東京工業大学 ロボット技術研究会

東京工業大学の公認サークル「ロボット技術研究会」のブログです。 当サークルの日々の活動の様子を皆さんにお伝えしていきます。たくさんの人に気軽に読んでもらえると嬉しいです。
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電子工作

「ロボット技術研究会」通称「ロ技研」は、その名前の通りロボットの制作や研究はもとより、電子工作や機械工作、プログラミングなどの幅広い分野にわたるものつくり活動を行っています。

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曲がる電光掲示板Ver1

某所へのTwitter垢バレを恐れず初めてブログを書く @llivbus です。

この記事では新歓展示向けに作った曲がる電光掲示板(Ver1)について紹介します。

2014年のn月ぐらいでしょうか、ws2812bというマイコン内蔵LEDを、確か、先輩から教えてもらいました。
そのデータシートを見てもらえば分かる通り、それ自体をたくさん横につないで、必要なデータを送ってRGB24bitの色をコントロールすると言ったちょっと変?なLEDでした。
某月で大量に買って自分でハンダ付けするのもいいんですが、
調べたところAdafruit("エイダ"フルート)というところが販売しているようで、約2300円/m。
ドルで売ってるので、今は時期が悪い・・・

LEDがあるならたくさん光らせたいというのは当然誰しもが持っている願望なわけで、
それと同時に「ロボット技術研究会」の文字が出る看板的なものがあってもいいかなと、Make Fair Tokyo 2014のような展示会に出てみて思ったわけです。

そんなわけで、8m注文して、それを1mずつに分割してそれぞれ一本ずつに信号を送るんですけども、
じゃあどうやってそれを実現するか。

PICやAVRでもできるのかもしれませんが、今後の拡張性なんかも考慮して
STMマイコンを使用しました。
プレゼンテーション1
こんなかんじです。
あとはこのLEDの仕様に沿ってシリアルなデータを送るんですが、
簡単に言うと1と0に対応するDuty比を持つ、800khzに相当する、1周期の波を60個*8列おくれば全面光るというわけです。
このマイコンのTIMER出力やDMAやNVICと言ったいくつかの便利な機能を使うことによって実現できます。
STMマイコン最高ですね。

そんなわけで光らせたのが↓
red
あとはこれに文字の形に見えるように色を決めて、それに対応するRGB24bitを送ってやったものが新歓展示だったというわけです。
IMG_20150429_231744

電光掲示板ぽく、まわる、ギミックをいれるのもいいですね。(新歓展示では回してました)

これはフレキシブル基板の上に実装されているので広げると1m*(1.5cm*8)なんですが、巻けば直径15cmぐらいの筒に収まります。
持ち運び性も十分ですね。

これはタイトルにもあるようにVer1みたいなもので、縦が8列だと漢字が表示できません。
よってVer2以降ではちょっと改善したり、これを16列に増やすような計画を立てている。。。といったところで
今回はおわりです。

ありがとうございました。

【id研】ライフゲームをマイコンから出力

こんにちは,id研所属,学部3年の有塩です.

(去年)工大祭で展示しました,「ライフゲーム」を画面に出力するマイコンボードの紹介です.

board
gamen



...ところで,「ライフゲーム」とは何かご存知でしょうか?

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OSH Parkで基板発注

@yskconです。
ゲーム製作者交流イベント「GAME^3」に向けて進捗中ですが、この記事とは全く関係ありません。
 
今回はOSH Parkという基板製造サービスを利用したレポートです。
OSH Parkは紫色の基板が特徴的なサービスです。価格は3枚で1インチ四方あたり5ドル(記事作成時点)という面積制です。また、他のサービスでは送料が比較的大きくなってしまいますが、OSH Parkは送料無料です。製造はアメリカで行うようです。
変換基板や1部品の試作基板など、小さい基板を手軽に作りたい場合は便利だと思います。

注文の際にはEAGLEの.brdファイルをそのままアップロードでき、ブラウザ上でプレビューできます。ガーバーデータを送信するタイプではデータの出力や確認がやや面倒なので、非常に手軽です。(下の写真をツイートしたらKiCadの公式アカウントにふぁぼ&フォローされましたが…)
アップロードしたデータはユーザーの「プロジェクト」として扱われ、再発注や公開が簡単にできます(デフォルトでは非公開です)。Shared Projectsでは他のユーザーがアップロードしたプロジェクトの閲覧・発注ができます。

