AVRマイコンを使用した高輝度LEDの調光点灯

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LED調光

マイコンのＰＷＭ機能を使ってＬＥＤの調光を行う前に基礎実験としてＬＥＤをパルス駆動してＬＥＤの光具合および消費電流の実験をした後、マイコンのＰＷＭ機能を使用したＬＥＤ調光回路を作ります。
ＰＷＭ調光とは、ＬＥＤのON/OFFを繰り返して点灯する方法です。ＯＮ時間を可変することにより調光することができます。速い周波数でＯＮ／ＯＦＦ点灯することにより人の目には点滅しているようには見えません。

１．LEDをパルス駆動で動作させる。

１．１．実験回路

（１）ＬＥＤの駆動トランジスタ定数決定
電源電圧Ｖｄｄはニッケル水素電池４本４．８Ｖで動作させます。
ＬＥＤはトランジスタでＯＮ／ＯＦＦを行います。
ＬＥＤには２０ｍＡ程度を流します。
ｈＦＥ＝７０とします。
トランジスタのコレクタ電流Ｉｃ＝ｈＦＥ　Ｘ　Ｉｂより
Ｉｂ＝Ｉｃ／ｈＦＥ＝２０ｍＡ／７０＝０．３ｍＡ
ベース抵抗Ｒ２＝（電源電圧－ベースエミッタ間電圧ＶＢＥ）／ベース電流Ｉｂ
＝（４．８Ｖ－０．６Ｖ）／０．３ｍＡ＝１４ｋΩ
１４ｋΩ以下のベース抵抗を選択することで２０ｍＡ流すことができますので今回はＲ２＝１ｋΩとします。（安全のため１０倍以上のＩｃが流すことができる能力を持てるようにベース抵抗を決めています。）
（２）電流制限抵抗Ｒ１の決定
２０ｍＡの電流を流したときに、高輝度白色ＬＥＤの順方向電圧Ｖｆは２．８Ｖ～３．８Ｖです。（オプトサプライ社ＯＳＰＷ５１１１Ａ－Ｚ３のカタログより）
電源電圧Ｖｄｄ＝４．８Ｖ
コレクタ電流Ｉｃ＝２０ｍＡ
順方向電圧Ｖｆ＝２．８Ｖ
電流制限抵抗Ｒ１＝（４．８Ｖ－２．８Ｖ）／２０ｍＡ＝１００Ω
順方向電圧Ｖｆ＝３．８Ｖのものを使用したときのコレクタ電流は（４．８Ｖ－３．８Ｖ）／１００Ω＝１０ｍＡ
従って電流制限抵抗Ｒ１＝１００Ωは順方向電流の最大値３０ｍＡを超えずに使用できます。

順方向電圧（Ｉｆ＝２０ｍＡ）［Ｖ］最小標準最大

２．８３．３３．８

順方向最大電流（Ｉｆｍａｘ）［ｍＡ］３０

（３）パルス発信器
方形波パルスを出力してトランジスタをＯＮ／ＯＦＦします。パルス発信器はパルス周期および、デューティ比を変更できます。

１．２．実験結果

１．２．１．周波数を可変
デューティ比＝５０％と固定して周波数を変更したときの消費電流およびＬＥＤが点滅を始める周波数を実験します。
電源はニッケル水素電池４本を使用。（実測値５Ｖ）

周波数［Ｈｚ］周期［ｍｓ］電流［ｍＡ］ＬＥＤの点灯状態

１０００００．１１０．１点灯

５００００．２１０．０点灯

１０００１．０９．８点灯

５００２．０９．８点灯

１００１０．０９．８点灯

５０２０．０９．９点灯

４０２５．０９．９点滅

１．２．２．デューティ比を可変
周波数を１００Ｈｚに固定してデューティ比を可変したときの消費電流およびＬＥＤが点滅を始めるデューティ比を実験します。

デューティ比電流[mA] LED点灯状態

100 24.1 点灯

95 18.9 点灯

90 17.9 点灯

80 15.9 点灯

70 13.8 点灯

60 11.8 点灯

50 9.8 点灯

40 7.8 点灯

30 5.9 点灯

20 3.9 点灯

10 2.0 点灯

5 1.0 点灯

１．２．３．結果
パルス周波数１００Ｈｚでデューティ比を可変としてＬＥＤの明るさをかえる（調光）ことができることがわかりました。。
１０％程度の変化ではＬＥＤの明るさは変わらないように見えました。

