サイクルとシフトレジスタ回路

シフトレジスタ回路を組み込むことで、日照センサーが昼夜のサイクルを2日に伸ばすことでその間に作物を育てる。シフトレジスタ回路はレッドストーンリピータに横から動力を流すとロックが掛かって、動力が流れなくなる性質を使って、ボタンやレバーの動力をパルサー回路で2チックの間隔だけ流れるようにすると、ロックが一瞬解除されて、ロックが掛かっている隣のレッドストーンリピーターが点灯した状態を保持できるようになる。これによってボタンを押した回数を保存して、リピータの数の分だけの回数に一度動く回路を作ることができる。回路は3回繰り返すようにして、0→1→2→3の4段階のサイクルを繰り返す。昼夜のサイクルが2回あるので、2日分のサイクルになる。棚田の堤防が開くのは2日目の夜になる。昼夜のサイクルは10分ずつあり、1日は20分で繰り返される。堤防が開くのは40分に一度開くことになる。昆布の時計にしても良かったが、成長のスピードが不規則であったため、どれだけの間待てばいいかが分かりにくかった。その点シフトレジスタ回路では、一つのランプの位置がずれるごとに10分になることが分かるために、おおよその時間を測る目安になった。また、一度保持した点灯段階をリセットするには、動力をカットするのではなく、NOT回路と既存の回路の動力を同時に切り替える必要があり、Googleでシフトレジスタ回路の事例を検索してみるとTAIHARUのマイクラ攻略にリセット回路を組み込んだ事例があった(参考:https://taiharu.com/2018/05/24/2511/2/)。リセットするときはロックを外したタイミングですべてのリピーターにNOT回路を流すことで、ランプが消えてリセットされる。レバーだけでなく、ボタンに替えてもリセットは機能したけれど、ONにするとOFFの信号を流すNOT回路と、一時的にONとOFFを切り替えるパルサー回路をアレンジすることは難しかった。動画にも事例があったが、リセットボタンは組み込まれてはいなかったために、ボタンを押して所定の位置までランプが付く動作を繰り返す必要があった。

アクアリウム

試行錯誤からかmineCraftで昆布を栽培する水槽をいくつか作っていた。昆布のブロックはゆっくりと水面に浮かんでくるが、すべて浮かぶとは限らず、いつくかは沈んだり引っかかったりする。いくつかパターンがあるが、一つは水槽に水を張って、ある程度の高さで収穫して、上からホッパーに水を張って流すかたち、もう一つは昆布のブロックが水流を成長に応じて新たに水流を一ブロックつくる。昆布のブロックを並べて植えると、川の流れも変わる。水面は傾いているとその方向に流れる、水を水平に張ると安定する。あえてある方角に流れを付けてアイテムを運ぶことも可能になる。スマートフォン版では合間に水流が昆布でかさましすることを活用して、噴水の中に昆布を栽培した。ホッパーは渦巻状に配置して、噴水の流れも左右対称になったところで素早くガラスで覆って外に異物が入らなくしたために、昆布が最大に育ってもアイテムはどこにも引っかからずに流れるようにホッパーを辿って箱に収まっていく。噴水の造形にコツがいるようで、次に作ったモデルでは、ホッパーを節約してホッパー付きトロッコとレールで代用したが、噴水はいびつな形になり、ある程度は流れていくが、いくつかはブロックの間に引っかかるようだ。そこでスライムブロックを3マス分の大きな扉にして、また昆布の水槽に点検用の扉を付けることで、水の中でもアイテムを取り出せるようにした。すると収穫には3マスだけでなく、根っこを残したうえで先端の2マスの昆布を収穫すれば、昆布が生い茂るペースを促進できる。水槽は4マスにすると割にかさばってしまうけれど、昆布のブロックを栽培するスピードはスマートフォン版のほうが短いサイクルで、ハーフブロックの扱いも小回りが利く。ピストンを3つ連続させるモデルはスマートフォンでは複雑になってしまうが、2つ連続するモデルはスライムブロックと間隔を調整しながらも、遅延リピーターとオブザーバーがそれぞれ一つずつで滑らかに動く。そのようにしてピストンはボタンやレバー一つで2マス分の壁が動くようになったけれど、ピストンで一マス動くより視覚的にも縦2列、横5列の壁が2マス動くようにしたため、存在感がある。さらにそこにガラス1マスで水槽を作り、仕切り板が、昆布の収穫用に前後にスライドする。水槽に仕切り板をつけて波を作るのは、ゲームでなくても洗面台でもなんだか水の動きに関心が湧いてくる。

