はじめに

　兵庫県立大学天文部では2016年度にプラネタリウムのエアドームの製作，2017年度に投影機の製作を行った．投影機は過去のピンホール式プラネタリウムの恒星球（投影する恒星の等級に応じた穴をあけたもの）をそのまま利用することにし，電気系統やギヤ部分の製作をメインに行った．ここでは投影機の電気系統・プログラムについての解説を行う．

システムの概要

　プラネタリウムのシステムの概要を以下の図に示す．投影機とコントローラーは無線で接続されている．投影機は主に４つの機能を備えている．ステッピングモーターの駆動，EX球の点灯，RGBLEDの点灯，無線通信を行うことができる．

使用部品

• 投影機本体
  • マイコン
    • mbed NXP LPC1768評価キット
  • 電源
    • スイッチング電源ボード　ＤＣ５Ｖ２０Ａ　出力１００Ｗタイプ　ＶＳ１００Ｅ－５
    • 低損失レギュレーター　３．３Ｖ２Ａ　ＰＱ３ＲＤ２３
  • ステッピングモーター
    • ＤＲＶ８８３５使用ステッピング＆ＤＣモータドライバモジュール
    • バイポーラ　ステッピングモーター　ＳＴ－４２ＢＹＨ１００４
  • EX球
    • EX球
    • １２ビット２ｃｈ　ＤＡコンバータ　ＭＣＰ４９２２－Ｅ／Ｐ
    • ２回路入単電源オペアンプ　ＮＪＭ１３４０４Ｄ
    • ダーリントン・トランジスタ　２ＳＤ１４１５Ａ
  • RGBLED
    • ３ＷハイパワーフルカラーＲＧＢＬＥＤ　ＯＳＴＣＸＢＣ１Ｃ１Ｅ
    • Ｎｃｈ　ＭＯＳＦＥＴ　ＢＳ１７０
    • ＰｃｈパワーＭＯＳＦＥＴ　２ＳＪ６８１　６０Ｖ５Ａ
  • XBee
    • ＸＢｅｅ　ＺＢ　Ｓ２Ｃモジュール　ワイヤーアンテナタイプ
  • その他
    • 抵抗器，コンデンサ等

• コントローラー
  • マイコン
    • ＳＴＭ３２　Ｎｕｃｌｅｏ　Ｂｏａｒｄ　ＳＴＭ３２Ｆ３０３Ｋ８
  • 電源
    • 低損失レギュレーター　３．３Ｖ２Ａ　ＰＱ３ＲＤ２３
  • ADC
    • スイッチ付　小型ボリューム　１０ＫΩＢ
  • スイッチ
    • トグルスイッチ
  • XBee
    • ＸＢｅｅ　ＺＢ　Ｓ２Ｃモジュール　ワイヤーアンテナタイプ
  • その他
    • 抵抗器，コンデンサ，LED等

ステッピングモーター

　投影機の恒星球を回転することで，天球の回転を表現することができる．回転のために使用したモーターはステッピングモーターである．ステッピングモーターはパルス信号で正確な位置決めをすることができ，音も静音であるため，プラネタリウムには適している．使用したステッピングモーターはバイポーラタイプのＳＴ－４２ＢＹＨ１００４，モータードライバにＤＲＶ８８３５を使用した．ステッピングモーターを動かすための関数を以下に示す。void stepper(void)は100usごとに繰り返しタイマー割り込みが行われる．コントローラから受信してきた配列の値data[0]の大きさによって回転スピードの調整ができ，data[0]が大きいほど早くなる．

DigitalOut APHASE(p5);
DigitalOut AENBL(p6);
DigitalOut BPHASE(p7);
DigitalOut BENBL(p8);
uint8_t data[4];//受信した配列の値

/*100usごとに繰り返しタイマー割り込みする*/
void stepper(void)
{
    static unsigned int cnt = 0;
    static int i = 1;
    static int delay = 1000;
    
    delay = (255 - data[0]) + 10;

    if((++cnt > delay) && data[0]!=0)
    {
        AENBL = 1;
        BENBL = 1;
        switch(i)
        {
        case 1:
            APHASE = 1;
            break;
        case 2:
            BPHASE = 1;
            break;
        case 3:
            APHASE = 0;
            break;
        case 4:
            BPHASE = 0;
            break;
        }
        
        if(++i==5)i = 1;
        cnt = 0;
    }
    else if(data[0]==0)
    {
        AENBL = 0;
        BENBL = 0;
    }
}

投影機のギヤの部分を以下の図に示す．ステッピングモータは図中のアルミ板の裏から接続されており，ギヤを介して恒星球を回転させる。

EX球の駆動回路

　ピンホール式プラネタリウムの光源としてEX球がよく用いられる。EX球はフィラメントがとても小さく，点光源に近い．そのため，綺麗な星像を投影することができる．五藤光学研究所が販売しており，一個1000円で手に入れることができる．EX球は口金E10のソケットを使えば，豆電球と同じように点灯させることができる．ただし，定格が２Ｖ２Ａであるので，それに合わせて回路を設計する必要がある．
　よく用いられる方法として，可変抵抗で調光する方法がある．2V以上の電源に可変抵抗とEX球を直列に接続して，分圧させることで適切な電圧をEX球に印加する。この方法の欠点として，調光するときに人が可変抵抗の大きさを変更する必要がある．そのため，マイコンから調光することができない。
　LEDをマイコンで調光する方法として，PWMがよく用いられる。PWMはパルス波を与えて，LEDを連続でON・OFFさせて，あたかも明るさが変わったかのように見せる方法である。この方法をEX球にも適用すれば調光ができると考えられる．
　ここで，マイコンから電圧を変化させることでEX球を調光させる方法を提案する．マイコンから任意の電圧を出力させる方法としてDAコンバータ(DAC)がある．しかし，一般的なDACは大電流を流すことは難しい．そこで，エミッタフォロワ回路を利用する．エミッタフォロワは電圧の変化がほとんどなく，電流だけを増幅させることのできる回路である．しかし，ベース・エミッタ間電圧Vbe（約0.65V(ダーリントン・トランジスタでは約1.3V)）によって出力電圧はVbeだけ小さくなってしまう．EX球に印加する電圧は最大でも2VであるのでVbeの影響は非常に大きい．そこで，以下の図のような電流ブースト回路を用いる．この回路では，オペアンプを使ってDACの電圧Vdacをベース・エミッタ間電圧Vbeだけ大きくしてベースに出力するようなフィードバックをかけている．そのため，VoutはVdacと同じ大きさにして出力させることができる．