２．PWMでLEDを調光する。

２．１．仕様

項目内容

電源ニッケル水素電池４本（４．８Ｖ）

マイコンＡＴｔｉｎｙ１３Ａ

ＰＷＭ周期１００Ｈｚ

デューティ比５％，２５％，５０％，７５％，１００％の５段階

デューティ比の変更 UP/DOWN押しボタンスイッチによる。

２．２．回路

回路図
PWM出力はOCR0Bから出力します。
UP/DOWNスイッチはタクトスイッチで行います。

組立図
ブレットボード上に回路を構成します。

部品表

名称形名メーカ購入先数量

白色ＬＥＤＯＳＰＷ５１１１Ａ－Ｚ３オプトサプライ秋月電子１

抵抗１００Ω　１／４Ｗ秋月電子１

抵抗１ｋΩ　１／４Ｗ秋月電子１

抵抗１０ｋΩ　１／４Ｗ秋月電子３

抵抗１００ｋΩ　1/4W １

トランジスタ 2SC1815 東芝秋月電子１

マイコン ATtiny13A アトメル秋月電子１

部品表
名称	形名	メーカ	購入先	数量
白色ＬＥＤ	ＯＳＰＷ５１１１Ａ－Ｚ３	オプトサプライ	秋月電子	１
抵抗	１００Ω　１／４Ｗ		秋月電子	１
抵抗	１ｋΩ　１／４Ｗ		秋月電子	１
抵抗	１０ｋΩ　１／４Ｗ		秋月電子	３
抵抗	１００ｋΩ　1/4W			１
トランジスタ	2SC1815	東芝	秋月電子	１
マイコン	ATtiny13A	アトメル	秋月電子	１

２．３．フローチャート

フローチャート
・使用しないポートは出力に設定しておきます。
・スイッチの検出は割り込みで行います。
・UP/DOWNスイッチを押していき上限／下限まできたら上限／下限の状態を維持しておきます。
・スイッチがずっと押されている間は何もしません。
・スイッチを両方押した場合はUPスイッチを優先します。

２．４．プログラム

２．４．１．ＰＷＭの設定法
ATtiny13Aは４種類のタイマモードを持っています。そのうちの高速PWMモードを使用します。

タイマモード概要

タイマモード概要標準（フリーラン）モード電子さいころで説明したように単純にカウントアップしてき最大値２５５まで来ると次は0に戻りまたカウントアップしていきます。
周期は255となります。

ＣＴＣモードコンペアレジスタAに設定された値（最大値は255）までカウントアップしていき次は０に戻りカウントアップしていきます。
コンペアレジスタＡに設定された値が周期となります。

高速ＰＷＭモードコンペアレジスタＡに設定された値をタイマの周期とし、コンペアレジスタＢをパルス幅として動作します。タイマ値が’０’のとき出力は’Ｈ’となっています。次にコンペアレジスタＢの値までカウントアップすると出力は’０’となります。コンペアレジスタＡの値までカウントアップすると’０’に戻るとともに出力を’Ｈ’にします。（出力の設定を非反転に設定した場合）
以上のようにコンペアレジスタＡが周期、コンペアレジスタＢがパルス幅となります。

フェーズコレクトＰＷＭ高速PWMと同様ですがTOPまでカウントアップすると今度は減算してBOTTOMまで減算していきます。

２．４．２．ＰＷＭレジスタ設定

PWM設定高速PWMに設定 WGM02:00 = 111

PWM出力ポート設定 PB1( OCR0B )に非反転出力 COM0B1:0 = 10

設定周期設定周期は100Hzとする。
OCR0AにTOP値を設定する。TOP値の最大値は255 (0xff)までなので分周比は64とする。
出力周波数F = 元クロックfclk / ( 分周比N X（１＋TOP ））
TOP = fclk / ( N X F ) - 1＝1MHz / ( 64 X 100) - 1
= 155 分周比CS02:00 = 010
周期OCR0A = 155

