高精度ワードクロック：分単位で時刻を文字表示

必要な部品と用品

部品	数量	備考
Arduino Nano R3	1	部品の完全なリストはプロジェクトページ参照

プロジェクト概要

分解能で時刻を言葉で表示するArduinoベースのワードクロックです。秒はリニア表示で示します。詳細はプロジェクトサイトをご覧ください。

主な機能

• ワードクロックモード（分単位で時刻を英語で表示）
• デジタル時計モード
• アナログ時計モード
• 温度・湿度表示（DHT22センサー使用）
• ゲームモード：ライフゲーム、サイモン、テトリス
• マスタークロックからの同期信号でスレーブ動作可能、無い場合は内蔵RTC（DS3231）で自立動作
• PIRセンサーまたはドップラーレーダーによる人感検知で自動消灯機能
• サイズ：500mm × 500mm、重量約5.5kg、壁掛け設計
• 四隅のタッチパッドで設定・操作

ワードクロックの設計レベル比較

ワードクロックには複雑さのレベルがあります：

1. シンプル（5分刻み）: 「5分前」「10分前」などブロック単語で表示。LED約20個で構成可能だが、決まった形式のみ。
2. 中級（11×10マトリクス＋4隅LED）: 110個のLEDで数字や簡易画像も表示可能。5分刻みだが隅のLEDで1〜4分を補完。Raspberry Pi制御で多色LED対応例も。
3. 上級（16×16＝256 LEDマトリクス）: 本作はこのタイプ。1分単位の言葉表示、「午前」「午後」「夜」なども表現可能。温度を言葉で表示するものも。大量のLEDを活かし多彩な表示モードを実装。配線が複雑だが、PCB実装で薄型化可能。手配線の場合は500mm角が現実的な上限。

本プロジェクトの主な変更点

• 専用PCBを使わず、安価な既製モジュールとベロボード（ユニバーサル基板）のみで構築
• ケースは14mm厚MDFを2枚重ね（背面板を10mm小さくし、正面から見ると14mm厚に見える設計）
• Wouter Devinck版（21mm厚）より深い34mmだが、黒い背面板とガラスのセットバックで薄く見せる工夫
• LEDマトリクスをフロントボードに直接実装（PCB不要）
• タッチセンサーにTTP223モジュール採用（ガラス取り付けボルトと兼用）
• MAX7219ドライバーボードは既製LEDマトリクス基板を改造して使用
• Arduino Nano採用で小型化
• PIRセンサーで不在時自動消灯（無効化可能）
• 輝度自動調整用トリマー抵抗を底面からアクセス可能に配置
• マスタークロックから30秒ごとの同期パルス入力対応（無い場合はRTCでフリーラン）
• ソフトウェアは「カタルーニャ版」Pijuanaクロックをベースに英語化・改良
• 言葉による温度表示を削除、代わりに同期ステータス・PIR ON/OFF・秒のリニア表示を追加
• 英語表記を自然な言い回しに調整（"MINUTE"単数形、"A QUARTER"、正午・真夜中の表現、"OCLOCK"のアポストロフィー削除等）
• DS3231 RTCモジュールの充電池を非充電池に変更（抵抗R5除去）
• 4mmフロートガラス（エッジ研磨）をシカゴファスナーで固定（タッチパッド兼用、着脱可能）
• 前後2重の防塵シール採用
• 設定モードで右下ボタン長押しで秒を00にリセット可能

ケース設計

手配線マトリクス対応で奥行き34mm（背面シール2mm＋背面MDF14mm＋前面MDF14mm＋ガラス4mm）。背面板を黒くし、正面板より10mm小さくすることで、正面から見たときに14mm厚に見える視覚効果を狙っています。

操作インターフェース

表示パネル四隅にTTP223タッチセンサーモジュールを配置。シカゴファスナーのボルトがタッチパッドを兼ねます。モードによってボタン機能が変わります。

表示モード：時計・環境

起動時はバージョン番号、製作者名、クロック名をスクロール表示。

表示モード：ゲーム

ライフゲーム: コンウェイのライフゲーム。無限グリッド上のセルが生死を繰り返すシミュレーション。

サイモン: 記憶力ゲーム。コンピューターが示すシーケンスを真似する。失敗時にスコア表示。

テトリス: ソ連生まれのタイルマッチパズル。ボタン操作の改善余地あり。

プロトタイピングとテスト

MAX7219モジュール付属のドットマトリクスLEDでミニチュア試作が可能。配線変更でソフトウェアとマッピングを合わせれば、実物大の1/8サイズでワードレイアウトやコードを検証できます。

テスト用スケッチで各LEDを順次点灯し、配線確認が可能。

テストスケッチ: MAX7219_LED_Test.zip

時刻→単語マッピング表

独自の言い回しに合わせてマッピングを調整可能。エクセルファイルで管理: Word+to+Time+Translations.xlsx

電源設計

共通12V電源からMP1584ベースのベロボードで5V降圧。クロック基板にも独自ヒューズ装備。消費電流は低輝度30mA〜高輝度250mA。最低500mA以上の5V電源推奨。PIR有効時は大幅節電可能。

