シリアルLED WS2812と加速度センサーを利用した迷路ゲーム

2019年3月
ひょんなことから入手したWS2812パネル。センサーと組み合わせてゲームを作りました。 WS2812の制御プログラムを自作することと、加速度センサーをアナログ入力デバイスとして利用してみることが目的です。 回路図とプログラムを公開しています。
【参考】　6軸センサーMPU-6050動作テスト

WS2812について

WS2812の詳細についてはデータシートで確認してください。 LEDを点灯させるにはHi/Loのパターンで0と1を表現し、RGB:24bitのデータを送ります。 ただしタイミング（Hi/Loの長さ）にクセがあり、注意が必要です。
0/1の表現についてそれぞれHi+Loの長さが違いながらも、どちらも1.25us+-600nsに収めろとのこと。 しかしそのようなプログラムを書いてもイマイチ上手く動作しなかったので（点いたり点かなかったり変な色だったり）、 データシートの値を参考に、実際に試しながら上手く動作する値を決めました。



いずれにせよマイコンATmega328Pの内蔵8MHzでは遅いので16MHzのセラロックを使いました。
また、WS2812の電源電圧は仕様上5Vですが、3.3Vでも動作することが分かりました。その場合、緑が強く発色します。 例えばRGB=FF,FF,FFで緑っぽい白になります。緑成分を1/2にすると(RGB=FF,80,FF)、期待通りの白となります。その他の色も違和感ありません。
3.3V動作にすると、5V動作よりまぶしくない、消費電力が抑えられる、というメリットがあります。

回路図と配線図

回路図

• 電源は乾電池3Vを3.3Vに昇圧。全体で180mA程度流れます。
• AE-XCL102のIN同士、GND同士はそれぞれモジュール基板上で接続されています。
• ATmega328Pを16MHzで駆動するには3.75V以上が安全圏です。ここでは3.3Vで駆動しています。
• 外付けクロックはセラロックで精度的に十分です。
• MPU-6050モジュールにはI2Cのプルアップ抵抗が実装されていますが、今回の工作では上手く動作しなかったので10kΩを外付けしました。 ※I2Cあるある。

• 電源コネクタについて。写真のようにライトアングル型のピンヘッダを実装したところ、ソケット（QIコネクタ）が横に出すぎて基板がケースに収まりませんでした。 そのため、後にストレート型のロープロファイルのピンヘッダに変更しました。図は修正後のものです。また、電池側はピンソケットを使うことにしました。
• マイコンを載せたまま書き込みができるよう、電源を含む6ピン分のソケットを実装しています。
• AE-XCL102は裏面に記載されたピン名が見えるよう、裏返して実装します。図で6ピンICソケットの右上が1番ピンとなります。
• MPU-6050モジュールのピンは1列ですが、図では大きさを確認するためDIP型のICソケットを置いています。

組み立て／完成

100円ショップで売っている、スマホゲーム用コントローラースタンドに収めました。 基板等を載せる台はプラ板、プラ棒、両面テープで作成しています。 LEDがまぶしいのでカバー兼用で塩ビ板をかぶせています。

MPU-6050と基板の接続
高さを抑えるためにロープロファイルのピンヘッダ、ピンソケットを使います。 入手が難しければ、基板側は1列ICソケット、モジュール側は細ピンヘッダでもよいです。

WS2812と基板の接続
WS2812の裏面にライトアングル型のピンヘッダを取り付けます。 基板側にも同じピンヘッダを取り付けます。それらを両端がQIコネクタのケーブルで接続します。

電池ボックスと基板の接続
電池ボックスと基板の接続はXHコネクタが定番です。 今回は手持ちがなかったのでロープロファイルのピンヘッダ、ピンソケットを使用しています。

動作の様子

部品について

AE-XCL102
秋月オリジナルの昇圧型DC/DCモジュールはこれまでにいくつかありました。 しかし、いずれも比較的短期間で販売終了となっているようです。 代わりとしては、3V→3.3V、200mA程度取り出せるものなら何でもよいです。

WS2812
実はAliExpressでセンサー類を注文したら誤配送でこれが届きました。 返品する必要がなかったので、何か作ろうと考えて今回の作品になりました。 複数枚のパネルを接続して、より大きなパネルにすることもできます。
後に判明したのですが…　WS2812Bという品種があり、電源電圧と0/1コードを表現するHi/Loのタイミングが違います。 もしかしたら本工作で使用しているものはWS2812Bかもしれません。

Xtal
16MHzのセラミック振動子（ムラタのセラロック）を使います。 内蔵負荷容量（15pFや30pFなどあり）は気にしなくてよいです。 本工作では30pFのものを使用しています。