デューティ比設定デューテイ比はＯＣＲ０Ｂに設定する。
デューティ比は５０％とする。
デューティ比０．５＝（ＯＣＲ０Ｂ＋１）／（ＯＣＲ０Ａ＋１）
ＯＣＲ０Ｂ＝０．５Ｘ（ＯＣＲ０Ａ＋１）－１
＝０．５Ｘ（１５５＋１）－１＝７７ OCR0B = 77

スタート CS02:CS00を'0'以外に設定するとスタートする。 CS02:00
PWM設定の最後に設定する。

ＴＣＣＲ０Ａレジスタ

ＣＯＭ０Ａ１ＣＯＭ０Ａ０ＣＯＭ０Ｂ１ＣＯＭ０Ｂ０－－ＷＧＭ０１ＷＧＭ００

００１０００１１

ＴＣＣＲ０Ｂレジスタ

ＦＯＣ０ＡＦＯＣ０Ｂ－－ＷＧＭ０２ＣＳ０２ＣＳ０１ＣＳ００

００１０００１１

割込フラグレジスタＴＩＦＲ０

－－－－ＯＣＦ０ＢＯＣＦ０ＡＴＯＶ０－

ＴＩＦＲ０レジスタ内容

ＯＣＦ０Ｂ比較レジスタＯＣＲ０ＢとＴＣＮＴ０（タイマカウンタ）が一致したときにフラグが立つ

ＯＣＦ０Ａ比較レジスタＯＣＲ０ＡとＴＣＮＴ０が一致したときにフラグが立つ

ＴＯＶ０ＴＣＮＴ０がオーバーフローするとフラグが立つ

２．４．３．割込設定

ポート状態変化割込許可ポートの状態が変化したときに割込を動作ＧＩＭＳＫのＰＣＩＥを１に設定

ポート３とポート４の状態の変化で割込許可ＰＣＭＳＫのＰＣＩＮＴ３とＰＣＩＮＴ４を１に設定

ＧＩＦＲ

ＩＮＴＦ０ＰＣＩＦ－－－－－－

００１０００００

ＰＣＭＳＫ

－－ＰＣＩＮＴ５ＰＣＩＮＴ４ＰＣＩＮＴ３ＰＣＩＮＴ２ＰＣＩＮＴ１ＰＣＩＮＴ０

０００１１０００

割り込み処理はＳＩＧＮＡＬ（割り込みベクタ）内に処理を記述します。つまり以下のように記述します。
SIGNAL(PCINT0_vect)
{
         割り込み処理を記述
}

#include <avr/io.h>
#include <avr/interrupt.h>
#include <util/delay.h>

#define   PULS_CYCLE 155

//                           5% 25% 50% 75% 100% デューティ比
uint8_t PulsWidth[] = { 7, 38, 77, 116, 155};

union states    // スイッチ状態フラグ
{
    uint8_t BYTE;
    struct
    {
        uint8_t :4;              // 未使用
        uint8_t up:1;           // UPスイッチＯＮ
        uint8_t keep_up:1;    // UPスイッチＯＮしたことを記憶
        uint8_t dn:1;           // DOWNスイッチＯＮ
        uint8_t keep_dn:1;   // DOWNスイッチＯＮしたことを記憶
    } BIT;
};

union states u_state;

void InitHard(void);     // 初期設定

int main(void)
{
    static int8_t pulse = 2;

