【コンテスト作品】4セグメントによる数字表示方法の提案

【コンテスト作品】4セグメントによる数字表示方法の提案

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    • #14169
      AoiSaya
      参加者

        1.作品概要

        みなさんは7セグメントディスプレイをご存じですか?
        電卓やデジタル時計などで見かける7つの画(セグメント)でアラビア数字を表現するパーツです。
        でも0~9を表現するだけなら4ビットで足りるはず。そしてナノコン応用デバイスはバッテリー駆動が不可欠であり、消費電力の少なさが求められます。
        そこで視認性に優れ容易に扱える7セグメントLEDの特徴を生かしたまま消費電力を半減できる4つのセグメントによる数字表示方法を考案しました。また、4セグメントLEDを実際に試作し、Leafonyを用いた低消費電力ガジェットを作成、視認性の確認を行いました。

        2.数字表現方法

        2.1 7セグメント数字の利点と欠点

        既存の7セグメントLEDには、以下の利点と欠点があります。
        利点 ・昼夜を問わず数値を容易に認識でき視認性に優れている
           ・構造が単純で使い勝手が良く、様々な機器で使われている
        欠点 ・セグメントの数だけLEDが必要
           ・同時に点灯するLEDの数だけ消費電力を消費する

        ⇒利点はそのままに、LEDの数や同時点灯数をもっと減らせないでしょうか?

        7セグメントサンプル

        2.2 数値表現可能な最小のセグメント数は4セグメント

        0~9の10種類の数値は4ビットで表せます。
        ということは、セグメント4つで数字を表現できれば、それが最小セグメント数での数値表現ということになります。2進法表記

        2.3 試作した4セグメント数字

        人間は手書き数字に寛容です。また日本には行書や草書という文字文化があります。

        そこで崩し字、特に筆字を意識して4つのセグメントによる数字をデザインしました。
        崩し字であれば、初見でも区別しやすく、見慣れるとより読みやすくなると推測しました。
        デザインの特徴として、“0”は下に小さく書く方の書き方を参考にしました。

        4セグメントフォント

        2.4 4セグメント数字の特徴

        • 消費電力削減効果
          仮にセグメントごとに1個ずつLEDをとり付けた場合、4セグメントLEDの平均点灯LED数は7セグメントLEDの半分以下(46%)になります。よって同サイズの表示器の消費電力を半減することができます。

          点灯数比較

        • 資源削減効果
          小数点を含めた7セグメントLEDはLEDが8個、4セグメントLEDはLEDが5個必要です。よって7セグメントLEDを4セグメントLEDに置き換えることで、LED製造に要する発光材料、封止樹脂、電極、線材などの部材に代表される資源や組み立てコストの削減につながります。また、ドライブ回路や配線も削減できるので、機器を作る際の資源削減も期待できます。

        • CO2削減への貢献
          消費電力や資源使用量の削減はCO2削減に直結します。
          消費電力が減ると
          ⇒ 乾電池やバッテリーでの長時間動作が可能になる
          ⇒ バッテリーなら充放電周期が伸びることでバッテリー自体の寿命が伸びる
          ⇒ 消耗品である乾電池やバッテリーの廃棄回数が減る
          ⇒ 廃棄コストや資源使用量の削減にもつながる

          世の中にあふれている7セグメントLEDが4セグメントLEDに置き換わった世界を想像してみてください。
          わずか1%でも置き換われば、膨大な量のCO2削減が見込まれるのではないでしょうか?

         

        3. 4セグメントLEDの試作とガジェットの作例

        3.1 ランプハウスの製作

         大きくて薄い4セグメントLEDをDIYしました。加工にはレーザー加工機を使用しています。

        1.  厚さ5mmの透明なアクリル板の表裏両面を、レーザー加工機の彫刻機能ですりガラス状に加工する。
        2.  透明なアクリル板を切り分けてセグメントの形を作る。
        3.  厚さ5mmの黒色のアクリル板にセグメントの形に穴を開け、彫刻機能で深さ3mmのへこみ(LED埋め込み用)をつくる。
        4.  黒色アクリル板の穴に透明なアクリル板で作った5つのセグメントを象嵌のようにはめ込む。
        5.  LEDの光が漏れこむのを防止するために黒色アクリル板の凹みを銀色のテープで囲む(光量アップも期待できる)

        ランプハウス

        3.2 LEDの取り付けと配線

        1.  基板に、LEDを5か所に取り付け、銀色のテープを貼りつける
        2.  Leafony接続用に6ピンのピンソケットを取り付け、200Ωの抵抗を介してLEDにつなぐ

        基板表 基板裏

        3.3 Leafonyとの接続

        使用基板

        • CPU   : AP01 AVR MCUリーフ
        • センサー  : AI01 4-Sensorsリーフ(温湿度センサほか)
        • 電源  : AV03 AA BATリーフ(単三電池ホルダ、昇圧回路)
        • その他  : AX02 29pin、AZ01 USB、AX03 Leafx2、AX04 Spacer
        1. GPIO端子に長さを調整したL字ピンヘッダをはんだ付け。
        2. 動作切替用に振動センサを接続。
        3. 環境センサ基板はマイコン等からの熱を受けにくいように、AX04 Spacerを挟んで一番手前に来るようにした。

        GPIO基板Leafony裏面

        3.4 作成したガジェットの外観

        • 透明アクリルで中身が見えるガジェットに仕立てました。
        • 表面に2mm厚のハーフミラーのアクリル板を使用することで、内部の色むらや接着跡が目立たないようにしました。

        外観

        3.5 数値表示の様子

        Maker Faire Tokyo 2022で展示し、第三者に主観評価いただきました。
        3や5などに一部難がありますが、実際に見ていただいた方々には、「ちゃんと読める」「デザインがきれい」などの感想をいただきました。

        表示例

        動作デモ動画
        https://youtu.be/eg3nzBYzOug

        4. おわりに

        デモ機は単三電池1本で動作し、0~9の順次表示と温度表示に対応しています。第三者に主観評価いただき「ちゃんと読める」「デザインがきれい」など好評をいただきました。MFTに見に来てくださった皆様、感想をくださった皆様に感謝いたします。
        本作品は、MCPCの第3回ナノコン応用コンテストにて優秀賞をいただきました。
        4セグメント化がカーボンニュートラル時代に向けた表現方法の一つになれば幸いです。

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