回路例「CO2センサボード」を設計する

今回は、KICADのArduinoテンプレートを使用して、自作の追加ボード「シールド」を設計する様子をご紹介します。

実際に設計してみよう

設計ボードは検討した結果、ガスセンサを使ったCO2簡易センサシールドにしました。

起動後に新規プロジェクトを作成します。今回はArudionoのテンプレートを使用しますので「ファイル」-「テンプレートから新規プロジェクトを作成」を選択します。

テンプレートの基にするマイコンタイプを選択します。今回はArduinoUnoを選択して、OKボタンを押します。

プロジェクトファイルが出来たら、回路図エディターを開いて編集を開始します。

右上にテンプレートファイルで読み込まれたコネクタが配置されています。

各自で作業がしやすい場所に移動する等してから編集を続けます。

Arduino対応ボードを設計するのであれば、このコネクタの情報は基本的に変更する必要はありません。各ピン部分に信号ラベルを利用して、これから追加する回路と接続していきます。

最終的に未使用になったピンは、未接続フラグの追加を忘れない様にしましょう。

ガスセンサ「MG-812」

今回CO2選出に使用するガスセンサは「MG-812」を採用しました。センサ単体以外にも各種マイコン用の組立キットが各社からも販売されていますが、今回はセンサ単体を搭載する様に設計を進めます。

このセンサを使用する際、初めて電源を投入した直後は数時間程度の間は出力が安定しません。場合によっては1日以上待つこともありますので即座に故障?と疑わずにしばらく通電させて様子を見て下さい。

MG-812のシンボルはKiCADの標準ライブラリ中に見つける事が出来ませんでした。

提供されているセンサのデータシートを入手して、KiCADのシンボルエディターを利用して対応したシンボルを作図、ライブラリに追加します。

ガスセンサの信号出力は大変小さいので、オペアンプを追加して増幅した信号をArduinoのアナログ入力ポートに接続します。

今回設計した回路では2回路入りのオペアンプを使用していますが、1段増幅で充分と考えたので2回路目は未使用にしました。

RGBカラーLED「OSTA5131A」

取得したセンサの値で何を表示するか?は悩むところです。今回はLCD等の文字表示は省略し、RGBのフルカラーLEDを二つ並べて、大まかに色の変化で表示できる様にしてみました。

「OSTA5131A」は色ごとに独立して制御するタイプのカラーLEDです。

マイコン内蔵型と比べ使用する信号線の数が多くなるのが難点ですが、単純な命令で制御できる利点もあるので用途によって使い分けると良いでしょう。

カラーLEDはKiCADのライブラリ中にも一部登録されていますが、今回はこちらもシンボルを新規に描いたものを使用してみました。

今回の回路では2個並べて使用してみたいと思います。

時々、マイコンを使用してLEDを制御する解説記事で

「マイコンは流れる電流が少ないから、LEDを制御する時は抵抗を入れなくても大丈夫」

という内容を書いているケースがありますが、↑これは間違いです

機種やマイコンボードによっては、内部にもあらかじめ制限抵抗が内蔵されている場合などもありますが、「流れる電流が少ない」のではなく「流せる許容量が少ない」のであって、LED直結は確実にマイコン半導体への負担になります。寿命の短縮や故障の原因を避ける為にも、LEDには必ず計算した電流制限抵抗を追加する習慣を身に付けましょう。

ガスセンサを一つ、オペアンプで増幅した信号をアナログ0番ポートに入力。

PWM出力が出来るポートを利用して2つのカラーLEDを制御する様に回路を構築します。

回路の構築が出来たら、フットプリントエディターを使ってガスセンサとカラーLEDの技術資料を見ながらそれぞれのフットプリントも作図、ライブラリに登録します。

フットプリントを割り当てて、PCBエディターに読み込みます。

ここでちょっとしたバグ?ハプニングが起きました。

回路図エディターで設計中にアノテーションをやり直して、コネクタの番号を新しく付け直しました。その状態でPCBエディターに変更を反映したところ、上図赤〇で囲んだ様に、コネクタやパッドが二重に読み込まれた状態になりました。

コネクタ番号の古い方=テンプレートで読み込んだデータのキャッシュが、その後の反映から切り離されてしまった様です。

コネクタ番号をよく見て確認して、新しい方を残して古い方を削除する事で問題を解決することが出来ました。最新バージョンでも時々こういった誤動作を起こす事がありますので、慌てずに問題部分を修整して設計を進めていきましょう。

今回は全部手作業の半田付けで組立てる基板として設計しています。そのため各部品のパッドには充分な大きさがあります。アナログ出力のセンサに充分な電流が流せる様に「プロパティから配線を太く調整する」「ティアドロップを追加する」等、余裕のある配線作業をする事が出来ました。

配線まで終えたら、ガーバーデータを出力してPCB製造サービスで実際にボードを作ってみたいと考えています。

「惚れて通えば千里も一里」と言う言葉も・・・

あちこちでセミナーも開催される様になってきましたので「これからKiCADを覚えたい」と言う人には、ぜひ一度最寄りで開催されるセミナーに参加してみて頂きたいと思うのですが、注意して欲しい点として「いきなり高密度実装の設計に着手しない」事は常に伝えていきたいと思います。

使い始めの間は比較的単純な回路を設計し、完成までの操作に慣れる経験を複数積んでから高密度、高度な回路設計に着手する事で結果的に効率よくCADの使い方も上達する事が出来ると思います。

今後も同様の回路設計事例を紹介していきますので、ご覧頂ける皆さんの練習材料として活用して頂ければ幸いです。

ABOUT KiCAD MASTER

KiCADの達人
KiCAD歴15年程度。雑誌記事や教育用テキストの執筆経験等複数あり。私大電気電子工学科での指導とフリーランスエンジニアを兼業しながらFab施設の機器インストラクターや企業セミナー講師を歴任し、KiCADの普及と現代の働き方に対応した技術者育成に務める。