モジュール間接続

MAX7219モジュールはデイジーチェーン接続。最初のモジュールのみNano直結。電源は両端から供給し電圧降下を防止。Nano〜最初のMAX7219間は極力短く配線。

組み立て手順概要

1. ビニールステッカー印刷・ガラスカット・MDFカット
2. 前面板にLED用穴あけ（256箇所：6mm貫通＋18mm皿穴）
3. 塗装（前面白、背面黒）、エッジテープ貼り
4. 背面板を前面板にネジ止め
5. 電源ベロボード×3枚製作
6. MAX7219モジュール4枚を改造（90度ピンヘッダー追加、電流制限抵抗を22kΩに交換）
7. モジュール類を背面板に取り付け
8. 前面板に256個LEDをマトリクス配線（カソードバス10mm高、アノードバス2mm高、パネルピンで支持）
9. 配線完了後、ガラスパネルをシカゴファスナーで固定（タッチセンサー同時取り付け）
10. 動作テスト・輝度キャリブレーション

所要時間の目安はプロジェクトページの表を参照。プロトタイピング・プログラミングにさらに40時間程度見込み。

ビニールステッカー製作

Inkscapeで設計（Wouter Devinck氏のオリジナルを改変）。反転印刷（文字部分が抜ける）で注文。アプリケーションテープをディフューザーとして残す工夫。貼り付けは石鹸水スプレーで位置合わせしながら。

ガラス: 4mmフロートガラス500mm角、エッジ研磨、5mm穴4箇所（シカゴファスナー用）。アセトン脱脂後、手袋着用で貼り付け。

前面板加工詳細

25mmピッチで256箇所の中心をマーキング、オートセンターポンチで打点、6mmドリルで貫通、20mm皿取りビットで皿穴加工（ジグで深さ統一）。白塗装で反射率確保、外周を黒塗りでガラスのセットバックを隠蔽。四隅に5mm穴でシカゴファスナー通し、裏面でフォアスタナービットでセンサー用リベート加工。

壁掛け金具

額縁用フックをフレームに埋め込み、2インチ皿ネジで壁固定。防塵シールが圧縮されるテンションで取り付け。

タッチセンサー取り付け

TTP223モジュールのセンターパッドに5mm穴を開け、シカゴファスナーボルトを通す。ボルトはプラスチックワッシャーで絶縁。モジュール上のLEDはニッパーで除去し省電力化。

電子部品・モジュール詳細

LED仕様

• 5mm白色フラットトップLED × 256個
• 順方向電圧 3.2〜3.8V、順方向電流 20mA（最大30mA）
• 視野角 120度、輝度 13000mcd
• 信頼できるサプライヤーから購入推奨（安物は数週間で劣化する事例あり）

DHT22 温湿度センサー

左ピン: 3-5V、中央: データ、右: GND。2秒に1回更新。ケース内温度を測らないよう上部と左側ベントをテープで塞ぎ、背面板下部に通気孔を設け外気を導入。

Arduino Nano ピン配置

主要ピン: D2/D3=外部割り込み、D3/D5/D6/D9/D10/D11=PWM、D10=SS, D11=MOSI, D12=MISO, D13=SCK(SPI)、D13=内蔵LED、A4=SDA, A5=SCL(I2C)、A6/A7=アナログ専用。USB-シリアル変換はFTDI FT232RL。

TTP223 タッチセンサーモジュール

ガラス取り付けボルトで固定、ボルトがタッチパッド兼用。LEDは除去。四隅に4個使用。

DS3231 AT24C32 高精度RTCモジュール

付属のリチウムイオン充電池を非充電式コイン電池（CR2032等）に変更するため、基板上の充電抵抗R5を除去。

MAX7219 ディスプレイモジュール

既製品を購入し、オンボードのLEDマトリクスソケットに90度ピンヘッダーを追加ハンダ付けして外部マトリクス接続用に改造。電流制限抵抗R1をLED仕様に合わせて交換（本プロジェクトでは22kΩで約20mAに設定）。

LDR（光センサー）

背面板下部に配置。明るさで抵抗値変化（明約500Ω〜暗約10MΩ）。隣に輝度キャリブレーション用トリマー抵抗のアクセス穴。

防塵シール

• 背面板: 2mm厚ソフトフォームラバー、粘着シート、エッジから5mm内側に貼り付け。壁掛け時に圧縮され密閉。
• 前面板ガラス裏: 自己融着ゴムテープを板エッジから5mm内側に貼り付け。シカゴボルト穴周りに小さなゴム片を追加でガラス割れ防止。

回路図

Nano接続図、4つのMAX7219モジュールとLEDマトリクスの接続図（各マトリクスは前のモジュールから90度回転配置）

LEDマトリクス配線実装

4つのマトリクス（各64 LED）を背面から配線。カソードバス（垂直/水平）はパネルピンで10mm浮かせ、アノードバス（直交方向）はLEDリード線で2mm浮かせて支持。モジュールごとに回転方向が異なるため、背面から見ると配線マッピングが複雑。カラーコード配線表に従い、50芯0.5mmケーブルで接続。

