■ ATmega88PAをRTC化 4桁LED 時計＋温度計 [V2] の製作 ■


　近年のワンチップマイコンには、EEPROM（電気的に書き換えが可能なROM）が内蔵されるようになり、バッテリーによるメモリーのバックアップも必要性がなくなりました。
　しかし、時計機能を保持するには、マイコンを動作させ続けるか、RTC（Real Time Clock）モジュールを別に搭載しなければなりません。
　これまでのワンチップマイコンでは、消費電力も大きいので、長時間動作を保持させるには、大容量のバッテリーが必要でした。
　
　時代は省エネの流れのようで、AVRマイコンにも、型番の最後に(P)の付いた、ピコパワータイプが主流になっており、下記のような利点があります。
　
　　○通常動作時の消費電力を低減。（3/4〜1/2程度）
　　○スリープ動作時の消費電力を低減。
　　○スリープ動作中の漏れ電流が100nA未満。
　　○非常に低電力な、時計用32.768kHzクリスタル発振回路を搭載。
　
　前作に続き、低消費電力タイプのATmega88PAを電源が切れた場合にRTC化させて、取扱が簡単な「電気二重層コンデンサー」で、長時間のバックアップが可能なデジタル時計を製作しました。
　回路をシンプルにして基板面積を小さくし、操作の簡略化と共に機能をアップしました。
　
　　○温度センサーを2種から選択可能。
　　○温度の最高値と最低値を記録。 （１日または長期）
　　○各動作の設定時間を、機能設定で変更可能。
　　○周辺の明るさにより、表示の輝度を自動調節。
　　○停電時または長期不在時にも、時刻を２週間以上バックアップ可能。
　　○RTC（Real Time Clock）モジュールは不要。


回路の解説
　
１．電源回路
　
　・５VのACアダプターから電源を供給します。
　・バッテリーは、「電気二重層コンデンサー」を基板上に搭載しているので不要です。
　・「電気二重層コンデンサー」はメモリー効果もないので、部品の寿命まで交換の必要がありません。

２．AVRとクロック
　
　・AVRマイコンはATmega88PA-PUを使用し、動作クロックは1MHzの内蔵RC発振器を使用して
　　います。
　・時計用32.768kHzクリスタルをTimer2の発振回路に使用し、時刻をカウントする1Hzを得ています。
　
　・水晶の較正モードを搭載しているので、周波数カウンターにより時計精度の校正が可能です。
　・周波数カウンターが無い場合は、20PFのトリマーコンデンサで1日の誤差を見ながら日差を
　　修正して下さい。
　・使用する水晶によりXTAL2端子側に、0PF（取付無し）〜3PF程度のセラミックコンデンサが
　　必要です。
　　（トリマーコンデンサだけで32.768kHzに調整できない場合に必要）
　　（秋月電子の[VT-200-F 32.768kHz]では、3PFを取り付けました）

３．バックアップ回路
　
　・5V電源は、LEDのドライブ回路にのみ直接接続されています。
　・5V電源からショットキーダイオードで逆流を防止し、抵抗で電流制限をしてから電気二重層
　　コンデンサーに充電されます。
　・上記の電源（約4.8V）が、AVRマイコン部の主電源になります。
　
　・外部電源の監視は、5V電源からショットキーダイオードと抵抗器で電圧をAVRの主電源レベル
　　にまで落とし、AVRのA/Dコンバータで電圧を計測しています。
　・外部電源が遮断されると、AVRはすべてのポートを開放し、スリープ（パワーセーブモード）に
　　移行します。
　・32.768kHzクリスタル発振回路とTimer2は動作し続けるので、1Hz（1秒）の割り込みで再起動され、
　　時刻のカウントのみをした後、再度外部電源を調べて、遮断状態ならばまたスリープ動作に入り
　　ます。
　・外部電源が復旧した場合は、AVRをスリープ以前の状態に戻して、通常動作に戻ります。

