私だけの電子オルゴール ♪ MyMelo ♪(ミニドラム・ミニ鉄琴もあります)

※ [リーフレット(pdf)]と[作り方(pdf)]を作りましたのでご覧ください。

※ こんな音のオルゴールができあがります。

1. 概要

　子どもからおとなまで楽しめる電子オルゴール教材です。趣味のものづくり、夏休みものづくり教室、総合的な学習、卒業記念制作で校歌のオルゴールづくり、理工系専門教育の導入教材など、さまざまな活用が考えられます。

1. 「ドドソソララソー」のように楽譜を作成します。伴奏を付けることもできます。
2. 書き込み装置で、マイコンICに上記の楽譜を書き込みます。
3. 電池とマイコンICと発音部品を接続して完成です。

2. 楽譜の作成

　下図のように楽譜を作ります。「ドレミ」で楽譜を表現できるので、(私のように)5線符が苦手な方も大丈夫です。メモ帳などで作ってもよいのですが、「テキスト音楽サクラ」[1]を使うと作りながら演奏させて確認することができます。

　下図左の楽譜からオルゴールを作ると、圧電ブザー(減衰矩形波)ではこんな音(減衰)に、スピーカ(減衰正弦波)ではこんな音になります。また、伴奏を追加すると(下図右の楽譜)、圧電ブザーではこんな音に、スピーカ(減衰正弦波)ではこんな音になります(いずれも製作したオルゴールからLINE端子に接続して録音)。圧電ブザーの方の音は、素子の特性が加味されて実際には「ほどよい音」になります。

　このような楽譜は「MML形式」と呼ばれます。電子オルゴールでは、下の表の命令を使うことができます(サクラで演奏できる楽譜がすべてオルゴールにできるわけではありませんのでご注意ください)。他の命令はなるべく無視するようにしましたが、エラーになることもあるのでご注意ください。

3. 電子オルゴールの組み立て

　使用する部品は次のとおりです。どのように製作するかで使う部品が少し変ってきます。

部品表

部品名	規格・型番等	購入先と単価の例	数	備考
マイコンIC	ATtiny2313V-10PU ATtiny85V-10PU	秋月 100円 Digi-Key 204円	1個	電子オルゴールのプログラムと楽譜データが書き込まれ、楽譜の指示に従って出力の電圧が変化します。取り付ける時には方向を間違えないよう注意してください。静電気で壊れやすいので、取り扱いに注意してください。 20ピンのATtiny2313よりも8ピンのATtiny45/85の方が扱いやすいと思います。
圧電ブザー またはスピーカ	板ブザー35φ(写真) 圧電ブザー KBS-30DB-1A 耳もとスピーカ Cタイプまたは円盤型	東名電子 10枚150円 東名電子 150円 ダイソー 105円	1個	電圧の変化を板の振動に変えて音にします。圧電素子は、振動を加えると電圧が発生し、この仕組みは着火の部品などに使われています。板ブザー(写真)を用いる場合は、リード線を半田づけして準備しておきます。また、組み立て後に適当なケースに貼りつけて音が響くようにします。スピーカを使う場合や圧電ブザーで正弦波プログラム(sp12_45w.bat)を使う場合は別に68Ωの抵抗を付けてください。
電池ボックス	単3×2本用 スイッチ付 BH-321-AS	秋月電子 60円	1個	スイッチ付のものを使うか、そうでない場合は別にスイッチを用意します。
電池	単3	ダイソー 10円	2個	方向を間違えないよう注意してください。
ブレッドボード	EIC-301	秋月電子 150円	1個	半田づけをしないで部品を接続する時に使います。各列の5箇所の隣あった穴が内部で接続されています。左右の端は縦1列の穴が内部で接続されています。半田付けで接続する場合には必要ありません。

部品(左)と半田づけによる組み立ての例(右)

部品を組み立てます。いろいろな作り方が考えられますので、上や右の図を参考にしてください。電池の極性やマイコンICの取り付け方向を間違えないよう注意してください。圧電ブザーの線が細いと、ブレッドボードに差すのが少し大変かもしれません。 　このような部品の接続を回路図で表すと下の図のようになります。 回路図(ATtiny45版→クリックでATtiny2313版)

ブレッドボードを使った組み立ての例(ATtiny45版→クリックでATtiny2313版)

　スイッチを入れると音楽が聞こえてきます。板ブザーを使う場合は、紙コップや板や箱に貼りつけると大きな音が出ます。

　なお、2回演奏して停止するようになっていますので、もっと聞きたい場合はスイッチを入れなおします。

4. 楽譜の書き込み(何度でも書き直しできます)

