PICコミュの実用的な携帯セットの実装方法について

　ども。PIC大好き人間です。
PICを使うと部品点数を削減することができ、回路の規模も小さくできます。
しかし、何故か実用的に持ち歩けるようなサイズまでコンパクトにできない、という経験がありました。

そこで、アマチュアレベルでどこまで小さく実装できるか試行錯誤した結果を載せてみました。(アドバイスと情報交換が目的)
回路の工夫や部品選択、その他の上手な実装方法などがありましたら書込みお願いしまっす。


■ルクスメータ
　写真はデジタル照度計として製作したものです。
可視光フォトダイオードで光を検出し、OP-AMPでI-V変換・ゲイン調整した後、A/D変換器で離散値にしています。
このデータはシリアル通信でPCやPDA等に送信し、そちらでデータ処理・表示・記録します。
写真の回路には表示器を積んでいません。
屋外での利用ということで、PalmOSを搭載したSonyのClieをホストとして使っています。
　PICは16F876を4MHzで動かしています。12Fシリーズを使えば更に実装面積を小さくできますが、手持ちがPIC16F876だったのでそれを使いました。(ソースを使いまわしているのも関係してます)

■ポイント

●バッテリ
　5V動作のPIC16F876を使っている関係上、電源は5V以上でなければなりません。
本当は2次電池を使いたいところですが、4セル以上必要なのでケースに入りません。
昇圧DC-DCコンバータは手軽に手に入りませんでした。
CR2025や2032などのボタン電池を2個使う方法もありますが、容量は少なく、思ったほど長時間動作しませんでした。

　そこで、カメラ用のリチウム電池CR2を2セル使いました。サイズも適当で、電池のホールドも比較的簡単です。
プラス側のホルダは厚さt=0.8mmの銅板を加工して製作しました。マイナス側は"電池ホルダ"用のバネが東急ハンズのバネコーナーで見つかりました。そのままでは直流抵抗が大きいので、銅板がマイナス極に接触するようにしてあります。(バネを後ろから支える役割でもあります)
銅板は立体的に曲げて、縦弾性係数が大きくなるようにしています。(ただの板より強度がある)

この回路の消費電流は数mAなので、この2本のCR2で7日間ほど連続動作する計算です。

●3端子レギュレータ
　ダイオードなどで5Vまで電圧を降下させても良いのですが、秋月で表面実装のレギュレータが手に入りました。
発振防止のコンデンサが不可欠ですが、積層セラミックコンデンサや小型の電解コンデンサ(耐電圧注意)を使用すればコンパクトにできます。
先日秋月に訪れた所、表面実装の積層セラコンや電解コンデンサがありました。(積層セラコンの方は半田付けするのは大変だけど)

●電源SW
　千石で手に入る基板用のトグルSWです。
プッシュSWとトランジスタを使って電子的にSWを構成しても良かったのですが、表示器を搭載していない以上、動作中なのかすら判断できません。
なので機械的なSWにしました。
＃パイロットランプのLEDも、消費電力を下げる為に実装していません。

SWは3端子レギュレータの前(電池側)に取り付けました。(レギュレータは微小だがスタンバイ電流を消費するので)
比較的容量の大きな電解コンデンサもSWの前(電池側)に挿入しています。(電源再投入時、PICがパワーオン・リセットに失敗することがあるため)

●PICとオシレータ
　私はPIC16F873/876が特に好きでI/Oが大量に必要でなければ、ほぼ間違いなく16F876を使います。
これ以上新しいPICについては、開発環境が間に合っておらず、今のところ使うつもりはありません。
株式会社IPI(http://www.ipishop.com/)より、低電圧版(PIC16LF876)や表面実装パッケージのような特殊なチップも購入することができます。
低電圧版を使えば、3Vで動作しますからCR2は1セルでOKです。

　オシレータはアセンブラのソフトウエアタイマールーチンを書き換えるのが面倒なので、いつも4MHzのセラロックを使っています。(というより買い溜めしてる)
内蔵RCオシレータが使えるPICの場合でも、シリアル通信のエラーレートを下げることから、セラミック振動子(セラロック)以上の素子を使います。(RCオシレータはジッターが結構大きいかもしれない、と思った)
＃4MHzは、演算速度と消費電力のバランスが取れている値だと個人的に思います。

●OP-AMPとアナログ回路
　フォトダイオードで光の強さを測定するので、アナログ回路が必要になります。
定番のI-V変換回路と非反転増幅回路をOP-AMPで構成しています。
OP-AMPは5V単電源で使用でき、レールtoレール動作、かつC-MOSプロセスで消費電力が小さいLMC662を使っています。これも秋月で手に入ります。
非反転増幅回路はレンジをA/Dコンバータに合わせる為のもので、ゲインが調整できるように半固定抵抗を使っています。
調整精度を高める為に、25回転のポテンショメータを使いました。