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試しに発注したRaspberry Pi用のシールド(15.3x49.5mm)です(左の1枚は加工済み)。5.85ドルでした。
  • 1月21日: 注文
  • 1月22日: 製造
  • 1月29日: 発送
  • 2月12日: 到着
と22日で到着しました。

色は黒っぽいですがちゃんと紫色で、シルクも綺麗です。
OSH Parkは大量の基板をパネライズすることで少量の注文でもコストを抑えられるようにしているようで、製造日決定のメール曰く「他の80件の注文と一緒に計726枚パネライズした」そうです。届いた基板はバリ的なものがそのまま残っています。

というわけで、割とおすすめのメーカーです。利用してみてはいかがでしょうか? 

Charge Station の紹介

みなさん、こんにちは。
14の けり @Ryokeri14 です。
春休みになりました。
みなさん、進捗どうですか?

今日ご紹介するのは
Charge Station
です。

これだけだと何かわからないので簡単に説明すると、
自動制御の充電器です。携帯などを充電します。 
下の写真がCharge Station Ver.1です。
1-03

ソーラーで発電した電気で携帯電話などを充電するためにつくりました。
以前、自宅ソーラーシステムの記事を書いたので
時間があればそちらもご覧ください。 
http://titech-ssr.blog.jp/archives/1009258771.html 
IMG_1703


Charge Station ですが、今はVer.5まで製作が進んでいます。
今回の記事では、Ver.1~Ver.5の紹介をしたいと思います。

突然ですが、みなさんは夜寝るとき、携帯電話を充電器に差しっぱなしで寝ますよね?
そして朝になったら100%になっている。
しかし、僕は充電器に差しっぱなしというのが嫌いです。
充電は3時間ほどで終了しているのに、そのあとも3時間以上充電器につないでおいたら
携帯電話には負担がかかります。100%を維持しようとして充電を繰り返しているかもしれません。
実際、充電しつづけていると携帯電話は熱を持ってしまいます。
だから僕は、充電が終わると給電がストップする充電器を作ろうと思いました。

以上より、Charge Stationのポイントをまとめます。
1. 入力電圧はソーラーまたは鉛蓄電池の12V。
2. 出力は5Vで、USB出力。
3. 充電が終わったら、自動で給電を止める。


まずは、Ver.1から。
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こちらは金属ケースに入れてあり、完成度も高いのですが、
金属ケースに入れたことで、4ポートのUSBのシールドがショートしてしまい、
個別に給電のオンオフができなくなってしまいました。
非反転増幅回路

電流検出のために、Charge Station Ver.1ではオペアンプの非反転増幅回路を使用しました。
しかしそれはGNDからの電位差しか測れないので、充電回路のGND側に電流計を挟むことになりました。
よって各充電ポートのGNDがショートすると個別に電流検出ができませんでした。

次にVer.2
こちらではVer.1のミスである、GNDが共通化されると個別に給電管理ができない問題を修正しました。
そのためにオペアンプの勉強をしました。ここではオペアンプの減算回路を使用します。
減算回路
減算回路ではGNDからの電位ではなく、2点間の電位差を測ることができます。
これにより、各充電ポートでGNDを共通に接続しても、個別に電流を検出することができます。
Charge Station Ver.2 の概観は、Ver.1と同じです。

次にCharge Station Ver.3です。
ここからは、切削基板で実装しています。
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こちらではUARTの通信機能が付きました。充電電流を出力してくれます。

こちらの動画で出力の様子が見れます。ドットマトリクスの表示器も自作しました。 

まだまだ続きます。
次は、Ver.3.5です。
Charge Station Ver.3に小型液晶が付きました。
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中央上の黒い8pinのICがEEPROM
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また、電流の積算機能も追加しました。外付けEEPROMを使って、電源が切れても積算電流値を記憶します。

