工研電気部会発表資料平成２１年度愛知県高等学校工業教育研究会電気部会研究大会ＰＩＣによるデータロガーの製作期日平成２１年１１月１７日（火）会場愛知県立東山工業高等学校・小講堂愛知県立東山工業高等学校電子工学科恰康博 1 工研電気部会発表資料１はじめに永年進路指導主事として業務に携わり、日々の仕事に忙殺され、生徒に新しい実習テーマを提示できなくもどかしさを感じていたところ、３年前に「ＰＩＣ制御（アセンブラ）」を担当することになり、その面白さと懐かしさ（？）からはまりました。以来、今日まで課題研究を中心にハード、ソフト両面で生徒と一緒に勉強してきました。３年くらい前まではＰＩＣの参考書もほとんどが１６Ｆ８４対象で、しかもアセンブラ言語で制御するものが中心で、ＰＩＣを生徒に教えるにも敷居が高くならざるを得ませんでした。なんとか時間を費やしてプログラムを教えても、実習は８個のＬＥＤを点灯したり、スイッチ入力を読み込んだりすることで精一杯でした。しかし、開発環境のＭＰＬＡＢとそれに付属していたＣ言語が時と共に進化して使い易くなり、参考書も数多く出版されるようになってきて、それらを参考にして生徒実習も発展させることができるようになりました。参考書に、鈴木哲弥著「ＰＩＣとＣ言語の電子工作」を見つけて読んでみたところ、Ｃ言語制御でＰＩＣ制御事例を数多くとりあげ、ソフト、ハードの説明を懇切丁寧に書いてあったので、早速この本をよりどころにひとつずつ実験を進めることにしました。今回の発表はこの本の最後の方に書かれたテーマを実験したものです。ＰＩＣのプログラムは自身のフラッシュメモリーに格納され、ライタ− で繰り返し書き換え可能で、言語は生徒実習や検定でおなじみのＡＮＳＩ −Ｃ言語で作成できます。ＭＰＬＡＢとＣコンパイラはインターネットから無料でダウンロードでき簡単にソフト開発環境ができます。今回使用したＰＩＣ−１６Ｆ８７７Ａはマイクロチップ社の４０ピンのＩＣで、汎用ポート４個、ＡＤコンバータを４チャンネル備えたＰＩＣの最高峰（？）のものです。数年前にＰＩＣを知ったときは、月日の経過によるマイコンの進化に心底驚きました。Ｚ８０の頃と異なり、最小限ならワンチップでハード、ソフトとも完結してしまうことに感動し、これが永年追い求めていた「マイコン制御実習」の形態だと確信しました。ＰＩＣマシン語ｲﾝﾀｰﾈｯﾄＣＰＵコントローラフラッシュメモリーｅｔｃ ANSI-Ｃ言語Ｃコンパイラ 2 工研電気部会発表資料２システムの構成１全体の構成本システムは、太陽電池＋電流センサ＋データロガー基板＋パソコンからなり、日中の太陽電池の発電量を測定しようというものです。まずは小型太陽電池の特性を知るために、１２Ｖの小型バッテリーを充電することを考えました。電圧は、ＰＩＣに内蔵されているＡＤコンバータ４チャンネルのうちの１チャンネルを使用して測定し、電流は、電流センサＨＰＳ−５−ＡＳ（±５Ａの電流を０∼５Ｖの電圧に変換）出力を別のＡＤコンバータ１チャンネルに加えて測定することにしました。センサデータをデータロガー基板で一定時刻毎に読み取り、ＣＳＶ形式にしてＲＳ２３２Ｃによりパソコンへ入力し、メモ帳などでテキストデータとして保存します。あとはそれをＥｘｃｅｌで読みこんでデータ処理します。太陽電池の発生電力［Ｗ］はあとからパソコンのＥｘｃｅｌ上で計算して求めることにしました。