Arduino Nano RTC時計：DS1307で精密な時刻管理と7セグメント表示

必要な部品と材料

部品	数量	備考
Arduino Nano R3	1	メイン制御ボード
RTCモジュール（DS1307ベース）	1	電池バックアップで停電時も時刻保持。自作も可能
4桁7セグメントLED表示器（共通アノード）	1	時刻表示用
メスヘッダー（シングルロウ）	3	モジュール接続用
穴あき基板（ユニバーサル基板）	1	半田付けして綺麗に仕上げる場合。ブレッドボード型配線のものが作業しやすい
ジャンパーワイヤー	25本	配線用
オスヘッダー 40ピン	1	基板取り付け用

必要な工具

工具	備考
半田ごて	基板への半田付け用
マルチメーター	全プロジェクト必須。標準的なものを購入すれば4年以上使用可能。半田付けの導通確認や電流測定に必要

使用するアプリとオンラインサービス

Arduino IDE
Arduino Fritzing（回路図作成用）

プロジェクト概要

RTC DS1307 ICを使用した、組み立て簡単なデジタル時計です。4桁7セグメントディスプレイに時刻を表示します。コードを少し修正すればアラーム機能なども容易に追加可能。より高度なプロジェクトへの足がかりとして、また部屋に飾るかっこいい時計が欲しくて製作しました。

半田付け時のトラブルとその解決法を含め、あらゆる詳細を解説します。

ステップ1: コンポーネント詳細

RTCモジュール（DS1307）

Arduino Nano RTC時計：DS1307で精密な時刻管理と7セグメント表示

DS1307チップは電源オフ時も時刻を保持できる優れもの。Arduinoとのインターフェースも簡単で、豊富なライブラリが利用可能です。I2Cプロトコルで通信し、Arduino Nanoでは以下のピンを使用します：

SDA - A4
SCL - A5

※DSピンは本プロジェクトでは不使用

注意点: 精度はそこまで高くなく、温度変化によりタイムドリフト（時刻ズレ）が生じやすいです。

重要: GNDとVCCの極性を間違えないでください。モジュール上ではVCCピンがGNDピンより手前にあります。逆極性で接続すると瞬時に発熱します。コイン電池に触れながら通電し、熱を感じたら即座に電源を切ってください。

シフトレジスタ（74HC595）

「多重化（マルチプレクシング）」技術を可能にするキーコンポーネント。初心者の方も恐れず挑戦してください。習得すれば必ず役立ちます。
16ピンICで、2個使用して4桁7セグ表示器を制御します。
1個目：セグメント（a-g, dp）の点灯制御
2個目：どの桁（D1-D4）を点灯させるかの選択
多重化により桁の切り替えが高速で行われ、あたかも全桁同時点灯のように見えます。

経験談: これらのチップは比較的信頼性が高いですが、いくつか不良品に当たりました。Q0/Q1が動作しない、Q3が内部でGNDにショートしている、Q7が不良など。マルチメーターの導通モードでピンチェックすることをお勧めします。すべて学びの過程です。

4桁7セグメントディスプレイ

汎用の共通アノードタイプを使用。12ピンで、左下から反時計回りに番号が振られています。各セグメントは数字と小数点を表示可能。デジタル時計典型のコロン（:）がないため、2桁目の小数点をコロン代わりに使用しています。数字表示が主目的なら最適な表示器です。

注意: セグメントa-gの配列が一直線でないため初心者には少し厄介です。電流制限抵抗なしで5Vに直結しないでください。

回路図も掲載していますが、使用した表示器とピン配置が異なるため、シフトレジスタからセグメントへの接続表を以下に示します：

セグメント	表示器ピン番号	シフトレジスタピン
A	11	15（1個目）
B	7	1（1個目）
C	4	2（1個目）
D	2	3（1個目）
E	1	4（1個目）
F	10	5（1個目）
G	5	6（1個目）
小数点	3	7（1個目）
D1（桁1）	12	15（2個目）
D2（桁2）	9	1（2個目）
D3（桁3）	8	2（2個目）
D4（桁4）	6	3（2個目）

このプロジェクトは低コストで簡単ですが、基板への半田付けまでやるなら少しの忍耐と根気が必要です（ブレッドボード上での動作確認だけなら2時間程度）。

改善点や不明点があればフィードバックをお願いします。

プログラムコード

メインクロックコード（Arduino）

RTCライブラリとI2Cライブラリ（Wire.h）が必要です。共通アノード型表示器用のプログラムです。

#include <Wire.h>
#include <EEPROM.h>
#include <RTClib.h>

RTC_DS1307 RTC;
int temp, inc, hours1, minut, add = 11;
int HOUR, MINUT, SECOND;
int latchPin = 3;  // 595のピン12
int dataPin = 4;   // 595のピン14
int clockPin = 2;  // 595のピン11
int shift = 256;
int units, tens, hundreds, thousands;
int x, y;
const int alarmHour = 17;
const int alarmMinute = 26;

void setup() {
  Serial.begin(9600);
  pinMode(latchPin, OUTPUT);
  pinMode(dataPin, OUTPUT);
  pinMode(clockPin, OUTPUT);
  pinMode(13, OUTPUT); // アラーム用LED
  Wire.begin();
  RTC.begin();
  if (!RTC.isrunning()) {
    RTC.adjust(DateTime(__DATE__, __TIME__)); // コンパイル時刻で初期化
  }
}

void loop() {
  DateTime now = RTC.now();
  HOUR = now.hour();
  MINUT = now.minute();