次にVer.4
こちらはVer.3と回路は同じですが、黒の小型ケースに入れました。
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最後にCharge Station Ver.5
最新バージョンです。
Ver.5では僕自身初の基板発注に挑戦しました。
Elecrowという、プリント基板を作ってくれる会社が中国にあります。
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こんな基板を発注しました。
同じ基板を10枚で$29で、日本円では3500円ほどです。(円安クソォ…)
届くまでに2週間弱かかり、待っているのが辛かったです。
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こんな感じで届き、さあ、製作開始です。
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 部品を並べてみました。表面実装部品多めです。なるべく小型化しようと思います。
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フラックスを塗りながら最難関のSSOPをまず半田付けします。
これが終わればもう安心。部品をどんどん取り付けていきます。
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部品がすべて基板に乗りました。ここで動作チェックします。
はぁ。案の定、1か所不具合がありました。FETがスイッチングをしないのです。
テスターを使ってPICからの信号を確かめたり、配線を確認しても、特に問題がありません。
不意にFETを触ってみると…熱い…!
FETのデータシートを見てみるとなんとピンアサインが思っていたのと違うじゃありませんか!!
やってしまいました。基板発注までしてピンアサインを間違える。はぁ。
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しょうがないのでFETを回転させて浮いた足を導線でつないだら、しっかり動きました。
ケースに組み込んでこれでやっと完成です。
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ケース内部にまだ余裕があるので、今後回路を追加するかもしれません。
Ver.5では液晶が少し大きくなりました。秋月電子の新商品です。みなさまも是非どうぞ。
http://akizukidenshi.com/catalog/g/gK-08896/ 

記事が長くなってしまいましてすみません。そろそろ終わります。

まとめ
僕が大学に入ってから1年、Charge Stationについてかなりの時間をかけて研究してきました。
PICマイコン、オペアンプ、FETなど電子部品の知識が相当ついたと思います。
シリアル通信も1から勉強して、今ではI2C液晶やEEPROMなどを使用できるようになりました。
基板発注の経験も今後役に立つと思います。
この工作は自分がほしいと思った機能を自分で実装し、実際に使い、改善を繰り返しています。
誰かに依頼されて作っているのではないので、時間に縛られず、自由な発想で作ることができました。
Charge Stationは今後も改良を続けていきます。僕とともに成長します。 

トランジスタで作った時計

井土です。

先週ロボット技術研究会の役員が交代し、1年間の部長としての役割が終わりました。
今年度になって部員数は200人を突破し、色々ありましたが無事に終わりました。
これも支援してくださった皆様のおかげです。どうもありがとうございました。


さて、今回の本題は

トランジスタで作った時計
      (トランジスタ時計)


についてです。

id研の井土・齋藤・大貫・中村の4人で製作しました。

まず、完成品なのですがこんな感じです。
make


Maker Faire Tokyo2014(MFT2014)のロボット技術研究会ブースで展示をしました。
トランジスタとして2N7000(Nch MOS-FET)を640個使用しています。 
マイコンや74系のICは使わずに、クロックの分周器・カウンタ・7segデコーダは
すべてディスクリートのトランジスタで作りました。


◯なぜ作ったのか
話は 1 年前にさかのぼります。
昨年は論理演算であるNANDのみを用いて時計 (NAND 時)を製作し、
MFT2013で展示しました。(以前、少し紹介しました) 

すると
「トランジスタでやってみてよ (笑)」
「あっちにリレーだけの時計があるよ」
という意見・煽りを多く頂きました。

「あの人たちをを見返してやりたい」
「そうだ次はトランジスタだけで作った時計を展示しよう」


そこから、トランジスタだけで時計を作るプロジェクトは始まりました。



さて、ここからは設計・製作の過程を紹介していきます。
◯おおまかな構成
各機能を図にするとこんな感じです。
block

基板は全部で17枚(切削によるプリント基板)で、
各基板一枚で10進カウンタなどの機能を一つが完結しています。
 
図にはありませんがカウンタの桁上りのところにスイッチが入れてあり、
強制的にクロックを送ることで時刻合わせの機能を実装しています。
このスイッチのチャタリング防止にシュミットトリガー回路をつけているのですが、
これももちろんトランジスタ(2SC1815)でできています。
 

◯トランジスタによる論理演算
カウンタやデコーダはすべてAND,OR,NOTなどの基本的な論理回路の組み合わせでできます。
ということでまずは基本的な論理回路をトランジスタで作りました。