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新しい資源

昆布ブロックには食料だけでなく、燃料にもなるという。昆布は今まで何も無かった海に植生を与え、波の動きで揺らめいている。昆布を採取すると水面に昆布のアイテムが浮かんでくる、一列で栽培して、オブザーバーで検知して一定の高さになったところをピストンで採取していたが、ピストンを2マス動かせるモジュールを2対組み合わせることで、縦横4マスの水槽に蓋ができるようになった、一定の高さまで伸びた昆布を採取して、水流で段階上にホッパーまで流すようにする。ホッパー1機にも鉄鉱石が8個必要になるので、ホッパーは配管にも使えるものの、なるべく節約できれば、ありあわせのものでも代用できて、その分汎用性が改善される。またはホッパーの個所にホッパー付きのトロッコを流す手段も試してみた。スマートフォン版では、水中にトロッコのレールを伸ばすことができ、昆布の水槽にトロッコを内蔵して、その中を走らせるということも可能だった。アニメの未来少年コナンではトロッコの篭に空気を貯めて、水没した遺跡を探検するというシーンがあるが、mineCraftでも水中は長く活動することができないので、水中に空気や資材が補給できる工夫があれば試してみたいところだった。ホッパー付きトロッコにはコンパレーターとNOT回路を組み合わせて、トロッコの積み荷が空になった時にパワードレールが発車するという仕組みにした。また、トロッコは明治時代の産業革命のときには、炭鉱と地上を鉄道が通っていた。ホッパーも今では線路の脇に置いてあるくらいだけれど、資源の配分や計量をする秤のような設備だった。近代化には機関車には石炭が、自動車にはガソリンという化石燃料が必須だった。しかしながら、現代では石炭や石油に代わる再生可能エネルギーが模索されている。そこでどういうわけか昆布が食料でもあり、燃料でもあるという独特の役割になった。鉱物資源の石炭の代わりに、木材からの木炭を使うことで採掘する目的を絞ることができる。とはいえ鉄がレアメタルではないにしても、設備には必要で、繰り返し使えて、熱にも錆にも強いという要件が満たせていたとしても、鉄のもつ頑丈さには物言わぬ存在感がある。鉄筋のような太いものだけでなく、クリップのような細い針金にも鉄の性質が必要とされている分野はいくつかある。

mineCraftのスマートフォン版では、ピストンとオブザーバーで乗り物を動かすことはできないけれど、水を通したパイプは地下深くまでアイテムを運ぶことができる。昆布が伸びるに伴って水流を変えることができるのは、いままでにない現象で、滝を作っていてもそこに昆布を植えているとだんだんと水かさが増してくる。そのことを逆にとらえて、上から下に水を流して、そのなかで海藻を植えると、まるで水が流れる塊になったかのようだった。それによってガラスが無くても水の塊が固定できると思われた、とはいえ水の流れと昆布の採取からやはりガラスが必要になった。粘着ピストンにはガラスがくっつかないように木野はブロックを間に挟んでいる。回路が必要なければ木の葉ブロックでも代用できて、景観も良くなる。とはいえ回路がひつような部分には黒曜石が必要で、粘着ブロックと回路を水平にすることで、通常のブロックでも2マス分展開できるようになった。

