筑波大学
TECHNICAL REPORT, UNIVERSITY OF TSUKUBA 2019目
技術報告書
16進表示用7セグメントLEDデコーダの作製筑波大学システム情報系技術室…中山勝アルミ製組立BOXの製作、および溶接条件の検討小川祐生    筑波大学研究基盤総合センター工作部門…
中山勝筑波大学システム情報系技術室〒305-8573 茨城県つくば市天王台1-1-1
概要
情報科学類2年次に実施されている実験に、論理回路実験がある。この実験では、サンハヤト製のICトレーナーを使用し、組み合わせ回路や順序回路について学習する。ICトレーナーには、表示器として7セグメントLEDが実装されているが、使用されているデコーダが10進デコーダであるため、10〜15は数として表示されない。そこで、マイクロチップテクノロジー社製PIC (Peripheral Interface Controller)をプログラミングすることで、16進数を表示できるデコーダを作製したので報告する。キーワード：PIC、7セグメントLED、デコーダ
1．はじめに
ICトレーナーとは、プレットボードの周りに、竜源・トグルスイッチ・プッシュスイッチ・LED・7セグメントLED等を備えた、論理回路を学ぶための実習装置である(図1)。 0リスティングルフレッシュ図 2.    74LS47による7セグメントLEDの表示
2. PICとは
PICとは、マイクロチップテクノロジ一社が製造しているマイクロコントローラ(制御用IC)製品群の総称である。開発環境としては、やはりマイクロチップテクノロジー社が提供している、MPLAB IDE X-があり、アセンプラやＣ言語で、プログラムを記述することができる。使用するPICには、DIP 14ピンパッケージの8 bitマイコンである、PIC16F1823nを選択した。したがってコンパイラは、MPLAB+ XC8を使用した。また、PICにプログラムを書きこむためのライターには、PICkit3 (図3)を使用した。PICkit3は、コンピュータとUSB接続し、PICとはジャンパー線で接続する。図 1.  ICトレーナーこの装置を使用して学生が取り組む論理回路設計の中に、4減算できる回路を持つ４bitバイナリカウンタがある。このとき、7セグメントLEDを表示器として使用するのだが、デコーダICが74LS47(10進デコーダ)であるため、その表示が図 2ªの様になってしまう。この表示では、10～15の数値は、非常に読み取りづらい。それを解消するために、10以上の数値は、A(10) b(11) c(12) d(13) E(14) F(15)と表示できるデコーダを作製した。図3. PICkit3 PICkit3とPIC16F1823の接続を、表1に示す。
1
3. 74LS47とPIC16F1823
74LS47は、入力された４ビット２進数の値を、７セグメントLED(図4)のaからgの内、対応するセグメントを点灯させることで、数値として表示させる機能を持っている。一方、PIC16F1823(図5)は全14ピンの内、電源を除く12ピンをデジタルI/Oとして設定できる。そこで、RA3 - RA0(LSB)を入力、RA4、RC5 - RC0をa - gに割り当てることにした。図 5.   PIC16F1823のピン配置
4.プログラミング
表2は、C言語で記述した、制御用プログラムである。表2.制御用プログラムvoid main() TRISA = 0b000111; TRISC = 0b000000; PORTAbits.RA4 = 1; PORTAbits.RA5 = 0; PORTC = 0b1111111; //unused while(1){ switch(PORTA & 0x0F){ case 0x00: PORTAbits.RA4 = 1; PORTC = 0b1100000; break; case 0x01: PORTAbits.RA4 = 1; PORTC = 0b1111001; break; case 0x02: PORTAbits.RA4 = 0; PORTC = 0b11100100; break; case 0x03: PORTAbits.RA4 = 0; PORTC = 0b1111000; break; case 0x04: PORTAbits RA4 = 0; PORTC = 0b11011001; break: case 0x05: PORTAbits.RA4 = 0; PORTC = 0b11010010; break; case 0x06: PORTAbits.RA4 = 0; PORTC = 0b1100010; break; case 0x07: PORTAbits RA4 = 1; PORTC = 0b1111000; break; case 0x08: PORTAbits.RA4 = 0; PORTC = 0b1100000; break; case 0x09: PORTAbits.RA4 = 0; PORTC = 0b1101000; break; case 0x0A: PORTAbits.RA4 = 0; PORTC = 0b11001000; break; case 0x0B: PORTAbits.RA4 = 0; PORTC = 0b11000011; break; case 0x0C: PORTAbits.RA4 = 0; PORTC = 0b11100111; break: case 0x0D: PORTAbits.RA4 = 0; PORTC = 0b1110001; break; case 0x0E: PORTAbits.RA4 = 0; PORTC = 0b11000110; break: case 0x0F: PORTAbits.RA4 = 0; PORTC = 0b11001110; break; default: PORTAbits RA4 = 1 PORTC = 0b1111111; break;スまず、すべてのI/Oをデジタルに設定するため、アナログセレクトを0にする。その後、トライステートレジスタを入力に割り当てるポートは１を、それ以外は0 (出力ポート)にする。そして、出力に設定したポートの初期化をしている。1を設定しているのは、ICトレーナーに使用されている7セグメントLEDが、アノードコモンであることによる(全消灯)。あとは、while文で無限ループを作り、 switch-case文によりその時の入力に応じて、７セグメントLEDに表示するための出力を決めている。
5.基板の作製
74LS47は、ICトレーナー上にある16ピンソケットに挿入されている。そのピン配置を、図6に示す。 74LS47に代わり、PIC16F1823を使用するためには、74LS47が実装されている、16ピンのICソッケットに挿入できるようにする必要がある。そのため、 14ピンのPIC16F1823を、74LS47の電源及び信号線の配置に変換する基板を作製した。図7はその回路図である。基板設計には、フリーウェアであるKiCadを使用した。部品の配置は、PIC16F1823と16ピンソケットに挿入するための、細ピンヘッダを実装する部分をまたぐ形にした。また配線は、外部ツールであるFreeRoutingを使い、自動配線した。基板は、スルーホールの両面基板で、PICとバイパスコンデンサを取り付ける表面を図8に、細ピンヘッダを取り付ける寒面を、図９に示す。
6.まとめ
完成した基板に部品を実装した状態の写真を、図10に示す。図11は、ICトレーナーに実装された74LS47のかわりに、今回作製したデコーダを使用し、7セグメントLEDに10〜15を表示させたものである。図 11.  16進表示なお、従来の６の表示はb(11)と同じなので、6はセグメントaも点灯させ、図12のような表示とした。図 12.  6の表示その結果、読み取りが難しかった10～15の値も、読み取り易くなったと考える。謝辞今回、私の提案を採用してくださった、システム情報系和田耕一教授、庄野和宏准教授、冨安洋史講師に感謝いたします。参考文献[1] BCD-TO-SEVEN-SEGMENT　DECODERS/DRIVERS,
TEXAS INSTRUMENTS. http://www.tij.co.jp/jp/lit/ds/symlink/sn74ls47.pdf
PIC12(L)F1822/PIC16(L)F1823 デ一タ一シん[2] Microchip Technology Inc. http://ww1 .microchip.com/downloads/jp/devicedoc/41413 c_jp.pdf Fabrication of 7-segment LED decoder for hexadecimal display Masaru Nakayama Technical Service Office for Systems and Information Engineering, University of Tsukuba, 1-1-1 Tennodai, Tsukuba, Ibaraki, 305-8573 Japan Keywords: PIC, 7-segmentLED, decoder
小川 祐生筑波大学研究基盤総合センター工作部門〒305-8572 茨城県つくば市天王台1-1-1
概要
研究で使用するアルミ製組立BOXの製作を、TIG溶接を用いて行った。一般に離しいとされる薄板の溶接物ではあるが、組み合わせるプレートの形状を工夫することで、依頼者の要求する垂直・平行精度の達成と、溶接における作業効率を向上することができた。キーワード：アルミニウム、TIG溶接
1．はじめに
溶接をはじめとする接合技術は、自動車・船舶・航空・宇宙産業などあらゆる分野で用いられ、我々の生活を支える必要不可欠な技術であり、筑波大学工作部門でも様々な依頼を達成する上で必須の技術でもある。今回は、工作部門に依頼のあったアルミ製組立BOXの製作について、検討した溶接条件を設計構想と合わせて報告する。
2.溶接部材としてのアルミニウムの特徴
