TinyTimer（カップメンタイマー）

190923：保護カバー作成
190921：誤記修正
190920：作成
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 パワーダウンモードを試したかったのだ（笑）

■発端
AtmelのTiny13（無印）をパーツ箱で見つけた。以前ChaNさんのCircuitTesterを作ったときの予備だと思う。
CircuitTesterでTiny13のパワーダウンモードの消費電流の少なさは知識で知っていたけど、実際どうなの？　
なら自分で作って見よう。

■目標仕様
・俗に言うカップラーメンタイマー。時間は最低３分、４分、５分の三種類。
・パワーダウンモードを（自分で）試したい。
・なら動作時の電流も少なくしたいよね。システムクロックもなるべく低く。
・よし、ならもっと電流減らしたいので、LED等の光り物も無し。
・ブザーも自励式は圧電スピーカーでも結構電流流れたりするようなので、他励式で（ようするに圧電スピーカー）。
・電源はCR2032ボタン電池　３Ｖ

■仕様検討
・ポートは、PB0～PB5の６本。ただし、PB5は/RESETと兼用。ISPで開発するならPB5は使用不可。
・PB0～5は、それぞれPCINT0～5のピンチェンジ割り込みが使用可能。
・タイマー０の出力は、OC0A、OC0Bの２本。PB0、PB1と兼用。
・タイマー０の出力は圧電スピーカーの駆動に使用。
・入力は４本。それぞれに時間を割り当てずに１本はシフト動作（加算）。
・入力は部品削減のため、内蔵プルアップ。スイッチは負論理。
・ポートの割当が飛び飛びになるのも後々面倒だし、ブザー出力はPB0（OC0A)。
・タイマー０はCTC動作。出力はトグル出力。
・アナログコンパレータ電源は切る。ADCも念の為disable。BODも使わない。ウォッチドッグ？　黙っていろ、ハウス！。

■回路図

回路図はここ。（PDFです）　
とりあえずユニバーサル基板に組んだ。電池フォルダはハンダ付けだけでは強度が不安なので、エポキシ接着剤で接着してある。
電子工作って、エポキシ接着剤と両面テープを良く使うよね？

■問題１
　低いシステムクロックにするため、ウォッチドッグの内蔵発振器125KHzを使おうと思っていたが、カップラーメンタイマーとは言え時間を計るには、ちょっとばかり精度が悪そう。データシートでは125KHz/3V公称となっているが、データシート後ろのグラフを見ると結構ずれている。
　結局、校正されている内蔵CR発振器を使うことに。今回は低い方の4.8MHzを使う。Tiny13にはシステムクロックの分周できる（CPUPR)のだが、これとヒューズビットのCKDIV8との関係はどうなっているのかと思ったら、CKDIV8がプログラムされるとCPUPRは8分周にセットされるらしい。逆に言うと別にCKDIV8をプログラムしなくても、後からCPUPRで分周値を設定できるってことか。
　なお、CPUPRの設定はちょっと特殊な手順が必要。

■問題２
　Tiny13には８ビットタイマーが一本だけ……。
　この８ビットタイマーでシステムタイミングを作って、ブザーをドライブしなきゃならない。
　システムタイミングをどれくらいで区切るか。ブザーは何Hzで鳴らすか。

■プログラム作成
　テストバージョンとして、システムクロックを1.2MHz、ブザーの周波数を4KHzとして作成。大まかな骨組みはChaNさんのCircuitTesterを参考にした。システムの基底タイミングは、ある考えによって125ms（1/8秒）とした。
　ブザーの周波数を4KHzにしたので、timer0はCTC動作で8KHz（125us）でOC0Aはトグル動作させる。また125us毎にOC0A割り込みを発生させる（ちょっと早い気もするが）。
　パワーダウンモードからの復帰には、PB1～３のONによるピンチェンジによる。
　大きな動きとして
　①システム全体の初期化
　②一旦パワーダウンモードに
　③スイッチ１～３のON（ピンチェンジ検出）でパワーダウンから復帰。
　④スイッチの状態で時間を決定し、時間計数動作
　⑤終了ブザー制御
　⑥時間計数後に②に戻る。無限ループ。

　動作中にインディケートするLED等がないので、動作中を示すように５秒毎に音を鳴らすようにしている。また、何分のタイマーかも示すように、時間設定によって鳴動パターンを変えている。鳴動パターンは1/8秒単位で一秒分断続する形にした。
　スイッチと設定出来る時間と鳴動パターン