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ガジェットと既存のブロック

mineCraftのバージョンが1.14になり、ブロックが増えた、ストーンカッターや溶鉱炉など、中世から近代にかけて産業化を象徴になったようなブロックたちだ。PC版のほうが、バージョンアップが遅いけれど乗り物は1マスずつ動く、工業mod通称forge という拡張パッケージがバージョンアップでは統合されたようだった。またコンポスターという籠状のブロックが加わった、これはピストンにくっ付く上にプレイヤーが乗ることができるので、スライムブロックで移動中に支えを作っていたものが1マスでプレイヤーが乗れる、実際には篭のような物体には、落ち葉などの堆肥を入れて腐葉土を作るための入れ物のようだ、ガイコツのモンスターを倒さないと肥料が得られないような設定だったので、落ち葉をリサイクルして、肥料を作ることができるようになった。スマートフォンのiOS版ではオブザーバーとピストンは連続動作しないけれど、日照センサーがスライムブロックやピストンにくっ付く、レゴのパーツでも大陽電池はあるとレッドストーン ランプをLEDライトのように使える、乗り物には照明が付いていると、夜になって移動するごとに辺りを照らして松明が節約される。しかしながら、バージョンアップでオブジェクトは充実してきたものの、macBookのCPUの熱が上がりやすくなり、今のところ動作が重いのはmineCraftのバリエーション豊かなドットグラフィックと縦と横、奥行きに3次元のように広がるマップをどのように探検できるかが目的にはなる。とはいえ、通常文章を書いたり、グラフィックを見る分には、そこまでスペックを使わない、デスクトップは看板のようにピクセルあたりの画面が大きいのでノートパソコンに比べて電力を消費するものの、仕組みとデータの積み重ね自体はそこまで難しくない、ボタンとパルサー回路は入力して信号を送る点では共通しているが、パルサー回路で動作する信号も体感できるくらいにするには動作を長くしたほうが分かりやすい。一周回ってパルサー回路がボタンに戻ってきた、コンポスターには堆肥だけでなく、プレイヤーも乗れるものの、雨水を貯める大釜もピストンで運ぶことができる。バージョンが更新されても、従来通り使える組み合わせもある。昆布やサンゴ礁や空の透明さは格段に良くなっている。

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LEDの抵抗と回路

白熱電球は、とある物質に電気を流したときに、電子がぶつかって熱と光を出す。その物質は金属かもしれないし、炭素のような有機物、あるいはセラミックのような無機物かもしれない。色々と試行錯誤の末に、日本製の竹の素材がフィラメントに向いていたという。グラファイトという仕組みは、鉛筆の芯より密度があり、金属よりも適度な繊維質があり電気を光に変えやすい。

フィラメントを再現するのに、学校の教材では、電圧は1.5Vで一定だけれど電池の中でも容量が多くA数が大きい、単一電池を6個直列にして使う。すると1.5*6で9V、電流は3A前後になりモバイルバッテリーより大きく、小型のカーバッテリーと同じくらいの電源になる。それでシャープペンシルの芯の両端に電気を通すと、シャープペンシルの芯は30秒から1分くらい眩く光る。その時の光はそこだけ夜が昼になったかのような印象が残っている。LEDの原理も物質に電気を流すと電子が光と熱に変わることは変わらない。その物質ができれば熱を控えめにして、光を多めにするような分子構造であれば、それだけ効率的に夜の闇を削り取って生活圏を開拓することが期待される。

LEDには抵抗電流を踏まえて必ず、LEDと抵抗をセットにすることが通説にはなっている。とはいえ、LEDと抵抗を回路にすると導線と端子が一つずつ増えて分かりにくくなることもある。秋月電子では、初心者向けに抵抗器内蔵のLEDランプがあり、これはarduinoなど基盤ボードのピンにそのままLEDの長い足をGPIOピンに、短い足をいくつかあるGNDに差し込むだけで、動作確認ができる。また、抵抗器内蔵のLEDには、いくつか試行錯誤をしている中で、比較的淡い光の場合は、リチウムイオンなどの3.7v、陰りがなければ5vが出ている、実は仕様書にない12vでも試したが、それでも壊れることはなかった。