以下にアルミニウムの特徴を確認し、その問題点と対処法を示す。 (1)  融点が低く(約660  ℃)、熱伝導性が良い数が逃げやすく多量の熱を供給する必要があるため、材料全体の温度が上がり溶け落ちやすい。 →トーチの送り速度を変える、パルスを使用する等が対策として挙げられる。 (2)　表面に頑固な酸化被膜(Al2O3)を形成する大気中に放置するだけで形成され、融点が約2000 ℃と高い。 →事前に表面を磨き皮膜を除去すること、 TIG溶接のクリーニング作用で除去することが対策として挙げられる。 (3)　落接割れ(変形)が発生しやすい熱膨張係数、凝固収縮率が大きい事が原因→適正な溶接条件(電流、溶接速度等)か確認する。 (4)溶接金属部にプローホールを発生しやすい溶接金属内で発生したガスもしくは侵入したガスが、凝固時に大気中へ放出されず、溶接金属内に閉じ込められて生じる。 →基本的に水素源を絶つ事が対策となり、空気を巻き込まないようにすることなどが挙けられる。
３．設計・試作
3.1製作条件の確認
依頼者から提供された図１に示す図面を基に、アルミ製組立BOXの製作において重要な条件を以下に列挙する。 (1)　材料：A5052　板厚2 mm前後(2) 箱の垂直・平行を出すこと依頼者から使用用途として、 「内部に板バネを設置しモーターで弾く」と説明があり、内側寸法に関して注意してほしいと要望があった。また、上記使用方法につき、接合には強度が求められる。
3.2設計
依頼者の設計では、板金加工を用いて箱型形状に溶接を行うように指示されていたが、 ・工作部門では専用の工具が無いこと・そのため各種寸法の精度が保証できないこと上記の理由があり、依頼者の了承を得て3.1の項目を基に精度よく、かつ容易に溶接を行えるよう再設計を行った。図２に構想時のポンチ絵を、図３から図6に構想をもとに起こした図面をそれぞれ記載する。大きい変更点としては、図2の通りプレートに凹凸の形状を作り、それらを嵌め込んで縮型に成形することとした。これにより、一枚板より形状を成型する板金加工と比較して、加工の簡略化と精度の向上をそれぞれ狙っている。また、箱型形状を治具無しで維持できるようにすることで、溶接作業中の効率向上も図った。
3.3試作
構想どおり箱型に組み上がるか、ワイヤー放電加工機で試作を行った。なお、竜源試作品では時間短縮のため小型化し、組合せ部分の確認のみを行った。結論として、図7に示すように、箱は素組の状態でも自壊することなく形状を保っており、別途治工具を用意せずとも容易に溶接工程を行えると判断した。改善点として、図8に示すように、組込部が奥まで入りきらず隙間ができていることが確認できたため、寸法を変更し本製品には公差を設けることとした。
4.製作
4.1プレート製作
試作品を基に、図面を修正し製作を行った。ワイヤーカットでプレートの切り出しを、汎用フライス盤で穴あけ加工をそれぞれ行い、図9に仮組みしたものを示す。
4.2溶接
ワイヤーカットで切り抜きを行うと、材料にワイヤー材料である真鍮が付着し、溶接条件に影響を及ぼす可能性がある。そのため、事前に切断部をやすり等で軽く研磨し、アルコールで洗浄を行った。アルミ溶接の手順を以下に列挙し、溶接条件を表1に記載する。 (1)材料固定寸法精度を保つため、内寸法38 mmに合わせたアルミプロックを入れ、シャコ万力で固定する。 (2)点付け溶接歪み防止のため、BOX角部と底面４辺の中央部に点付け溶接を行う。 (3)本溶接底面→側面の順に溶接を行う。このとき熱が集中し歪みが大きくならないよう、対角・対辺を意識して溶接作業を行う。 (4)洗浄・調整溶接焼けを除去し、設置時にガタつきが無いよう調整を行う。以上の工程を行い、完成した製品が図10である。

5.まとめ
今回溶接を行った組み込み式の箱は、歪みもほぼ見られず、表2に示すように寸法もアルミプロックを共縮めしたことで、依頼者の望むレベルの製品が出来上がった。
また、これまでアルミ溶接では溶接割れ(溶込不足)が発生することが多かったため、対策として電流値を高めに設定して作業を行ったが、割れ等の不良発生が抑えられ良好な外観となった。図11と図12に溶接外観の比較を示す。このことから、アルミ溶接は高めの電流条件で、熱が集中しないよう短時間で溶接することが重要なのではないかと考える。今回報告した溶接条件は、1つの結果であり最適条件ではない。周囲の条件によっても結果は変わると予想される。以降も技術向上に努め、作業の目安として使えるよう多くのデータを集めたい。今回工作部門に依頼いただいた皆様、そして設計・製作においてご助力いただきました研究基盤総合センター工作部門の皆様に感謝致します。 [1]財団法人軽金属協会編、アルミニウムハンドプック(2009) [2]内田豊春、アルミニウム合金製ヘリウム容器の製作、技術報告No11(1991)58-60
Yuki Ogawa Research Facility Center for Science and Technology Engineering Workshop Division, University of Tsukuba, 1-1-1 Tennodai, Tsukuba, Ibaraki, 305-8572    Japan Keywords: Aluminium,  Gas Tungsten Arc Welding筑波大学技術報告  No.38平成31年3月  発行
筑波大学技術職員技術交流実行委員会〒305-8577茨城県つくば市天王台1-1-1 E-mail: kouryu@tech.tsukuba.ac.jp