  // 時刻を各桁に分解
  if (HOUR < 10) {
    hundreds = HOUR; thousands = HOUR / 10;
  } else {
    hundreds = HOUR % 10; thousands = HOUR / 10;
  }
  if (MINUT <= 9) {
    units = MINUT; tens = MINUT / 10;
  } else {
    units = MINUT % 10; tens = MINUT / 10;
  }

  // 各桁を多重化表示（コード簡略化のため関数化推奨）
  displayDigit(units, shift * 8, 192);   // 1の位（分）
  delay(1);
  displayDigit(tens, shift * 4, 192);    // 10の位（分）
  delay(1);
  displayDigit(hundreds, shift * 2, 64); // 1の位（時）
  delay(1);
  displayDigit(thousands, shift, 192);   // 10の位（時）
  delay(1);

  // アラーム機能
  if (HOUR == alarmHour && MINUT == alarmMinute) {
    digitalWrite(13, HIGH);
  } else {
    digitalWrite(13, LOW);
  }
}

// セグメントパターン送信ヘルパー関数（元コードのswitch文を関数化）
void displayDigit(int digit, int shiftMul, int digitSelect) {
  static const uint16_t patterns[10] = {
    192, 249, 164, 176, 153, 146, 130, 248, 128, 144
  };
  digitalWrite(latchPin, LOW);
  shiftOut(dataPin, clockPin, MSBFIRST, (shiftMul >> 8));
  shiftOut(dataPin, clockPin, MSBFIRST, shiftMul + patterns[digit]);
  digitalWrite(latchPin, HIGH);
}

時刻設定用スケッチ（Arduino）

DS1307はドリフトしやすいため、シリアルモニターから時刻を設定するスケッチを用意しました。時刻がズレたらRTCモジュールをArduinoに接続し、このスケッチをアップロードしてシリアルモニターから日付・時刻を入力。その後メインのクロックコードを書き込めば正しい時刻が表示されます。


/* RealTimeClockDS1307ライブラリ使用例 */
#include <Wire.h>
#include <RealTimeClockDS1307.h>

#define DISPLAY_CLOCK_EVERY_N_SECONDS 1
#define DISPLAY_HELP_EVERY_N_SECONDS 25

RealTimeClockDS1307 RTC;
int count = 0;
char formatted[] = "00-00-00 00:00:00x";

void setup() {
  Serial.begin(9600);
}

void loop() {
  if (Serial.available()) processCommand();
  delay(1000);
  RTC.readClock();
  count++;
  
  if (count % DISPLAY_CLOCK_EVERY_N_SECONDS == 0) {
    Serial.print(count); Serial.print(": ");
    RTC.getFormatted(formatted);
    Serial.println(formatted);
  }
  if (count % DISPLAY_HELP_EVERY_N_SECONDS == 0) {
    Serial.println("Send ? for command list.");
  }
}

// コマンド処理（h=時刻設定, i=分設定, s=秒設定, y=年, m=月, d=日, w=曜日, t=12/24h切替, a/p=AM/PM等）
void processCommand() { /* 実装は本文参照 */ }

ライブラリファイル

以下のライブラリファイルをArduinoのlibrariesフォルダにインストールしてください：

RealTimeClockDS1307ライブラリ（クリックで展開）

RealTimeClockDS1307.h - ヘッダーファイル
RealTimeClockDS1307.cpp - 実装ファイル
keywords.txt - シンタックスハイライト用
README - 説明書

フォルダ名「RealTimeClockDS1307」を作成し、これらを配置。Arduino IDEの「スケッチ」→「ライブラリをインクルード」→「.ZIP形式のライブラリをインストール」で追加可能。

RTClibライブラリ（Adafruit/JeeLabsフォーク）（クリックで展開）

RTClib.h / RTClib.cpp - メインライブラリ（DS1307, DS3231, PCF8523等対応）
README.md - 互換性表付き詳細ドキュメント
library.properties - ライブラリマネージャー用

フォルダ名「RTClib」で同様にインストール。より多機能でメンテナンスされているライブラリです。

回路図

プロジェクトの回路図（Fritzingファイル）

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