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1Aまでの回路の巡り合わせ

今朝から今日にかけて自分でもよく分からない力が作用していた。朝だと思って起きると夜中の2時、また寝ると朝の5時、やや寝つきが良くない。Androidの目覚ましがoffになっており、よく起きられたというところだった。先日には午後9時ごろに、iphone6sが階段に落ちていた。きっと誰かのいたずらだろうと思って初めはスルーして、自販機にコーヒーを買いに行ってみる。一人で考え事をしたかったのでエレベーターには乗らずに、階段を登ってみるとまだ同じiphone6sがそのままになっている。手に取ると電源が入りロック画面にならない、英語がデフォルト画面になっているので、持ち主は日本人ではないようだ。同じ8Fのフロアの人に尋ねたり、外人がいるレターボックスなどを探してみるけれど見当たらない、そこで交番に届けることにした。自分が定期や財布などをもし落としたら、とても不安なので、なるべくは持ち主が見つかるような安全な場所にと思った。おみくじで落し物が早く見つかると運気が良くなるという、しかしながら、毎日がいろいろな巡り合わせの中で成り立っているということが感じられた。
ようやくAmazonのオススメの太陽電池が届いた。秋月電子で買った太陽電池と比べると一回り大きいので、発電ワット数が前後しても、相似しているのかもしれない。内訳は秋月電子が2Wで6Vと333mA。Amazonが2.5Wで5.0Vと500mA。どちらも18250のバッテリーと回路を含めて無印良品のポーチに収まるサイズになっている。また、DROKという中国のメーカーからamazon経由で、3.7Vの電圧を5V1Aに替える基盤を合わせて購入した。前回は5V500mAだったけれど、appleの四角いキューブ型のUSBアダプターに5V1Aと記載があったので、電流が足りないのではと思った。Androidは2A〜3Aで急速充電ができるけれど、500mAでもゆっくりと充電される。しかしながら、だんだんと曇りや夜間と晴れの昼を繰り返しながらリチウムイオン電池に貯めていく頻度と、それを使う頻度の需要と供給のバランスがどのあたりで取れるかということはまだ分からない。太陽電池だけでなく風力でもゆっくりとでもDCモーターを逆に手で回したりすると発電されるというけれど、それが施工できればと思う、回路は意思と試行錯誤とそこからなるべく効率化しようとする中で、まっすぐなようで枝分かれしていた。できれば少ない回路であったほうがいいけれど、だんだんと継続されている。
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日用品と電子部品の実用的な組み合わせを試行する

朝起きて、ポンプのシリコンチップが再起動を繰り返していた。蓋を開けてワイヤーを付け直すして、外出8時間ほど様子を見る。多少不安があったものの帰宅すると問題なく動作していた。土日では夜間に動作が安定しなくなり、原因がわからないままあちこちを直そうとしていた。ホームセンターでは針金と銅線を購入した。そこでうっかりニクロム線の商品袋を落としてしまったので、それも試しに購入してみた。ともかくジャンパーワイヤー の銅線は細く、そこから電気が漏れることもたまにある。基盤にするとブレッドボードの時とは異なり、色々な現実の制約を受ける。基盤ももともとは電気さえ効率的に通ればというところで機能的に作られているものの、多くの基盤は点と線が直線には付いているとは限らず、トランジスタやシリコンチップや各種センサーなどの役割ごとに収縮している。再起動を繰り返す要因としては、いろいろな仮説を立てたりした中で、

