Arduino誕生日リマインダー：単一コイン電池で50年動作する超低消費電力デバイス

必要な部品と材料

部品	数量	備考
Arduino Nano R3（ATmega168P-AU搭載クローン）	1	中国製クローンで安価入手可能。ATmega168P必須（ピコパワー機能付き）
Intersil ISL1208 RTC（I2C接続）	1	超低消費電力、月・日アラーム機能搭載、VBAT動作400nA
Renata CR2450N コインセル	1	公称540mAh、自己放電<1%/年、動作温度-40〜+85℃
CP2102 USB-シリアル変換モジュール	1	時刻設定・デバッグ用。本体からは切り離し可能
USBasp プログラマー	1	ヒューズビット変更・ブートローダーなし書き込み用
32.768kHz 水晶発振子	1	RTC用
SPSTスライドスイッチ	1	時刻設定モード切替用
SMD LED（赤）	1	誕生日点滅表示用。最適化後は1個に削減
クリアLEDドーム	1	光拡散用
4×4インチ スイッチボックス	1	筐体用。3Dプリント筐体でも可
ユニバーサル基板	1
ベルグコネクタ（オス・メス）	適量	電池・スイッチ・LED接続用
抵抗 4.75kΩ	3	I2Cプルアップ(2本)、割り込みピンプルアップ(1本)
抵抗 10kΩ	2	プルアップ用

必要な工具

• はんだごて、ハンダ、フラックス
• Dremel等の旋盤工具（筐体加工用）
• USBaspプログラマー、10pin→6pin変換アダプター

使用するソフトウェア

• ProgISP - ヒューズビット書き換え・HEX書き込み用
• Arduino IDE 1.8.5+ - スケッチ開発・HEX出力用

プロジェクト概要

単一のCR2450Nコインセル（540mAh）で50年以上動作し、設定した誕生日にLED点滅とシリアルメッセージで祝福する超低消費電力デバイスです。ATmega168Pのディープスリープモード（SLEEP_MODE_PWR_DOWN）とISL1208 RTCのVBAT単独動作（400nA）を組み合わせ、平均消費電流1.22µA（自己放電込み）を実現。理論上CR2032で29年、CR2450Nで50年、CR2477Nで64年動作可能です。

時刻と誕生日はUSB-シリアル経由でコマンド設定可能。設定後はスリープし、RTCアラーム割り込みで年1回のみ起動します。設定スイッチONでいつでも時刻確認・変更可能。Hackaday Coin Cell Challenge出品作品。

主な特徴

• 平均消費電流 1.22µAh（自己放電込み）/ 608nA（自己放電除く、実測値）
• CR2032(225mAh)で>29年、CR2450N(540mAh)で>50年、CR2477N(950mAh)で>64年動作
• シリアルモニタから簡単コマンドで時刻・誕生日設定・確認可能
• 専用スイッチでいつでも設定モード突入可能
• オープンソース：設計ファイル・コード全公開（MITライセンス）

製作手順

ステップ1: Arduino Nanoの改造

オンボードの不要部品を除去し、コインセル直駆動（3V、レギュレーターなし）可能にします：

1. CH340G USB-シリアルICを除去
2. USB 5Vラインのショットキーダイオードを除去
3. CH340GのTX/RXプルアップ抵抗（1kΩ×2）を除去
4. RX/TX/PWR LED（SMD）を除去
5. AMS1117 5Vレギュレーターを除去し、そのパッドをショート（基板パターン上必要）
6. ピン13のLEDはデバッグ・誕生日点滅用として残す
7. MCU水晶発振子はヒューズ変更完了まで残す

ステップ2: ATmega168Pヒューズビット変更

USBasp + ProgISPで以下設定に変更：

• 内部発振器8MHz + 8分周 → 1MHz動作（低クロックで省電力）
• BOD（ブラウンアウト検出）無効化
• WDT（ウォッチドッグタイマー）無効化
• ピコパワー機能付きATmega168P/328P必須（ノンP版不可）

ヒューズ値（参考）：Low=0x62, High=0xDF, Extended=0xF9

ステップ3: Arduino IDEボード定義追加とスケッチ書き込み

1. boards.txt（Arduinoインストールフォルダ/hardware/arduino/avr/）に以下を追加：

   ## Arduino Pro or Pro Mini (3.3V, 1 MHz) w/ ATmega168
   pro.menu.cpu.1MHzatmega168=ATmega168 (3.3V, 1 MHz)
   pro.menu.cpu.1MHzatmega168.upload.maximum_size=14336
   pro.menu.cpu.1MHzatmega168.upload.maximum_data_size=1024
   pro.menu.cpu.1MHzatmega168.upload.speed=19200
   pro.menu.cpu.1MHzatmega168.bootloader.low_fuses=0x62
   pro.menu.cpu.1MHzatmega168.bootloader.high_fuses=0xDF
   pro.menu.cpu.1MHzatmega168.bootloader.extended_fuses=0xF9
   pro.menu.cpu.1MHzatmega168.bootloader.file=atmega/ATmegaBOOT_168_pro_8MHz.hex
   pro.menu.cpu.1MHzatmega168.build.mcu=atmega168
   pro.menu.cpu.1MHzatmega168.build.f_cpu=1000000L
   

2. IDE再起動後、「ツール」→「ボード」→「Arduino Pro or Pro Mini」→「プロセッサー」で「ATmega168 (3.3V, 1 MHz)」を選択
3. スケッチを「スケッチ」→「コンパイル済みバイナリを出力（Ctrl+Alt+S）」でHEX生成
4. ProgISPでHEX（ブートローダーなし版）をロードし、Autoで書き込み