４．LED表示回路
　
　・AVRがスリープ動作に入るため、LEDのドライブ回路は、すべて (L) アクティブです。
　・よって、7セグメントLEDはアノードコモンタイプを選択し、高輝度の4桁LEDを使用しています。
　・LEDの順方向電圧降下（VF）が同じであれば、青色や緑色に交換することもできます。
　・（VF）電圧の違う赤色や黄色の場合は、セグメントの電流制限抵抗の値を調整して下さい。
　・コモン(COM)は、PNPトランジスタでドライブしています。

５．LEDの輝度調整（ディマー）回路
　
　・周囲の明るさを感知し、LEDの輝度を自動調整するために、CDSを使用しています。
　　（周囲が明るくなるとLEDの輝度が上がり、暗くなると輝度が下がります）
　・CDS回路の電圧値をA/D変換し、LEDのコモン(COM)信号のパルス幅を、Timer0のPWM動作で
　　調整しています。　（0.5秒周期で更新）
　・CDSに並列接続してある半固定抵抗器で、暗さに対する感度調整が行えます。
　
　・自動輝度調整（ディマー）が不要な場合は、CDSのみを取り外すことで、半固定抵抗器が
　　輝度設定に使用できるようになります。

６．温度測定回路
　
　・温度の測定は、回路が簡単な専用の温度センサーIC「MCP9700-E/TO」を使用しています。
　・同じピン配置の「LM61BIZ」も使用可能です。 （機能設定で選択できます）
　・これらのセンサーは、出力電圧値が温度に換算されます。
　・温度の測定には、AVR内蔵の基準電圧1.1Vを比較に使用するため、測定温度に上限があります。
　　　MCP9700-E/TO：　-40℃〜+60℃
　　　LM61BIZ：　　　　　　-25℃〜+50℃
　・AVR内蔵の基準電圧(1.1V)は、10%程度の個体誤差があるので、「機能設定」で較正できます。
　　（測定温度値の誤差が少なくなります）

７．操作スイッチ回路
　
　・表示操作は、汎用のタクトスイッチを基板上に取り付けることができます。
　・ケースに合わせて、任意のスイッチを選択して下さい。
　
　・予備端子は、現在使用していません。

８．ISP端子
　
　・AVRマイコンにプログラムを書き込むための、ISP (In-System Program)端子です。
　・32.768kHzクリスタルを校正する端子と兼用です。


回 路 図 　GIF版　M88PAckt2Cir.gif　(106KB) 　PDF版　M88PAckt2Cir.pdf　(227KB)

部品配置図 　GIF版　M88PAckt2Pcb.gif　(159KB) 部品表
アートワーク 　GIF版　M88PAckt2AW.gif　(35KB) 　
　
　　　注意！ この図面を使用した、いかなる損害にも責任を負いません。
プログラム 　テキスト形式 ソースファイル 　M88PAckt2_201.TXT　(67KB)
　ＢＡＳＣＯＭ-ＡＶＲ用 ソースファイル
　（BASCOM-AVR（製品版）が必要です）		 　M88PAckt2_201.bas　(67KB)
　
　この製作では、ヒューズ ビットを工場出荷状態のまま使用しますので、変更の必要はありません。

注意！　著作権は放棄しておりませんので、販売や配布目的での使用は絶対にしないで下さい。
　　　　　　　（記事の無断転載を除き、個人での使用は可能です。 改変、自作品の掲載、リンクもご自由に。）



　
後　面
　
　はがきサイズの
フォトフレーム

スイッチの桁上げ
DCジャックの取り付け
アクリル板の加工
(2mm厚)