  • 基盤の半田の接触
  • ジャンパーワイヤーの順番、接触
  • トランジスタの電流の逆流
  • モーターの磁気

などが考えられる。ジャンパーワイヤー は一度蓋を開けてから再度配線をつなぎ直したり、基盤の半田は電源の+極VCCと−極GNDにLEDランプをつけて、それが点灯されていれば接触が確保されていることになる。初めはLEDランプが蓋を閉めた拍子に掠れたり消えたりしていたので、半田だけでピンが二本だけの折れやすい部位に繋ぐと接触が弱くなってくる。またジャンパーワイヤー も束になっていないと強度が下がる上に絡まりやすく接触も悪くなる、できれば色合いごとに回路と厳密に色分けできればよかったものの、色は多少ばらつきがあっても順番通りに繋がっていればそれで用途は足りる。ジャンパーワイヤー よりホームセンターで入手できる針金や銅線の方が、錆びるというリスクはあるかもしれないが格段に丈夫で切れにくくなる。アメリカではmacBookですら、DCプラグからカーバッテリーに繋いでいたりと、パソコンの回路と導線が日本では想像できないような実践的な方法もある。スマートフォンのバッテリーも薪に火をくべてでダイナモを回して充電するという道具もあるという、しかしながら日本では焚き火ができず、家の中でも可燃物を置けないので、せめて自転車に付いていた照明などは小型のダイナモが付いている、もしそこにUSBなりをつけられれば、移動しながら電力も補給できるし、多少の運動にもなる。もし手でラジオなどのダイナモを回す場合はハンドルの強度がある程度ある必要があり、できえれば両手を使って充電できれば効率は良さそうだけれど、人力で充電するような機器はここ5年くらいタイプが変わっておらず新規参入も少ない息の長い穴場であるように思われた。
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センサーに備わっていた回路を紐解く

土壌湿度センサーを5Vから3.3Vに分圧をおこなったものの、TOUTピンの電圧の変化がアナログで反映されなかった。そこでもともと土壌湿度センサーを作っているメーカーの設計図には、トランジスタと10kΩと100Ωの抵抗の組み合わせでセンサーが作られていることが分かった。それからしばらく回路図を解読するのに取り掛かりが掴めなかった。入力は+極、−極、アナログピンの3本だけれど、設計図ではどれにあたるのかということが感覚でつかめなかった。アナログのピンに掛かる電圧が、水の中や湿った土の中を通ると抵抗器付きの電線を通るように下がったり上がったりする、実際には直接電線をくっ付けると通常の電線と同じ電圧3.3-5Vが流れる。間接的な値にすると、0から1023のうち、30前後が最大になる。5Vのarduinoでは、0から30の値でも端子が水に浸かっているか、土の湿り気の程度が相似しているので、トランジスタが無くても電線と抵抗があればあり合わせの材料でも作成可能という意味合いで、DIYできるセンサーとして取り上げられていた。設計図でもトランジスタの種類が2N3924とある、型番を検索して調べてみると性質がDCモーターで浸かっていた2N2222とトランジスタのNPNタイプで最大60V、200mAと性質がほぼ一致していた。12VのDCモーターを動かすパーツと、2本の金属片からできたほどんど動きがなく、値を測るだけのセンサーの値を増幅するパーツが同じものを使っていることが珍しかった。とはいえ、土壌湿度センサーに内蔵された抵抗器とトランジスタは回路こそシンプルであったものの、指で触れないくらい小型化されていて、5Vのマイコンではトランジスタ不要でも端子になる釘だけでも値が計測できるという説を、鵜呑みにしていると、あたかも土壌湿度センサーがアナログピン付近にかかる電圧と、計測できる値が相似していることから容易に作れると思ってしまった。回路通りにトランジスタの電極を抵抗器と計測ピンにつけてみると、市販されているセンサーよりやや大型になってしまった。しかしながら、トランジスタと抵抗器は個々に値を測ってお店で買い求めると、数十本単位でストックができる。機能的な仕組みを試行錯誤することにでも使わなければ、なんとも勿体無いような気もしている。個人的にはそのようなものでネジやワイヤーもトランジスタや抵抗器のようにストックが必要ではあるが、それらは足りない針金をやりくりしながら、あり合わせで組み合わせている。
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マイコンの設定とありそうでないアイデア