LED実装手順

LEDリード線をジグで4か所曲げ（計1024回）、カソードをアノードから90度曲げてマトリクスに挿入。配線表に従いMAX7219モジュールの90度ピンヘッダーへ半田付け。モジュールごと16本の配線。

MAX7219モジュール改造詳細

既存LEDマトリクスコネクタの下部に90度ピンヘッダー2組（8ピン×2）を半田付け。表面実装部品（R1, C1, C2）と干渉しないようピン長を調整。電流制限抵抗R1を22kΩに交換（LED順方向電圧3.2-3.8V@20mAに対応）。

自動輝度調整のキャリブレーション

1. Mini USBポートにPC/スマホを接続、シリアルモニターを開く（例: Slick USB 2 Serial Terminal）
2. クロック再起動後、シリアル出力に light reading と bright が表示される
3. 設置場所で周囲光が最大になる状態で、トリマー抵抗（背面板右下のアクセス穴から精密ドライバーで調整）を回し、light reading = 600（またはソフトウェア設定値）、bright = 15 に合わせる
4. これ以上回しても bright は 15 を超えない。全範囲で暗くしたい場合は light reading を 600 未満に設定
5. 最大電流はMAX7219のR1で決まるため、LED仕様に合ったR1を選定済みであること

Mini USBポート増設

背面板右側にMini USBメスソケットを切り出し、90度変換ケーブル（25cm）の被覆を剥いて内部配線。プログラミングと輝度調整用。

PIRセンサーによる自動消灯（オプション）

ワードクロックメニューでON/OFF切替可能。ON時は人感検知で点灯、無検知で設定時間後に消灯。表示に"PIR ON"/"PIR OFF"を5秒表示。PIRモジュールは壁埋め込みスイッチボックスに収納（ガラス越しでは動作しないため）。電源スイッチと共用。

ドップラーレーダー制御オプション

PIRの代わりにドップラーレーダーモジュール（マイクロ波センサー）をケース内部に内蔵可能。ガラス・プラスチックを透過検知可能（検知距離約5m）。15分ごとに検知チェックし、無検知なら消灯。PIR同様メニューでON/OFF。

時刻設定手順

デジタル時計モードで左下タッチ長押しで設定モード入り。時刻点滅中に：右上=インクリメント、左上=デクリメント、左下1回目=時設定、2回目=分設定、3回目=確定終了、右下=秒を00リセット。

マスタークロック同期

30秒ごとの同期パルス入力がある場合、設定モード以外で自動同期（0秒パルスは無視、20秒過ぎと20秒前のみ補正）。同期時は"SYNC"表示。内蔵RTC（温度補償水晶）単体でも高精度。

ソフトウェア構成とカスタマイズ

メインスケッチ Brett_wordclock_v4_3.ino 含むモジュール群とサードパーティライブラリで構成。GitHubで公開: https://github.com/brettoliver/wordclock

主要モジュール

• brightness.cpp/h: 自動輝度調整
• character.cpp/h: 文字（数字）パターン定義
• credits.cpp/h: エンドクレジット（バージョン、製作者、年）
• display.cpp/h: 表示・LED制御
• life.cpp/h: ライフゲーム
• serial.cpp/h: シリアルメニュー
• simon.cpp/h: サイモンゲーム
• temphum.cpp/h: 温湿度表示
• tetris.cpp/h: テトリス
• time.cpp/h: ワードクロック・デジタル時計ロジック
• timeanalog.cpp/h: アナログ時計
• touchbuttons.cpp/h: タッチボタン・モード切替

サードパーティライブラリ

• Chronodot (DS3231用)
• DHT (DHT22用)
• LedControl (MAX7219用)
• stc (テトリス用)
• pitches.h (音階周波数)

コード変更のポイント

単語定義: time.h でLED座標を配列で定義。例: const byte w_the[3] PROGMEM = { 0, 0, 3 }; は左上(0,0)から横3つ点灯で "THE" 表示。

点灯ルール: time.cpp で時刻条件ごとに単語呼び出しを記述。例: 0時0分なら "THE TIME IS TWELVE OCLOCK AT NIGHT" となるようルール記述。

アナログ時計の針動作改良コード（srdevil氏提供）もコメント欄に掲載。短針が15分過ぎで次の数字方向へ動くよう修正。

コードダウンロード

• Brett_wordclock_v4_5.zip (Arduino IDEで読み込み)

参考リポジトリ

• Wouter Devinck版: github.com/wouterdevinck/wordclock
• Pijuana版: github.com/svcabre/wordclock
• 本プロジェクト: github.com/brettoliver/wordclock (回路図・コード含む)

カスタムパーツ・エンクロージャー

ビニールステッカー設計ファイル: brett11_print_ready_6bbpMTDyFa.svg (Inkscape形式、自由に変更可能)

回路図

• メイン基板接続図
• MAX7219モジュール01〜04 各LED接続図

画像は元記事のSchematicsセクションを参照。