    InitHard();
    sei();                   // 割り込み許可
    while(1)
    {
        if ( (u_state.BIT.up == 1) && (u_state.BIT.keep_up == 0) ) // UPスイッチをＯＮ
        {
            u_state.BIT.keep_up = 1; // UPスイッチがＯＮされたことを記憶
            if ( ++pulse > 4)             // デューティ比を大きくする
            {
                pulse = 4;                  // デューティ比が１００％を超えない
            }
            TIFR0 |= 1 << OCF0A;     // OCF0Aを一度クリアする
            while(!(TIFR0 & (1 << OCF0A))); // OCF0Aが’１’になるまで待つ。（ＯＣＲ０Ａと一致するまで）その後にＯＣＲ０Ｂを変更する。
            OCR0B = PulsWidth[pulse];    // デューティ比を設定
        }
        else if ( (u_state.BIT.dn == 1) && (u_state.BIT.keep_dn == 0)) // DOWNスイッチをＯＮ
        {
            u_state.BIT.keep_dn = 1;   // DOWNスイッチがＯＮされたことを記憶
            if ( --pulse < 0)              // デューティ比を小さくする。
            {
                pulse = 0;                  // デューティ比を５％より小さくしない
            }
            TIFR0 |= 1 << OCF0A;     // OCF0Aを一度クリアする
            while(!(TIFR0 & (1 << OCF0A))); // OCF0Aが’１’になるまで待つ。（ＯＣＲ０Ａと一致するまで）その後にＯＣＲ０Ｂを変更する。
           OCR0B = PulsWidth[pulse];   // デューティ比を設定
        }
    }
}

void InitHard(void)
{
    // PB1:出力に設定(PWM出力OC０A)
    DDRB = (1 << DDB0) | (1 << DDB1) | (1 << DDB2);
    // PWM設定及びスタート
    TCCR0A = (1 << COM0B1) | (1 << WGM01) | (1 << WGM00); // 非反転出力, 高速PWM動作
    TCCR0B = (1 << WGM02);
    OCR0A =PULS_CYCLE;           // 周期１００Ｈｚに設定
    OCR0B =PulsWidth[2];            // デューティ比５０％に設定
    // タイマスタート
    TCCR0B |= (0 << CS02) | (1 << CS01) | (1 << CS00); // 64分周
    // PB3, PB4割り込み設定
    GIMSK = 1 << PCIE;                                    // 入力ポートの状態変化で割り込み許可
    PCMSK = (1 << PCINT3) | (1 << PCINT4);      // 入力ポートPB3とPB3の割り込み許可
}

SIGNAL(PCINT0_vect)   // UP/DOWNスイッチの状態（ＯＮ／ＯＦＦ）が変化すると割り込み発生
{
    _delay_ms(10);            // チャタリング待ち

    if ( !(PINB & 0x10) )    // ＵＰスイッチＯＮ
    {
        u_state.BIT.up = 1;　// UPスイッチONを記憶
    }
    else if ( !(PINB & 0x08)) // DOWNスイッチＯＮ（ＤＯＷＮスイッチよりもUPスイッチが優先される。
    {
        u_state.BIT.dn = 1;     // DOWNスイッチＯＮを記憶
    }
    else if ( ((PINB & 0x10) == 0x10) && (u_state.BIT.keep_up == 1)) // UPスイッチOFF
    {
        u_state.BYTE = 0;     // スイッチ状態フラグをオールクリア
    }
    else if ( ((PINB & 0x08) == 0x08) && (u_state.BIT.keep_dn == 1)) // DOWNスイッチOFF
    {
        u_state.BYTE = 0;     // スイッチ状態レジスタをオールクリア
    }
}

タイマモード	概要
タイマモード概要標準（フリーラン）モード	電子さいころで説明したように単純にカウントアップしてき最大値２５５まで来ると次は0に戻りまたカウントアップしていきます。周期は255となります。
ＣＴＣモード	コンペアレジスタAに設定された値（最大値は255）までカウントアップしていき次は０に戻りカウントアップしていきます。コンペアレジスタＡに設定された値が周期となります。
高速ＰＷＭモード	コンペアレジスタＡに設定された値をタイマの周期とし、コンペアレジスタＢをパルス幅として動作します。タイマ値が’０’のとき出力は’Ｈ’となっています。次にコンペアレジスタＢの値までカウントアップすると出力は’０’となります。コンペアレジスタＡの値までカウントアップすると’０’に戻るとともに出力を’Ｈ’にします。（出力の設定を非反転に設定した場合）以上のようにコンペアレジスタＡが周期、コンペアレジスタＢがパルス幅となります。
フェーズコレクトＰＷＭ	高速PWMと同様ですがTOPまでカウントアップすると今度は減算してBOTTOMまで減算していきます。