自分なりに計画を立てているつもりが、予想外の事態になると、どうにも手のつけようがない。もともとそこまで自分も大したものでもなかったことを自覚することも必要ではある。しかしながら様々な試行錯誤の中で、その日限りではなかなか目的が達成しにくいこともある。そうした中で、一日にこれだけはせめてやり遂げようと思ったことを重点的に一つ決めて、自分なりにやってみたもののいくつか目標もできた。一つは、5000mAhのバッテリーがLEDの点灯だけでも長くて3日くらいで充電が必要になる。するとスマートフォンはかなり多彩な表示と動きのわりに消費電力が節約できている用でもある。それでももしこれが太陽電池で5Vの一定の電圧を掛けられたらなら、屋外でセンサーを動かして、今までとは違ったものを見ることができる。一方で、ミニブレッドボードにESP8266とボタンを隣同士に組み合わせると電流の流れ方がやや不規則になって、LEDの点滅が逆になっていた。それでもミニブレットボードがリモコンのように使えるかもしれないとも思われたが、macBookのUSBポートの接触にも影響して、IDEのコンパイルのたびに再起動を繰り返していたのでやや不安定なチャレンジになった。サイズ的にはatmega328Pもミニブレッドボートの方がしっくりくるけれど、時計などに付いているクオーツとコンデンサーをそこまで狭い場所に設置するノウハウがないので、多少精度は変わるけれど、クオーツとコンデンサーを一つにしたセラミック振動子にして部品を一つ節約することで、ブレッドボードに組み込んでみようと思う。しかし、ブレッドボードからさらに基盤にする際にも、理想的には左右14本のピンの順番と、電源+、電源-を覚えていればよりスムーズとも思えるけれど、ひとまずは何か形にしてから初心者でも分かりやすいようなノウハウを見つけていきたい。自分でも備忘録を書いて、なるべく簡潔に思い出せるように工夫しようと思う。シンプルに考えると、なぜかうっかりすることもしばしばある。かつて高校の時には数学ではこの上なくシンプルに数式が書けるところまで到達したけれど、すると読み書きそろばんが頭痛を伴うようにもなって、そこで自分がもし具合が悪くなっても、引き継ぎができるような準備も合わせて行っておくべきという考えになった。それもいずれも思い過ごしになっているけれど、自分だけでできることもあまり多くない。
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電気回路の試行錯誤

抵抗付きLEDは、初めはあまり玄人向けでなかったので、あまり気が進まなかったが、もともとLEDは電気が通じているかどうかを確認するためのツールとしても使える、そこでうっかり抵抗を付け忘れて回路がショートしないための工夫になり1本少ない配線で賄える。回路はショートしないにしても、青色に比べると、赤や黄色は比較的LED自体が故障しやすく、特に黄色は持ち合わせがなくなってきていた。緑は通常のLEDでは光が青色に比べるとやや淡いので、表現には良くても、電気の疎通を調べにくいところがある。実際には電圧と電流を図る機器を初めに持っていたほうがいずれはいいかもしれない。また、ジャンパーワイヤーも束になっていた時の方がまとまりがいいので、それを束から解いてしまうと、その時はいいけれど、後になって何本か電気が通らなくなっていることもある。この辺りは何度か試行錯誤をして慣れてみるか、または計測をするための準備も必要にはなる。ブレッドボード自体はそこまで損傷してはいないものの、LEDやワイヤーの疎通がやや不安定にはなってくる。それでも抵抗付きLEDは赤信号を想起させる赤色は袋にまとまって残っているものの、逆に緑のLEDは色々なところで使われているので、袋からあちこちに散らばってしまっていた。
また理科の実験であった鰐口クリップが便利なように思われた。一度付けておくと、もし振動が加わっても接続が維持されている。ポンプにも鰐口クリップが使われている、中にはクリップとゴムのカバーが外れそうになったものもあったけれど、クリップを指でつまんで元のようにゴムのカバーを付け直した。元々は基盤も、特に特殊な信号が送られているわけでなく、乾電池にある直流の電気がある規則に沿って動いている、それでも細かなプリント基盤になるとやや複雑になって概要が把握しにくくなる。素朴な疑問では、ジャンパーワイヤーのオスメスがうまく繋がらない部品もある。半田付けでもできたらと思うけれど、なかなか半田付けをどこで行ったらいいかを迷うところがある。それでもブレッドボードは回路のパターンを試行錯誤するための土台で、それをリセットするとまたつなげ直す必要がある。スイッチ一つでも色々なバリエーションがプログラムで補完できるところもあるので、ゆくゆくはどのようなスケッチになっているかをイメージしながら進めてゆく。
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