２ハードウェアについてＰＩＣ１６Ｆ８７７Ａ（４０ピン）２０ＭＨｚ＋リアルタイムクロックＲＴＣ−８５６４ＮＢ＋レベルコンバータＡＤＭ３２０２＋液晶表示器ＳＣ１６０２Ｂ（２行キャラクタ表示）太陽電池電圧電流センサ電流 RTC-8564NB バッテリー A DM 32 02 3 工研電気部会発表資料２ソフトウェアについて開発環境は、ＭＰＬＡＢＩＤＥＶ８．３６＋ＨＩ − ＴＥＣＨＰＩＣＣ（PRO-9.60）で、ＰＩＣライター（書き込み器）は、秋月電子のＡＫＩ − ＰＩＣプログラマーＶｅｒ．４を使用しています。また、４０ピンものＰＩＣをライターからターゲット基板へ書き込みの都度抜き刺しするのは大変で、ピンのダメージを被るのを防ぐため、サンハヤトのピック書き込みアダプターを使用しました。 (1) ＭＰＬＡＢＩＤＥＭｉｃｒｏｃｈｉｐ社の無料開発環境で、プロジェクト単位でプログラムを開発し、この中のエディタによりソースを作成し、アセンブルや、ＨＩ − ＴＥＣＨＣによるコンパイル、リンクなどができます。ここで最終的にできるＨＥＸファイルは、ＡＫＩ −ＰＩＣプログラマーによりＰＩＣ内蔵のフラッシュメモリーにそのまま書き込み、ＰＩＣを動作させることができます。ソースプログラムは、メモ帳を使用してもかまいません。 (2) ＨＩ −ＴＥＣＨＣこのＣ言語はＡＮＳＩに準拠したものでＣＣＳ− ＣのようにＰＩＣ制御のための特別な関数は少なく、癖の無いもので、Ｃ言語実習などと相性がよいので生徒にも教え易く、私は気に入っています。ただ、無料版なので、プログラムが長くなるとメモリや最適化コンパイルの点で制限があり、気をつけないといけない点があると思います。 (3) データロガーのプログラム次のようなプログラムからできている。 ① 液晶表示のためのヘッダープログラム（ｓｃ１６０２ｂ．ｈ） ② ＲＳ２３２Ｃシリアル転送用のためのヘッダープログラム ③ リアルタイムクロックＲＴＣ８５６４のためのヘッダープログラム ④ ｉ２ｃ制御のためのプログラム ⑤ メインプログラム (ｓｃｉ．ｈ) （ｒｔｃ８５６４．ｈ）（ｉ２ｃ．ｃ）（ｍａｉｎ（））しかし、開発が遅れたため、現時点ではセンサー電圧を一定時刻ごとに読み込んでＡＤ変換し、ＣＳＶ形式に変換してパソコンに読み込むところまでが成功しています。さらにこのデータをＥｘｃｅｌで読み込むことにも成功しています。 //インクルードファイルの例 #include<pic.h> #include<stdio.h> #include"sc1602b.h" #include<i2c.h> #include<rtc8564.h> #include"sci.h" __CONFIG(PWRTEN & BORDIS & UNPROTECT & WDTDIS & LVPDIS & HS); ....... 4 工研電気部会発表資料３システムの動作現在は、最終目標まで到達していないため、電流、電圧を読み取り、Ｅｘｃｅｌで積計算から太陽電池出力を求めるところまでです。最近、苦戦したところは、実数形で配列宣言し、電流と電圧を読み込んで積までソフトで実行しようとしてできなかったことです。原因の追及で手こずっているところです。整数形ではできるのですが・・・。メモリ制約のことがからんでいるのかもしれません。解決方は、 ① Ｅｘｃｅｌで実数処理する。 ② ＨＩＴＥＣＨ− ＣのＰＲＯの使用期間限定版を利用してコンパイルの最適化により使用メモリを減らす。のどちらかと考えています。両方ともやってみようと思っています。４システム製作と授業への反映１蓄積技術研究からは、あとで生徒実習や授業などに技術や成果が反映されなければならないと私は常々考えていますが、今回のシステムの製作からは次の技術が習得できました。 (1) ハードウェアについて ① ＰＩＣ１６Ｆ８７７Ａのコントロールワードの設定 ② 液晶パネルＳＣ１６０２Ｂのソフトウェアによる表示方法（４ビット２回データ伝送） ③ 電流センサの利用法（電流→電圧変換） ④ 太陽電池の出力 ⑤ リアルタイムクロックの利用法 ⑥ ＲＳ２３２Ｃによるパソコン−ＰＩＣ間のデータ通信 ⑦ Ｉ 2Ｃ通信方法 ⑧ フラッシュメモリ内にあるＥＥＰＲＯＭのデータ書き込み法 (2) ソフトウェアについて ① ＭＰＬＡＢ IDE (Integrated Development Environment) ソフトウェア統合開発環境の使い方（プロジェクトの作成、コンパイル） ② アセンブラプログラムとアセンブル ③ Ｃ言語のプログラム（ＨＩＴＥＣＨ−Ｃ） 5 工研電気部会発表資料制御系に多いwhile (1)や、switch case文、 do while文、割り込み処理、ＡＤ変換の記述法 ④ ヘッダーファイルプログラムの作成とリンク（ｐｉｃ．ｈ）２授業等への還元ＰＩＣの制御技術は、マイコン制御実習を通して、課題研究、Ｃ言語実習、計測制御（座学）情報技術検定１、２級、さらには総合競技大会（電子回路組立）などにもつながる一大テーマだと思います。私も毎年、情報技術検定１級受検者の補習を行っていますが、このような制御用の長いプログラムに慣れている生徒は理解力が早く、受検用の難しいプログラムに遭遇しても短いため、あきらめずに理解する姿勢ができていると思います。ﾏｲｺﾝ制御実習Ｃ言語実習課題研究５計測制御学習情報技術検定１,２級ﾌﾟﾛｸﾞﾗﾑおわりに１これまでに製作したものＰＩＣによる制御をテーマとしてこれまでに製作したものを掲げておきます。 ① ＰＩＣシミュレータ（１６Ｆ８４、１６Ｆ８８）用でＬＥＤ、トグルＳＷを８個ずつとりつけたもので、ポートの入出力の確認と割り込み入力も実験できるようにしてある。 ② ＰＩＣ制御の温度計小数以下第１位まで表示温度センサＬＭ３５ＤＺとオペアンプＮＪＵ７０３２を使用。 ③ ＰＩＣ制御の超音波センサによる距離計４０のＨｚの送受信センサを利用。近距離しか計れず、難しさを痛感 ④ ＰＩＣ制御の赤外線センサによる模型フォークリフトリモコン操作送信機と受信機双方にＰＩＣを利用、赤外線パルスでリフトの上下、前進、後進、左方向、右方向移動の６動作ができる。５ｍ以上の距離でも赤外線パルスを関知し、動作した。パルスプログラムの作成は頭を悩ましたが、受信用センサの性能の良さ 6 工研電気部会発表資料に助けられ、誤動作なく動いた。 ⑤ ＰＩＣ割り込み処理実習用モータ・フォトインタラプタ実習セットギアモータがゆっくり回転し、シャフトについた板が回転する。１回転するごとに反射型フォトインタラプタをさえぎり、割り込み処理により回転数をカウントする。２まとめＰＩＣを使ってものを動かすことは、生徒も興味をもち、我々もハード、ソフトの勉強ができます。また、これらの技術を取得すれば授業、実習、検定にも自信をもって指導に臨めると思います。今回はテーマの「太陽電池のデータロガー」の完成まであと一歩というところまでしか到達できませんでしたが、世界的に省エネ、エコが叫ばれている折、太陽電池についても利用技術を習得しなければならないと考え、そのためにまずデータをとるため今回のシステムを製作しました。今後は生徒の課題研究とも手を携え、１月までに完成、完動させたいと考えています。ＰＩＣ温度計の表示部赤外線リモコンによるフォークリフトの運転