ご覧いただきありがとうございます。久しぶりの電子工作です。マイコンで音を作り出すピアノキット、ELEKIT ミニ・グランドピアノを作ってみましたので、レポートいたします。2オクターブの音域で自分で鍵盤を弾くことができ、弾いた曲を記憶され再生することができます。さらに、15曲が内蔵されていて再生可能です。音色も4種類用意されています。
製品の詳細については、(株)イーケイジャパンのこちらのページで紹介されています。この記事では、はんだ付けがうまくいかなかった事例と、このキットで使われている電子回路についての考察を中心にご紹介していきたいと思います。説明書通りに作れば動作しますが、併せてこの記事の電子回路についての考察を読んでいただくことで、各回路がどういう役割なのか、実体験とともに理解が深まると思います！
キットの概要
ではさっそく、キットの中身を確認していきます。
こちらが大きめの部品たちです。片面パターンの基板と、ピアノカバー、ピアノアーム、スピーカ、電池ボックスなどがあります。
こちらは小さな部品たちです。いくつかの袋に分けられています。たくさんあるスイッチには予備が入っていましたが、多くは予備は無いので、無くさないよう注意しましょう。
はんだ付け練習用の基板と抵抗も入っていました。はんだ付け初心者の方はまずこれで練習しましょう、とのことです。はんだ付けのコツや注意点が解説されている「トラの巻」も入っていました。
作ってみました
詳しい説明書があるので、その手順に沿ってひたすらはんだ付けしていきます。小さすぎる部品はないので付けやすいですが、ランド間が狭い場所があるのではんだの付け過ぎには注意です。
はんだ付け完了するとこのような状態になりました。この後は機構部品を組み立てていきます。こちらも説明書通り進めれば無理なく進められます。
完成形がこちら。電源を入れてLEDが点灯したので一安心です。
はんだ付けの過程で失敗したことがありました。はんだごてに古いはんだが付着しおそらく酸化？して過熱しても取れない状態になったまま作業を進めた結果、パターン剥がれが起きてしまいました😱。写真ではちょっとわかりにくいのですが、回路図を見て空中配線して対応しています。テスターで導通を確認しながら進めて回路的には正しく繋がっているので、なんとか動作しています💦。ここで一旦作業を止め、こてが冷えたら付着物をヤスリで削って綺麗にし、その後は順調に作業を進めることができました。
相変わらずの自分の不器用さに若干がっかりしたものの、なんとか完成し動作確認、仕様通りの音が出出ることが確認できました！🎵🎶
電子回路の技術的な考察
せっかくなので、いくつか技術的な考察をしてみます。このキットの主役になっているのはマイコンdsPIC33FJ64GPというものです。ソフトウェアは予め組み込まれており、どのようになっているかはわかりません。様々な音色が再現できる、演奏を記憶再生できるなど、結構複雑なソフトウェアだと思われます。一方ハードウェアとしては、まず鍵盤や制御のための多数のスイッチがマイコンのポートに接続されています。このほか、電源回路、メモリ、スピーカ出力の回路がそれぞれあります。一応このブログはハードウェア視点で書いているということもありますので、これらの回路について考察していきたいと思います。
※以下回路図は機能のイメージをするためのもので、一部の部品は省略されている場合があります。
【電源回路】
こちらが電源回路です。電源としては単三乾電池3本の直列で約4.5Vを供給しています。ON/OFF機能付きのレギュレータで電源の入力から3.3Vを作っています。電池の消耗が多少進んでも安定して3.3Vを作ってマイコン等へ供給するようになっています。レギュレータはおそらく新日本無線のNJM2396が使われているようです。CNT端子をHighにすることでレギュレータが動作するようですが、ここはスイッチになっており、ピアノアームを立てるとこのスイッチが押されてレギュレータがONになる機構になっています。
【メモリ】
こちらがメモリです。MicrochipのEEPROM 24AA04-I/Pが使われているようです。ここに演奏を記録することができるのですね。マイコンとはI2Cインタエースで接続されています。このI2Cインタフェースは、便利な出力回路 オープンドレイン で解説した構成になっているのだと思います。
【スピーカ出力】
こちらがスピーカ出力の回路です。マイコンのDAC（デジタル/アナログ コンバータ）から出力されたアナログの音声データをオペアンプで増幅してスピーカに供給しています。オペアンプは新日本無線のNJM2073が使われているようです。オペアンプについては オペアンプの特徴を表す 仮想短絡（イマジナリーショート）で解説しているのでよろしければご覧ください。この回路はBTL（Bridge Tied Load）という方法でスピーカを駆動しているようです。DAC出力とオペアンプの入力の間には手で回せる可変抵抗器がついており、この抵抗を調整することでスピーカからでる音量を調整することができます。
まとめ
マイコンで音を作り出すピアノキット、ELEKIT ミニ・グランドピアノを作成いたしました。いくつかの回路について、その動作の仕組みをざっくりと考察いたしました。これまで半導体の動作原理についての記事をいくつか書いてきましたが、実際に回路設計の基本的なところが具体的に体験することができ、とても良い教材だと思いました。