PWM設定	高速PWMに設定	WGM02:00 = 111
PWM出力ポート設定	PB1( OCR0B )に非反転出力	COM0B1:0 = 10
設定周期設定	周期は100Hzとする。 OCR0AにTOP値を設定する。TOP値の最大値は255 (0xff)までなので分周比は64とする。出力周波数F = 元クロックfclk / ( 分周比N X（１＋TOP ）） TOP = fclk / ( N X F ) - 1＝1MHz / ( 64 X 100) - 1 = 155	分周比CS02:00 = 010 周期OCR0A = 155
デューティ比設定	デューテイ比はＯＣＲ０Ｂに設定する。デューティ比は５０％とする。デューティ比０．５＝（ＯＣＲ０Ｂ＋１）／（ＯＣＲ０Ａ＋１）ＯＣＲ０Ｂ＝０．５Ｘ（ＯＣＲ０Ａ＋１）－１＝０．５Ｘ（１５５＋１）－１＝７７	OCR0B = 77
スタート	CS02:CS00を'0'以外に設定するとスタートする。	CS02:00 PWM設定の最後に設定する。

**ＴＣＣＲ０Ａレジスタ**
ＣＯＭ０Ａ１	ＣＯＭ０Ａ０	ＣＯＭ０Ｂ１	ＣＯＭ０Ｂ０	－	－	ＷＧＭ０１	ＷＧＭ００
０	０	１	０	０	０	１	１

**ＴＣＣＲ０Ｂレジスタ**
ＦＯＣ０Ａ	ＦＯＣ０Ｂ	－	－	ＷＧＭ０２	ＣＳ０２	ＣＳ０１	ＣＳ００
０	０	１	０	０	０	１	１

**割込フラグレジスタＴＩＦＲ０**
－	－	－	－	ＯＣＦ０Ｂ	ＯＣＦ０Ａ	ＴＯＶ０	－

**ＴＩＦＲ０レジスタ内容**
ＯＣＦ０Ｂ	比較レジスタＯＣＲ０ＢとＴＣＮＴ０（タイマカウンタ）が一致したときにフラグが立つ
ＯＣＦ０Ａ	比較レジスタＯＣＲ０ＡとＴＣＮＴ０が一致したときにフラグが立つ
ＴＯＶ０	ＴＣＮＴ０がオーバーフローするとフラグが立つ

**ＧＩＦＲ**
ＩＮＴＦ０	ＰＣＩＦ	－	－	－	－	－	－
０	０	１	０	０	０	０	０

**ＰＣＭＳＫ**
－	－	ＰＣＩＮＴ５	ＰＣＩＮＴ４	ＰＣＩＮＴ３	ＰＣＩＮＴ２	ＰＣＩＮＴ１	ＰＣＩＮＴ０
０	０	０	１	１	０	０	０

２．５．実行

プログラムを実行すると最初はＬＥＤはデューティ比５０％で調光します。
以下に各デューティ比での消費電流を示します。
参考としてスリープモードを使用したときの消費電流を示します。
今回の実験ではＬＥＤの消費電流が大きいのでマイコンの消費電流を削減するためにスリープモードを使用しても消費電流削減の効果は顕著には見られません。

電源：ニッケル水素電池４本（４．８Ｖ）

デューティ比
［％］スリープモード無し（本実験回路）での消費電流
［ｍＡ］スリープモード有りでの消費電流
［ｍＡ］

５２．０１．３

２５６．２５．３

50 11.5 10.3

７５１６．５１５．４

１００２１．７２０．５

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アトメル社のAVRマイコンをつかった電子工作および無線を使った電子工作を紹介します。