　使用したDACはＭＣＰ４９２２－Ｅ／ＰでSPI通信で動かす．以下にMCP4922を動かすためのプログラムを示す．void LightBulb(void)は50msごとに繰り返しタイマー割り込みが行われる．EX_MAXの値を変えることで，出力する電圧の最大値を変更することができる．

SPI spi(p11, p12, p13);//mosi(SDO), miso, sclk
DigitalOut CS(p14);
DigitalOut LDAC(p17);
uint8_t data[4];//受信した配列の値

void spi_write(int config, int mask, int value)
{
    int spi_data;
    spi_data = config | (mask & value);
    CS = 0;
    LDAC = 1;
    spi.write(spi_data);
    CS = 1;
    LDAC = 0;
}    

void LightBulb(void)
{  
    static int mask = 0b0000111111111111;
    int config;
    int value;
    
    static int EX_MAX = 1638;

    config = 0b0111000000000000;
    value = EX_MAX * (data[1] / 255);//12bit(0-4095)で0-VREFだけ出力
    spi_write(config, mask, value);
}

RGBLED

　投影機では３つのRGBLEDを任意の色をそれぞれ出力できるようにしている。このLEDを室内灯として用いる．LEDの明るさはPWMで調節している．今回使用したマイコン(LPC1768)のPWMを利用できるピンは最大で６本しかない．RGBLEDを３個を別々の色で調光しようとすると，合計で９本のPWMが必要になる．そこでPWMピン３本とGPIOピン３本を使って，各RGBLEDについてダイナミック点灯を行った．また，使用したRGBLEDは表面実装型であるが，ちょうど良い基板が見つからなかったので，以下の図のようなプリント基板を製作した。

XBeeによる無線通信

　投影機本体とコントローラーとの無線通信を行い，モーターの回転スピードや星の明るさなどの命令を送信している．無線通信はXBeeを使うと簡単に実現できる．XBeeとマイコンの通信にはシリアル通信を利用する．具体的な流れとしてはコントローラ側で複数の可変抵抗の値をAD変換でそれぞれ読み取り，配列に保存する．シリアル通信で一度に送信できるデータ量は最大で8bitである．そのため，上位5bitを配列の値，下位3bitを配列の要素の値として符号化を行い送信する．

/*floatの値data_f(AD変換で得られた値(0-1))とintの配列の要素indexを引数として，上位5bitを配列の値，下位3bitを要素の値として符号化して返り値とする*/
uint8_t ChannelCoding(float data_f, int index)
{
    uint8_t tmp;
    tmp = data_f * 31;//floatの値を5bit(0-31)の値に変換
    return ((tmp << 3) | index);
}

/*受信したデータCodeWordを引数として，配列の値と要素の値indexに分割し，グローバル変数で宣言した配列に代入する*/
#define MAX 4
uint8_t data[MAX];
void ChannelDecoding(uint8_t CodeWord)
{
    int index;
    index = CodeWord & 0b00000111;
    if(index<MAX) data[index] = CodeWord >> 3;
}   

　実際の使用では通信路でノイズが付加され，スパイクノイズのように現れる可能性がある．このため，過去に受信された情報を保存しておき，中央値をとるようなメディアンフィルターを通すことで，ノイズの除去をしている。

プログラム

投影機本体とコントローラーのプログラム

過去の記録

過去の先輩方の記録

• ある天文部員の日記 プラネタリウム製作記　恒星球編　その1
• ある天文部員の日記 プラネタリウム製作記　恒星球編　その2
• ある天文部員の日記 プラネタリウム製作記　恒星球編　その3
• ある天文部員の日記 プラネタリウム製作記　恒星球編　その4
• 天体写真とか・・・ プラネタリウム制作記電気系等編No.1
• 天体写真とか・・・ プラネタリウム制作記電気系等編No.2
• 天体写真とか・・・ プラネタリウム制作記電気系等編No.3
• 天体写真とか・・・ プラネタリウム制作記電気系等編No.4
• 天体写真とか・・・ プラネタリウム制作記電気系等編No.5
• 天体写真とか・・・ プラネタリウム制作記電気系等編No.6
• 天体写真とか・・・ プラネタリウム制作記電気系等編No.7
• 天体写真とか・・・ プラネタリウム制作記電気系等編No.8
• 天体写真とか・・・ 投影機製作途中経過No.1
• 天体写真とか・・・ 投影機製作途中経過No.2
• 天体写真とか・・・ 投影機製作途中経過No.3
• 天体写真とか・・・ 投影機製作途中経過No.4
• 天体写真とか・・・ 投影機製作途中経過No.5
• 天体写真とか・・・ 投影機製作途中経過No.6
• 天体写真とか・・・ 投影機製作途中経過No.7
• プラネタリウム 投影機電気系統について