　本来ならデジタル回路とアナログ回路は、電源や基板を分離しなければなりません。少なくとも電源ラインにRCやLCのフィルタを挿入すべきです。(デジタル回路のクロックノイズがアナログ回路へ混入するのを防ぐため)
しかし、PICのA/D変換実行中に、PIC自身をSleepさせてシステムクロックを停止させることで、ノイズを低減させ、アナログ回路の分解能が上がるようにしています。

　A/D変換後のデータは、移動平均を行うことで一種のデジタルフィルタを実装しています。
移動平均はローパスフィルタの効果があり、計測データのノイズを取り除くことができます。

●シリアル通信とレベル変換
　PCなどとシリアル通信(RS-232C)をする場合は、電圧レベルを相互に変換しなければなりません。
PICは5Vですが、RS-232Cでは正負9〜15V程度必要です。
その為のインターフェイスICとして、MAX232やSP202などがありますが、趣味程度ならそれほど大層なものを使う必要はありません。
幾つかの電流制限抵抗と汎用ゲートICでOKです。(74HC04や74HC14など)
多くのPCのシリアルポートは、TTLレベルでも閾値を超えているようで、通信は可能です。(可能でした)
RS-232CからTTLへは過大電圧となりますが、内部の保護ダイオードがチップの定格損失(定格電流)以内ならば焼損することはありません。
＃仕事で設計する回路や、人命に関わるような装置には使ってはダメですよ。。

これは私のアイディアではなく、ELM(http://elm-chan.org/index_j.html)のChaNさんのアイディアです。
ChaNさんはトラ技に多くの記事を投稿されています。(実装の状態や配線を見ればChaNさんだと分かる)

　トランジスタでも良いのですが、たまたま秋月で表面実装の単ゲートロジックICが手に入ったので使ってみました。
レベル変換ICはチャージポンプの昇圧回路を使っていますので、消費電力が効果的に下がります。

●シリアル通信端子
　送信・受信・GNDの3本だけでOKなので、スレテオジャックとプラグを使いました。とてもコンパクトにできます。
＃RTS・CTSのハンドシェークを使うほどデータ量もないし、1Byteずつが重要なデータでもないですので。そして、ホストとなる相手のPCやPDAでは割り込みを使うことは面倒で難しいので、一定の通信規則を決めておき、ホスト-ターゲット間通信(問い合わせと応答)のような方法を取りました。

●改造ステッカー
　上手くケースにまとめられたら、ステッカーを貼りたくなります。
何時も私は"PIC Inside"ステッカーを貼り付けてます。
元はPentium2のロゴです。レーザープリンタで印刷し、透明フィルムで貼ってます。今回のケースは透明なので、内側に貼ってます。


●その他
・抵抗は1/8Wや1/6Wの物を使うと実装面積を小さくすることができます。
・配線ですが、スズメッキ線とUEW(ウレタン皮膜ワイヤー)を使っています。UEWは半田付けの際の熱で皮膜が溶けるので、ビニル線のように配線できます。電源ラインやGNDラインはスズメッキ線を使い、信号線はUEWを使うと良いです。
・ですが、UEWを引き回し過ぎるとインダクタンス(コイル)成分が大きくなり、誤動作することがあります。特に、クロックを20MHzで動作させ、I/Oポートのビット操作命令(BSFやBCF)を連続して行うとそれが見られます。(キャパシタンス(コンデンサ)成分が大きい場合も同様)
・表面実装部品は、足のピッチが2.54mm以下なので、そのままでは万能基板上に実装できません。そこで、ポリイミドフィルム(カプトン)のテープを基板に貼り付け絶縁します。テープの上にチップを固定し、UEWで配線します。

＃ポリイミドフィルムは耐熱性の素材で、フレキシブル基板などに使われます。半田ごての温度では溶けません。秋葉原の電材店で手に入ります。
UEWとポリイミド・テープでの配線法もChaNさんのテクニックです。
半田付けのスキルが無いと表面実装部品は難しいですね。あまり成功しませんでした。(配線が悪くて動作が不安定になってしまう)


＃小型化は、やはり表示器がネックですね。LCDドットマトリクスのディスプレイが殆ど手に入りません。
16文字2行や20文字4行などのキャラクタLCDは良く使われますが、今回はケースよりサイズが大きく、断念しました。
数字だけだったら何とかなりそうな気はするのですが。。。
あ、この照度計が実用的かは不明(爆)

＃モノが違いますが、こんな感じでどうでしょう >mu-rayさん。