ステップ4: ISL1208 RTCブレークアウト基板製作

SMD版ISL1208をDIP化する小型ブレークアウト基板を自作。32.768kHz水晶、VBAT用コインセルホルダー、I2Cピンヘッダーを実装。最適化版ではVDDピンをジャンパーで切り離し可能にし、VBAT単独動作（400nA）を実現しています。

ステップ5: 回路図と配線

• I2Cプルアップ: SDA/SCL - VCC間に4.7kΩ×2
• RTC割り込み出力(IRQ) → Arduino D2 (INT0) - 10kΩプルアップ
• 設定スイッチ → Arduino D3 (INT1) - GND側、10kΩプルアップ
• LED → Arduino D13（オンボードLED共用）
• CP2102: RX↔TX, TX↔RX, GND↔GND接続。**CP2102の5V出力をメインVCCに接続しないこと**
• コインセル: VCCラインに直結（レギュレーターなし）

ステップ6: 動作原理と操作方法

初回起動・設定手順：

1. 設定スイッチON（D3をGNDに落とす）
2. USB-シリアル接続し、シリアルモニタ（9600bps）開く
3. Serial Established. Ready to update time.表示を確認
4. 時刻設定コマンド送信: TYYMMDDhhmmssp#
   • 例: 2018年1月5日 08:35:12 AM → T1801050835120#
5. 成功時: Time update received = T1801050835120 Date and Time is 8:35:12 AM, 5-1-18
6. 誕生日アラーム設定コマンド: AMMDDhhmmssp#（年不要）
   • 例: 8月24日 08:00:00 AM → A08240800000#
7. Everything's set. Please disable the time set pin now.表示後、設定スイッチOFF
8. Well done! Sleeping in 6 seconds..でディープスリープ突入

通常動作：

• 誕生日到来時、RTCが250msローパルス割り込み → MCU起動
• Tada! It's your birthday! Happy B'Day :) See you on your next birthday! TC. Bye! Sleeping in 6 seconds..表示
• LED（D13）が特定パターンで点滅（約19秒）
• 再度スリープ、翌年同じ日に起動

時刻確認・変更時：設定スイッチONで起動、tで現在時刻表示、aでアラーム時刻表示、cでキャンセル・スリープ復帰。

ステップ7: ソフトウェア構成（主要関数）

• setup(): I/O初期化、ISL1208レジスタ設定、割り込み設定
• loop(): 設定スイッチ状態監視、シリアルコマンド処理、スリープ呼び出し
• sleepNow(): ADC/タイマー等ペリフェラル無効化、割り込み有効化、sleep_mode()でPWR_DOWN
• alarmInterrupt() / timeUpdateInterrupt(): ISR、フラグ設定のみ
• fetchTime() / printTime() / printAlarmTime(): RTCレジスタ読み出し・BCD変換・表示
• bcdToDec() / decToBcd(): BCD⇔10進変換
• blinkLED(): 誕生日点滅パターン生成
• establishSerial() / endSerial(): USB-シリアル通信制御

ステップ8: 消費電流測定と最適化の軌跡

段階	MCUスリープ	RTC	平均電流	CR2450N理論寿命
初期実装	0.2µA	1.2µA (VDD=VBAT, LPMOD=1)	1.63µA	37.7年
最適化後	0.2µA	0.4µA (VDD=0, VBATのみ, LPMOD=0)	0.61µA	101年
自己放電込み実測	0.2µA	0.4µA	1.22µA	50年131日

最適化のポイント：

1. LEDを2個→1個に削減（動作時3mA→1.5mA）
2. RTCのVDDをVBATから切り離し、VBAT単独動作化（1.2µA→400nA）
   ※I2C通信時のみジャンパーでVDD接続
3. 動作時間短縮: 設定2分→1分、誕生日点滅19秒、スリープ前6秒 = 合計85秒/年

ステップ9: 実用上の考慮事項

• コインセルの寿命はメーカー保証10年（シェルフライフ）だが、物理的に劣化しなければそれ以降も使用可能
• 自己放電は初期容量の1%/年（5.4mAh/年 = 616nA相当）で電圧も低下するが、ATmega168P/ISL1208は1.8Vまで動作保証
• 長期信頼性確保のため：
  • 基板にコンフォーマルコーティング
  • シリカゲル同梱で防湿
  • 気密性の高い筐体で温度変化緩和
  • 物理的衝撃から保護

ステップ10: 筐体製作と仕上げ

4×4インチスイッチボックスにスイッチ・USB・LEDドーム用穴を開け、銀色スプレーで塗装。ステッカーや色紙、グリッター等でデコレーションすればプレゼント映えします。

ステップ11: 今後の改善アイデア

• Nokia 5110 LCD（バックライトなし）搭載でメッセージ表示
• PC用時刻自動同期ソフト（Processing等で開発）
• 年齢表示機能（誕生日回数カウントで点滅パターン変化）
• 専用PCB設計（Eagle/KiCad）
• オプトカプラ経由でACアラーム・照明・音楽プレーヤー等を制御

完全なソースコード

GitHubリポジトリで公開中（MITライセンス）：

https://github.com/vishnumaiea/Birthday-Alarm/

参考資料

• 個人プロジェクトページ: 詳細ドキュメント
• AVRスリープモード解説: AVR Freaks
• ElectroDroidアプリ（電池寿命計算用）