プリント基板
基板 部品面
基板 ハンダ面


製作について
　
・部品表は、部品の背が低い順に記載してありますので、この順番に取り付けて行きます。
　
・ジャンパー線は、すずメッキ線や被覆電線を使用して下さい。
・1/4W抵抗器は、４目 (2.54X4 = 10.16mm) ピッチで両端を折り曲げて取り付けます。
・1/6W抵抗器は、３目 (2.54X3 = 7.62mm) ピッチで両端を折り曲げて取り付けます。
・ショットキー・ダイオードは、３目 (2.54X3 = 7.62mm) ピッチで両端を折り曲げて取り付けます。
・セラミックコンデンサーは、2.54mmピッチの物が取り付け可能です。
・使用する水晶によりXTAL2端子側に、0PF（取付無し）〜3PF程度のセラミックコンデンサーが
　　必要です。 （トリマーコンデンサーだけで32.768kHzに調整できない場合に必要）
　　（秋月電子の[VT-200-F 32.768kHz]では、3PFを取り付けました）
・積層セラミックコンデンサーは、5.08mmピッチの物が取り付け可能です。
・電解コンデンサは、背が高いため横に寝かせて取り付けます。 （極性に注意して下さい）
・トリマーコンデンサは、取付方向に指定はありません。
・半固定 抵抗器は、秋月3362P-1-104LFやコパルCT-6EPなどが取り付け可能です。
・ICソケットは、必要に応じて取り付けます。（AVRマイコンを、直接ハンダ付けすることも可能です）
・32.768kHzクリスタルは、横に寝かせた状態で、両面テープや接着剤で固定すると安定します。
・トランジスタと温度センサーICは、部品配置図の向きに合わせて取り付けて下さい。
・CDSは取付方向に指定はありません。　ケースに合わせて高さを調整して下さい。
・タクトスイッチは、押しボタン式の汎用タクトスイッチを基板上に取り付けできます。
　（ケースに合わせて任意のスイッチを選択し、高さを調整して下さい。丸ピンICソケットなど）
・電気二重層コンデンサは、発熱を考慮し基板から1mm以上浮かして下さい。
　（極性に注意して下さい）
・７セグメント 4桁LEDは、1番ピンを配置図と合わせて下さい。
・DCジャックへの配線は、使用するACアダプターのプラグに合わせて下さい。


操作方法
　
１．電源投入
　
　・初めての電源投入時と、電気二重層コンデンサーの容量が無くなった場合は、4桁のLEDに
　　現在のプログラム・バージョンが下位桁を点滅しながら表示されます。
　・[SW１] を押すと、「2013年1月1日 0:00」から、時計動作に入ります。
　・電源投入でリセットが働かない場合は、ISP端子の5ピンと6ピンを一瞬だけショートさせて下さい。
　　（ハードウェアのリセットが働きます）
　
　・停電時や長期不在時に電源を切っても、時刻はバックアップされます。
　・バックアップ状態からの電源再投入は、電源が遮断される前の状態で動作を開始します。
　・電気二重層コンデンサは、半日ほど充電することで、2週間のバックアップを確認しています。
　　（さらに長期間のバックアップは確認中です）
　
２．表示の切り換え操作
　
　○ [SW1]　表示 ON/OFF
　
　　・スイッチを押すたびに、[通常表示] → [D.Pのみ点滅] → [節電消灯] に切り替わります。
　　・[節電消灯]では、消費電流が1.2mAにまで下がります。
　　・[節電消灯]中も、温度の計測は行われます。
　　・[節電消灯]中に電源が切れた場合でも、バックアップは続行されています。


　○ [SW2]　表示選択
　
　　・スイッチを押すたびに、下記の内容で表示が切り替わります。
　　・表示内容は、1秒間隔で更新されます。
　
表示順序 １ ２ ３ ４
表示項目 時．分 分．秒 温　度 時．分 + 温度
LED表示

2秒後に表示開始

　　・「時．分 + 温度」表示は、[t-c]の表示が出た2秒後に、時分と温度を交互に表示します。
　　・「時．分 + 温度」表示の温度の表示時間は、「機能設定」で変更が可能です。


　○ [SW3]　日付・温度最高値・温度最低値
　
　　・スイッチを押すと、[月日] → [温度の最高値] → [温度の最低値] に表示が切り替わります。
　　・これらの表示は、機能設定で設定した秒数が経過すると、自動的に[SW2]の表示に戻ります。
　　・[SW2]表示選択を押した場合も、元の表示に戻ります。
　
表示順序 １ ２ ３
表示項目 月．日． 温度の最高値 ℃ 温度の最低値 ℃
LED表示