簡単に作れるNOT・NAND・NORはこんな感じです。
負荷の抵抗は10kΩで、50kHzくらいまでなら問題なく動きます。
59


バイポーラトランジスタだとベース電流がまあまあ必要で、
この回路が数百個もあると消費電流が大きくなってしまうので、FETを選択しました。
 
また、プッシュプルにしないのかと思われる人もいるとは思いますが、
PchのFETが安く手に入らなかったのでNchFETと抵抗で作ることにしました。
チップのFETを許せばPchの低価格なものもあるのですが、
どうしてもDIPで作りたかったのでこのような回路になりました。
(DIP部品で基板がでごちゃごちゃしてるほうが好きなので) 


◯デコーダの設計
論理回路はNANDもしくはNORだけで全部作れます。
去年はそれに基づき、NANDだけで時計を作ったわけです。

今年はトランジスタでせっかくなのでNANDではなくNORを作り、
そのNORを基本として組み合わせて上位のカウンタやデコーダを作っていきました。

デコーダはどうやって作るのでしょうか。
小さいものなら以下の手順が簡単です。
1.真理値表を書く
2.論理式(加法標準形)にする
3.カルノー図を使って論理式を簡単化する

簡単化についてはここがわかりやすいです。
http://akita-nct.jp/yamamoto/lecture/2003/2E/karnaugh_diagram/node1.html

論理式を式変形して項の数を減らせると、回路が小さくなるので簡単化をします。
もちろん論理式上での簡単=トランジスタ数が少ないではありませんが、
論理式の簡単化くらいしかわからなうのでとりあえず簡単化を行います。

去年のNAND計はカルノー図を使って、すべて手作業で行いました。
今回はクワインマクラスキー法というアルゴリズムを使ってコンピュータでこの作業を行いました。
クワインマクラスキー法で論理回路を簡単化するツールをC++で自作し、
それによってデコーダ・カウンタの設計を自動化したのが今回の設計における特徴です。

この簡単化ツールは真理値表に当たるデータの書かれた入力ファイル(画像では 37dec.txt)を用意すれば
自動でその真理値表をみたす論理式を出し、論理式の簡単化を行ってくれます。
真理値表を読み取って論理式にしたものが画像のinputに表示され、
それを簡単化したものがoutputのところに表示されます。

1,2,3...は変数のA,B,C、-は否定を意味しています。
input1の例だと、真理値表は
1
で、それを簡単化すると
2

になるという意味です。
05

真理値表のdon't careにもちゃんと対応をしていて、don't careを考慮した上で簡単化をしてくれます。
また、簡単化した結果が複数個あるときはそれらを全部出してくれます。

このツールによってデコーダの設計がとても楽になりました。
この時点でデコーダはNOT,AND,ORで構成されているので、
それらをNORにしてNOR特有の簡単化などを行ってデコーダの完成です。


◯カウンタの設計
カウンタはD-FFを元に設計をしていきます。
フリップフロップならなんでもいいんですが、D-FFだと考えるのが楽なのでD-FFを選択しました。
そのD-FFはトランジスタでNORを作り、それらを以下のように組み合わせることで実現します。
dff


長くなるので省略しますが、下の図のような感じで
D-FFの出力→組み合わせ回路→D-FFとやってやることで順序回路が作れます。
cnt

ここでも組み合わせ回路(デコーダ)を作る必要があるのですが、
先ほどと同様に、自作の簡単化ツールを使うことで自動で小さい回路を設計することができます。


◯実装
設計ができたら今度は実装です。
本当はユニバーサル基板でやりたかったのですが、
MFTに間に合いそうになかったのでプリント基板を使いました。
学校のものつくり支援センターには基板切削機があるので、それを使って片面のプリント基板を作ります。

そのために設計した論理回路たちをトランジスタレベルでCADに入力し、配線図を作成します。
最終的に6種類くらいの基板を設計しました。

参考までに、これが4bitの2進数を入力して7segLED用のデータを出すデコーダの配線図です。
標準ロジックでいう7447と同じような機能です。
22


基板データができたら基板切削機に基板を作ってもらい、はんだ付けをするのみです。
材料は大量のトランジスタと抵抗、少しの電解コンデンサとコネクタのみです。
31

できた基板の一部を並べるとこんな感じです。

トランジスタの森
44

整列するトランジスタたち
08


最後に組み上げて、コネクタを圧着しまくって配線したら完成です。

54




◯おわりに
MFT2014にトランジスタ時計を展示した結果、まぁまた煽られますね。
次は真空管らしいです。
 
ギャラリー
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