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拍手スイッチ　(PIC12F683)

− ハードウェア編　−

更新日２００６．８．２５
ＰＩＣ１２Ｆ６８３を使って拍手スイッチを作成します。
拍手のパターン（リズム）で、３つのスイッチのＯＮ／ＯＦＦ制御をします。

拍手のパターンとスイッチの制御は以下の通りとしました。

拍手のパターンスイッチの制御
パパン　パパン全てのスイッチをＯＦＦ
パパパン　パン　パンスイッチ１のみＯＮ
パパン　パパパパンスイッチ２のみＯＮ
パパン　パパパパパンスイッチ３のみＯＮ

概要
・入力は音（マイク）、出力はスイッチで、回路のイメージは以下の通りです。

マイクは、コンデンサマイクを使用しました。
コンデンサマイクの出力電圧は低く（１ｍＶ前後）、ＰＩＣに直接入力できませんのでアンプで増幅します。

【参考】
電源電圧が５Ｖの場合、ＰＩＣが入力ピンをＯＮだと認識するのは２Ｖ以上
ただし、入力ピンの使い方によっては４Ｖ以上（^MCLRやGP2/INTなどシュミットトリガモードの場合）

アンプは汎用のオペアンプ（抵抗の組み合わせだけで増幅率を自由に設定できる）を使います。
電源は、単三乾電池３本の予定ですので、オペアンプは単電源で４Ｖ程度から動作し消費電流が少ないものを選択しました。

スイッチは、商用電源（家庭の電源）を制御する予定ですので、ＡＣ１００Ｖを制御できるタイプのＳＳＲ（半導体リレー）を使います。

主な部品
これは、今回使用する主要部品です。

左から、コンデンサマイク２つ，ＰＩＣ１２Ｆ６８３，オペアンプ（μＰＣ３５８Ｃ），ＳＳＲ(G3MB-202P)です。

コンデンサマイク上の写真の大きい方を使用しました。
メーカは不明ですが、表面に「1523PDY」と記述されていました。どんなシーンで使うかによりますが、今回は指向性が無いものを選択しました。
ＰＩＣ１２Ｆ６８３今回使用するＰＩＣです。
動作周波数が４Ｍｚ以下の場合、電源は２Ｖから動作可能です。
μＰＣ３５８ＣＮＥＣ製の汎用オペアンプです。（単電源，２回路，８ピンＤＩＰ）
どんなものでも使用できると思いますが、今回は単三乾電池３本（４．５Ｖ前後）を電源とする予定ですので、以下の条件で選択しました。
・電源が単電源で、４Ｖ程度から動作する事（uPC358Cは最低＋３Ｖで動作）
・電源が乾電池であるため、回路電流が少ないこと（uPC358Cは平均０．７ｍＡ）
Ｇ３ＭＢ−２０２Ｐオムロン製のＳＳＲです。
制御対象の消費電力により選択します。今回の制御対象は蛍光灯（２８Ｗ＋３０Ｗ＋３８Ｗ）を想定しており、１Ａタイプでは余力が無いので２Ａタイプにしました。
入力電圧ＤＣ４〜６Ｖ
出力電圧ＡＣ１００〜２４０Ｖ
出力電流２Ａ

回路
回路図は以下の通りです。

三角形の記号はオペアンプで、２つ使用します。（uPC358Cには２つのオペアンプが内蔵されています。）
左のオペアンプでコンデンサマイクの信号を５２倍に増幅し、右のオペアンプで更に２〜５２倍（ボリュームで調整）に増幅します。
２つのオペアンプで、合計１０４〜２７０４倍の増幅になります。（ボリュームで調整）

コンデンサマイクの出力が１ｍＶであれば、２０００倍に増幅する事でＰＩＣがＯＮと認識する２Ｖにできます。

【参考】
１００倍以上の増幅（４０ｄＢ以上の電圧利得）が必要な場合は、１つのオペアンプで行わず、今回のように２つのオペアンプを使います。
理由はいくつかありますが、周波数が高くなると増幅率が低くなることと、高い増幅率にするとノイズに弱くなることが主な理由です。

家の周りでセミ（特にツクツクホーシ）が鳴いているような環境では、感度を低くして大きな拍手にしないと制御できませんでした。スズムシの鳴き声ように高い音は無視するようになっています。
逆に、周りが静かな時は感度を上げて非常に小さな拍手でキッチリ制御することもできました。

１００ｐＦのコンデンが２つありますが、低い音だけを増幅するようにしています。
子供の拍手のように高い音を入力する場合は３３ｐＦなどのような容量が小さなものにして下さい。
【参考】
コンデンサの容量を小さくして高い音も増幅するとノイズに弱くなります。

このオペアンプの出力を、ＰＩＣのＧＰ３に入力します。
ＰＩＣでは、信号の入力を「ピン変化割り込み」（ピン変化割り込みを使うを参照）で判定します。

【参考】
ＰＩＣのＧＰ０〜ＧＰ５は全てデジタル入出力として使用できますが、唯一ＧＰ３は入力専用です。
このため、ピン変化割り込みの入力としてＧＰ３を使用し、他のピンは入力でも出力でも使えるように空けています。（デバッグ時に使いたくなる事がありますので・・）

電源は、単三乾電池３本ですが、５Ｖでも動作可能です。

なお、回路図ではＰＩＣの出力（ＧＰ０〜ＧＰ２）がＬＥＤになっていますが、最終的にはＳＳＲにしています。

ブレッドボードに組み込んだ状態。

真ん中の丸いものがコンデンサマイクです。
その右にある黒い四角（コンデンサで少し隠れていますが）がオペアンプです。
左の黒い四角は、ＰＩＣ１２Ｆ６８３でソケットを使っています。（頻繁に(?)抜き差ししますので・・）

電化製品の電源制御の実験風景です。白と赤のコードを接続している黒いものがＳＳＲです。
ＡＣ１００Ｖを剥き出しで接続していますのでかなり危険です。マネはしないようにしましょう。

万が一このようなことを行う場合は、ＡＣ１００Ｖを接続する前にテスターで十分な確認を行って下さい。
接続する電化製品は容量が小さいものにして下さい。今回の実験では、１５Ｗの蛍光灯を使いました。
また、ＡＣ１００Ｖへの接続は極力短時間とし、確認できたら速やかにコンセントを抜いて下さい。

万が一実施する場合は、パーツの破壊，感電，ブレーカ断等の危険がありますので、自己責任で実施して下さい。

最初から上の回路を作成してもかまいませんが、一旦ＰＩＣの代わりにＬＥＤを接続してアンプ部の動作確認をしておきましょう。
使うシーンにもよりますが、２〜３ｍ離れて拍手をしてＬＥＤが点滅するようにボリューム調整します。
周りの小さな騒音でＬＥＤが頻繁に点滅するようであれば、ボリュームを調整して感度を下げて下さい。

ソフトウェア編に続く