　　・温度の最高値と最低値は、機能設定で更新方法の選択と初期化が行えます。
　
３．12h/24h表示切換
　
　・[SW2] と [SW3] を同時に押すと、時間表示を12時間制と24時間制に切り換えることが
　　できます。
　・この設定は、内蔵EEPROMに記憶されますので、バックアップが切れた後も残されています。
　
４．機能設定モード
　
　・[SW1] と [SW2] を同時に押すと、各種の機能や動作を設定できます。
　
　・[SW2] で、設定値が増加し、１秒以上押し続けると早送りになります。
　・[SW3] で、設定値が減少し、１秒以上押し続けると早送りになります。
　・[SW1] を押すと、次の項目に移ります。
　
　 設　定　項　目 LED表示 設　定　内　容
１ 温度の最高値と
最低値の初期化		 ０ ： 自動で初期化をしない。
１ ： 日付が変わった時点（0:00）で初期化する。
２ ： 直ち（強制的）に初期化する。 （初期値：１）
２ 時刻と温度を交互表示
の時刻表示秒数		 １〜９秒　（初期値：８秒）
３ [SW3]の表示を
自動で戻す時間		 ２〜６０秒　（初期値：５秒）
４ 温度センサーの種別 ０ ： MCP9700-E/TO　（初期値：０）
１ ： LM61BIZ
５ AVR内蔵
1.1V基準電圧の校正		 1.00V〜1.20V　（初期値：1.10V）　（注）

　（注） 基準電圧の較正がLEDに表示されると、AVRの21ピン(AREF)端子に基準電圧が出力され
　　　　　ますので、21ピンとGND間の電圧を電圧計（テスター）で測定します。
　　　　　（通電中なので、ショートに注意して下さい）
　　　　　測定した電圧値の小数点以下2桁を入力して下さい。 （１．ｘｘ)
　
　・この設定は、内蔵EEPROMに記憶されますので、バックアップが切れた後も残されています。
　
５．時刻設定モード
　
　・[SW1] と [SW3] を同時に押すと、時刻設定モードに入ります。
　
　・時刻設定モードに入ると、下記の順に設定できる項目が点滅表示されます。
　　　年（下位2桁） → 月 → 日 → 時 → 分 → 終了
　
　　（年は、西暦２０００年から２０９９年までの範囲で対応しています）
 　
　・[SW2] で、設定値が増加し、１秒以上押し続けると早送りになります。
　・[SW3] で、設定値が減少し、１秒以上押し続けると早送りになります。
　・[SW1] を押すと、次の項目に移ります。
　
　・分の設定が終わると、秒を00にして通常の表示に戻りますので、秒の単位まで合わせる
　　場合には、00秒になった時に [SW1] を押します。
　
６．32.768KHz水晶の較正モード
　
　・時計用32.768KHzクリスタルを較正するモードです。 （周波数カウンターが必要です）
　
　・部品配置図に記載の通り、ISP端子の4ピン（出力）と6ピン（GND）に周波数カウンターを
　　接続して下さい。
　
　・[SW3]を押したまま、ISP端子の5ピンと6ピンを一瞬だけショートさせて、リセットをかけて下さい。
　・即座に水晶の較正モードに入ります。
　・LEDに「XtcA」と表示されたら、[SW3]を離してけっこうです。
　
　・周波数カウンター出力には、32.768KHzの半分の周波数で16.384KHzが出ます。
　・20PFのトリマーコンデンサーを回して、16,384.000Hzに近づくように調整して下さい。
　・トリマーコンデンサを回しても、16.384KHzより周波数が下がらない場合は、1〜3PFのセラミック
　　コンデンサを取り付けて下さい。
　
　・調整が終わりましたら、再度ISP端子の5ピンと6ピンを一瞬だけショートさせて、リセットをかけて
　　下さい。

◎ このプリント基板と、書き込み済みAVRを、実費頒布しております。
　
　　● 基板・部品の頒布室 ●



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