鳴動パターン　Hで鳴る、Lで無音
「+SW4」はSW4を押しながら他のスイッチを押す

　OC0Aの割り込みを１０００分周して125msのシステムタイミングにしている。システムタイミングは割り込みルーチンで直接操作せず、フラグのみ渡している。
　最初はシステムクロックを1.2MHz にしていたが、一段落として600KHzにした。600KHz未満の周波数では、ブザーを８KHｚ（125us）にするとTimer0の設定値が割り切れなくなるので使用できない。
　Timer0の設定値＝125uSｘシステムクロック＝125uSｘ600KHz＝７５（実際は７５－１）
　ブザーの鳴動制御は、Timer0のTCCR0AのCOM0A0ビットでON/OFFしている。COM0A0ビット=1でOC0Aトグル出力、COM0A0ビット=０でPBO出力。PB0はL固定なので、ブザー周期のバースト出力とL出力が切替えができる。
　ちょっとソフトプリスケールの分周比を間違ったりしてたけど、それなりに動作。一発動作とは言わないが、三発くらいで動いたのでいい気になっていたら、はたと気づく。
　時間計数動作をキャンセルできない。
　間違って設定したときに、その時間待つなんて出来ないよね。
　ここからがたいへんなのであった。

■苦闘？
　キャンセル操作として、再度いずれかのスイッチが押されたらキャンセルとするとした。
　ただ、これがちと面倒くさい。パワーダウンから復帰と時間設定で押されたスイッチが一旦離された（OFF）ことを検出しなければならない。あるいはスイッチONのトリガーだけを検出出来るようにするか。ONトリガーを検出するための方法は手持ちにあるが、システムタイミングが125msではちょっと長い。
　OC0A割り込みに別のソフトプリスケーラを組み込んでキースキャンに具合の良いタイミング（20ms）を作り、そこにトリガー検出のキースキャンを入れる。このルーチンのロジックは昔から使っている方法で、一つ前の状態と今の状態からチャタリング除去とトリガー（立ち上がり）検出が行える。
　動作させたところ、おお、ちゃんとキャンセル出来る。うんうん。
　じゃあ消費電流を確認しとくかと測ってみると、パワーダウンモードになってない（動作電流が500uAで、パワーダウンで0.5uA未満なので、なんとかテスターで測れる）。
　なんで？　その辺りは弄ってない。見た目の動作はするけど、肝心なパワーダウンしないの困る。
　Timer0の周期を一段落として250KHzにもしてみたが、圧電スピーカーの周波数が2KHzでは音が小さくなりちょっと使えない。
　スイッチの全部OFFを監視しても、誤動作することが多くてダメ。
　鳴動パターンは変えたくないので、システムタイミングは125msから変えたくない。
　
　どうやら、システムクロックの600KHzに対し、OC0A割り込み周期が短いため割り込み処理は75クロックを超えるのは不可なのに、それを超えることがある割り込みルーチンを書いていたことが原因っぽい。割り込み処理中に新しいOC0A割り込みが発生するけど、割り込み処理中なので許可されず、割り込みルーチンから復帰でメインループを一命令だけ実行してまた割り込みルーチンという動作なのだろう　。で、SLEEP命令のときに割り込みがかかるとどうなるかはデータシートを見ても不明。
　小手先は止めて、根本的に修正。
　ソフトプリスケーラを25ms周期に変更。以前あったdelayカウントやキースキャン処理は無くし、他の動作はしない。
　メインループは二重にし、一段目は25mSのループ、二段目は一段目の５倍の125msとした。１段目はキースキャンを組み込み、２段目は以前と同じシステムタイミングを制御。これでなんとかキャンセルも効き、パワーダウンモードに入れるようになった。

■もうちょっと工夫
　ちょっと使ってみて不便かもと思ったのは、動作中の時間経過がわからない点。表示が無いので残り時間は表示出来ないが、一工夫してみる。動作中のブザーの間隔を変えてみよう。
　残り１分未満→２秒間隔
　残り２分未満→３秒間隔
　残り３分未満→４秒間隔
　残り４分未満→５秒間隔
　残り５分未満→６秒間隔
　残り６分未満→７秒間隔
　残り７分未満→８秒間隔
　残り８分未満→９秒間隔
　残り９分未満→１０秒間隔
　という感じで。

