で今日と昨日の昼と夜の長さを表示します。

▼和時計の文字盤
和時計の文字盤
 いい感じに仕上がりました。

 9時の位置が明け六つ、3時の位置が暮れ六つになります。普通の和時計は針が一つですが、この時計は現代の時計のメカを使っているので短針、長針、秒針があり細かい時刻まで判ります。

 昼と夜の時間の長さは季節によって変わるので、マイコンを使って時計の進む速さを調整し不定時法の表示をさせています。なお、昼夜の同期はミニ太陽光発電のソーラーパネルの電圧検出で行っているので、天候の影響があります。また、時計の運針速度は前日の昼(夜)の長さの測定結果を使っているのでこちらも天候の影響を受けます。

 ちなみに、前日の昼(夜)の長さで運針させると、実際の日暮れとのズレはどうしても避けられません。そこで、日暮れが予想より早かった場合は夜の運針速度で調整。予想より日暮れが遅くなった場合は時計の針を止めて日暮れを待ちます。このあたりの話はこちらの記事で。

 この時計は日の出日の入りに同期しているので、これが正午を示す時は太陽が南中していることになります。私は太陽の南中時刻は経度だけで決まる、つまりここ東京は東経135度の明石より4度くらい東にあるので太陽の南中時刻は60分×4度/15度=16分だけ早い。つまり11時44分が南中時刻だと思っていました。しかし、調べてみると話はこんなに簡単では無く、均時差というのがあって太陽の南中時刻は年間では±15分くらいの変化があるそうです。この和時計が正午を示す時刻を見ていると、この近時差が実感できて面白いです。もちろん天気が良くて時計の精度が高い日に限りますが。

▼液晶表示
昼/夜の時間表示LCD
 今日と昨日の昼と夜の長さを HH:MM.X 形式で表示します。また、夜明け(日没)からの現在までの経過時間も合わせて表示します。また、夜は液晶のバックライトが点灯します。

 この写真はリセット直後の時刻合わせモードの状態です。時刻合わせの方法は、昼なら日暮れの暮れ六つ(15:00)に時計の針を合わせておき、日暮れになると自動的に時計がスタート、という方法で同期させます。液晶の Set3:00 と言う表示は、時計の針を3:00の位置に合わせなさいという指示です。もちろん夜にスタートさせる場合は Set9:00 という表示が出ます。
 こうやって一度合わせてやれば後は時刻合わせ不要で、勝手に時計が同期します。

▼背面
和時計の背面
 電源と昼夜信号を接続します。電源はDC7.5~20Vで、ACアダプタかミニソーラー発電の12Vが使用可能で、現在はミニソーラ発電の電力で動かしています。

▼内部
jisaku和時計の内部
 100円ショップの目覚まし時計と制御回路が入っています。
 時計の上に緑色のLEDが点灯していますが、これは毎正時の前後数秒間点滅させて時刻を知らせるものです。本物の和時計は正時刻毎にチンとか鐘が鳴るそうなのでその代わりです。

▼心臓部
ハイテク和時計の心臓部はArduino
 ArduinoでプログラムしたAVRのCPU ATmega328Pで動かしています。
 この部分の解説は次回の記事で紹介を予定しています。

tag : 和時計 arduino 製作 作る 100円ショップ 均時差 不定時法

100円ショップのソ-ラーアクセントライトで明るさセンサーを作る

 前の記事のソーラーアクセントライトを改造してエネルギーを自給自足できる光電スイッチを作る試みは失敗しました。ならば、方針を変えて信号をオープンコレクタで出してマイコンなどに伝えるセンサーが作れないか考えてみました。

 いきなり結論ですが。

▼改造前(前の記事のものと同じですが、比較しやすいように再掲載します)
ソーラーアクセントライトの回路図

▼改造後
ソーラーアクセントライトの改造後

 スイッチとコイルを外し、LEDをコンデンサに変えただけです。スイッチをOFFにしておけばコイルを外す必要は無いのですが、間違ってONにしてしまうと高い電圧が発生してマイコン側を壊す恐れがあるのと、電池をムダ喰いしてしまうので外してしまいます。

 こうすると、暗くなってDC-DCコンを起動させようと最初にトランジスタがONになった時にコイルが無いので発振に失敗、結局トランジスタがONのままの状態にはまります。一方で、明るくなると内部で発振停止信号が出るのでしょうか、トランジスタがOFFの状態に戻りますす。ということで、そのままオープンコレクタの出力として使えちゃいます。

 とは言っても元は発振回路なので何とかして発振させようとしているみたいでオシロで見ると、波形が少しピクピクしていました。ならばということでC1を入れて息の根を止めています。(合掌)

 この改造を行うと発振しなくなるので電池の消費電流はわずか35μAくらいまで減少しました。これなら少し明るい場所に置いておけば電源の自給自足が可能になるはずです。

▼改造箇所
ソーラーアクセントライトの改造箇所
 LEDをちょん切って、そこにC1と引き出し線を接続し、スイッチに行く線はカット。これだけです。親切なことに、基板にはシルクでLEDの極性が印刷されているので引き出し線の極性に悩むこともありません。

▼応答特性の確認
応答速度の測定
 太陽電池の上に白色LEDを置いて黒いテープで遮光。LEDをファンクションジェネレーター(HP 3314A)で光らせて応答特性を見ています。オシロの画面は外部で5Vにプルアップした抵抗の電圧波形です。

 三角波で光らせていますが、ON/OFFの検出には適度なヒステリシスがあるようで、変化点でばたつきは発生していません。ちなみにこの写真を撮った時の周波数は1000Hzで、けっこう高速で反応するようです。波形の立ち上がりのなまりは、C1とプルアップ抵抗の時定数によるものです。

▼完成した光センサー
ソーラーアクセントライトを改造した光スイッチ
 センサーがでかいですが、けっこうまとまりがいいと思います。

▼Arduinoにつないで動作確認
光電スイッチの動作確認
 LEDピコピコのスケッチをいじって、動作確認。使ったスケッチはこちら。Arduinoは必要最小限のプログラムを書くだけで動くので便利です。

 センサーの上に手を置いて光を遮るとArduinoのLEDが反応するので正常に動いているようです。

◆まとめ
 明るくなったらONになる回路を作ることはわりと簡単です。明るいということはエネルギーが大きい、つまりこのパワーをうまく使えばスイッチをONにすることが出来ます。典型的な例はフォトトランジスターでしょう。
 一方で、暗くなったらONになる回路。これを外部からのエネルギー(今回は太陽電池で充電した電力)無しで実現するのは原理的にムリな気がしますが、どうなんでしょう。

 あと、これって、今風に言うとエネルギーハーベスティングになっているんですよね。それと、良く考えたら、このトランジスターはスイッチング電源の主回路のON/OFFをやっている物なので丈夫に出来ているはず。つまり、重い負荷でも駆動できるはずです。だったら一旦あきらめた光電スイッチ的な使い方もありかもしれません。このCX2602というICの仕様を調べてみるかな。

ご注意 【6月23日追記】
 Arduinoにつなぎっ放しで数日経つと動作が変になり、暗くなってもONにならなくなってしまいました。どうも電池を使い果たしている感じです。こんなに短期間で電池切れになるはずは無いので、消費電流の測定ミスか、電池容量が小さい、あるいは発振回路が完全に死んでいないあたりが原因のような気がします。
 時間が出来たら調べてみますが、とりあえずこの記事の内容は信用しないで下さい。

tag : ソーラーアクセントライト 100均 CX2602 光センサー

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