　最小間隔を１秒にしていないのは、鳴動パターンによっては判別出来なくなるため。

■プログラムソース
　まだバグが残っているかもしれないけれど公開版

　使用状態　ROM 87.9% RAM 12.5%

　chk_keyのロジックは、本来はもう一弾遅延させてエッジ抽出しているが、周期が25msと長めなので遅延一段でチャタリング除去とエッジ抽出（ONエッジ）を行っている。今の所は動作に問題は無いが、スイッチが劣化すると問題が出るかもしれない。ちなみにエッジ抽出のロジックを変えるとOFFエッジの抽出もできる。OFFエッジがわかれば長押し対応もできるはず。本来は１０～20msの周期割り込み中でつかっている。トリガフラグはアプリケーション側が取得時にクリアする必要あり。
　１段目のループの終端に気休めにアイドルモードしているが、どれくらい効いているんだろうか。
　メインの計数ループと同じような２重ループがあるが、こちらは終了ブザーの制御部分。鳴動パターンHLHLLLLで、５秒間ブザーを鳴らす。
　計数時間と鳴動パターンは、<avr/pgmspace.h>でプログラムメモリ上に配置した。あまり有り難味はないが（笑）
　 ↑この辺は、今のAVRstudioではどうなん？
　一応電流値
　ブザーon0.53mA
　ブザーoff0.35mA
　パワーダウン時0.4uA未満
　安いデジタルテスターなので、ブザー鳴動時には瞬間的にもっと流れている可能性があり。
　オシロが壊れてしまったので、タイミング等は未測定です。タイマー時間に誤差があるかも。

　ちなみにこの回路では、ISPの信号線とブザーが繋がっているので、ISPするとガーガー音がするよ。
　
　コンパイル、書き込みはAVRstudio４を使用。
　これはISPプログラマの古いやつしか持っていないから。プログラムもそれに合わせて書いた。
　パチもんmk2を買った方が良いですか？

■操作説明

　白 ３分タイマー
　黄 ４分タイマー（最近、この時間のカップ麺があるので）
　オレンジ ５分タイマー
　青 このボタンを押しながら他のボタンを押すと＋3分されます（パスタモード）
　 　このボタンだけではパワーダウンモードは解除されません。

■追加な思案
　電流を抑えるために出力はブザーだけにしたが、高輝度LEDなら数mAで結構明るいのでLEDを追加しても良いかもしれない。空いているポートがないので、ブザー出力と兼用するか、ISPを使わずパラレル書き込みでPB5を使うか。ただブザー出力と兼用すると、シンク接続では論理が逆だし、シンク／ソースどちらでもVoh,Volが変化してブザー音量に影響が出るだろう。ブザー出力と兼用するなら、デジトラ等で反転バッファした方が良いかも。
　平均電流としては、高い周波数で動かしてさっさとアイドルするのと、低い周波数でチンタラ動かすのと、どっちが有利なんだろうか。
　ユニバーサル基板で組んだけど、ケースどうしよう（笑）。使う環境が水分が多いだろうしなあ。３Dプリンタが欲しい。あ、ようつべで見たホットボンドでスマホのケースを作る方法を流用してみるか。
　プリント基板を作る予定は無しですよ。

■保護カバーを作成
　流石に剥き出しのままでは良くないので、絶縁と配線を保護するためにケースと言うかカバーを作ってみた。
　以前Youtubeで見た方法で、スマホをラップで包み、その上からホットボンドで形成する。平面は凸凹するけど、スマホでは逆に滑り止めになって良いみたい。

　で、作ってみた。結構、メルターの動かし方とボンドの流量のコントロールが難しい。縁で裏面から表面に向けてのフックになる部分がうまくできない。スマホの様にある程度厚みがある方が良いのか？　でもフックの部分を大仰に作りすぎると、ホットボンドが多少伸縮性があっても、はめ込む時に苦労しそうだしね。
　Youtubeで使っていたラップの材質が違うのか、ラップが上手く剥がれない。本体に引っ掛ける部分が、思いの外弱そう。まあ、ホットボンドだから修復は簡単だけれど（笑）
　絶縁と配線の保護が目的で、防水は考えていない。防水を考えると、スイッチやブザーから考えないとダメだろうし、水かぶったら自分で治す、それが自作のいいところ。
　黒のマジックははめ込む方向を示したマーク。

　保護カバーをはめたらこんな感じ。不格好すぎるが、使うのは自分だけだ（笑）。これでステンレスのシンクに置いても平気。