　「ものづくり教室」などを計画する際には書き込み装置を全体で1〜2台用意しておきます。

• 組み立て済みの電子オルゴールに書き込む場合
  (1)スイッチを切った状態でマイコンICを書き込み装置のクリップではさみ、
  (2)スイッチを入れ、
  (3)パソコンで楽譜ファイルを「書き込み」アイコンにドラッグ＆ドロップします。
  (4)書き込みが終了するとメロディが聞こえてくるので、一旦スイッチを切ってクリップをはずしてください。

  クリップではさむ時は、方向を間違えないように、そして隣のピンと接触しないように注意してください。
• 組み立て前にマイコンICに書き込む場合
  (1)ATtiny2313かATtiny45でスライドスイッチを切り換え(下の写真参照)、
  (2)マイコンICを書き込み装置にセットします。
  (3)パソコンで楽譜ファイルを下図のように「書き込み」アイコンにドラッグ＆ドロップします。
  (4)マイコンICを書き込み装置からはずして、電子オルゴールに組み込みます。

　パソコンの操作で何が行われるかについてはこのページ末尾の付録1をご覧ください。また、書き込み装置の詳細はこちらのページ、書き込みソフトについてはこのページ末尾の付録2をご覧ください。

5. さまざまな楽しみ方

　実装に工夫すると、とっても楽しくなります。

• たのしいものづくり
  　美術科講座の佐藤光輝先生にお願いしたところ、学生さんが紙コップを使ってかわいい作品を作ってくれました。
• 卒業制作
  　附属特別支援学校の卒業制作で作りました。
• 机の上に置ける小物入れ
  　学校で作る時は、好きな歌を入れ、友達の寄せ書きを書いてもらったりするとおもしろいと思います。
• 校歌のオルゴール付き写真立て
  　いくつか作りましたが大変好評です。こんな音になります(オルゴールをLINE端子に接続して録音)。
  • 校歌1(ブザー版・スピーカ版)
  • 校歌2(ブザー版・スピーカ版)
  • 校歌3(ブザー版・スピーカ版)
  
• オルゴール付きカップ
  　マグカップやケーキカップに付けてみました。マグカップは手に持って丁度親指の箇所にスイッチを付けました。入れた曲は「乾杯」です。また、ケーキカップは蓋を開けると音が出るようにしました。
• 空き缶や100円ショップで見つけたケースに入れてみました。
• 100円スピーカを使ったHiFiオルゴール
  　100円ショップで購入したスピーカを接続してみると、音色も音量も格段に改善されました。ただし、抵抗が必要で(無くても動作しましたが)、スピーカの工作に少し手間がかかります。下図はブレッドボードを使った組み立て例と半田づけによる組み立て例です。事前にスピーカの準備をしておけば、製作教室でも利用できます。 下図は2Lサイズの写真立てにスピーカを付けた例です。

  回路図(ATtiny45版→クリックでATtiny2313版)

• ステレオ電子オルゴール
  　スピーカを2つ使い、ステレオ電子オルゴールを作ってみました。 当初のプログラムでは左右違う音が出るようにしていましたが、現在は同じ音が出ます。

  	ステレオオルゴールの回路図 (ATtiny45版→クリックでATtiny2313版)
  	HiFiステレオオルゴールの回路図 (ATtiny45版→クリックでATtiny2313版)

• 押しボタンスイッチで操作する電子オルゴール
  　電池(単5)とマイコンICを100円スピーカの中に入れ、押しボタンスイッチで操作するようにしてみました。スピーカの加工や部品の取り付けに少し手間がかかるので、製作教室には不向きかもしれません。なお、押しボタンスイッチの有無にかかわらず、オルゴールのプログラムは一緒です。スイッチを押すと1回演奏して停止します。また、演奏中にスイッチを押すと演奏を停止します。
  　テレビのリモコンなどと同じように、電池の消耗はほとんどありません。
  ※ tiny45で電池を接続したままにすると無音時も電池を消耗することがわかり、修正しました。(2006.8.25)。
  

  	押しボタン式オルゴールの回路図 (ATtiny45→クリックでATtiny2313版)
  	弘前大学教育学部創立130周年記念行事(2006.9.30)で師範学校校歌の電子オルゴールを50台製作し、師範学校OBの方に差し上げました。(音はこんな感じです。)

(付録)

1. 作成した楽譜データがマイコンICに書き込まれるまでの流れ

　「3. 楽譜の書き込み」で、「kira1.mml」のファイルアイコンを「書き込み」のショートカットアイコンにドラッグ＆ドロップすると、以下の処理が行われます。

• kira1.mmlからmymelo.hを作成 ... sedとawkのプログラム(sttn2mml.sed → mmlconv0.awk → mmlconv1.sed → mmlconv2.sed → mml2c.awk)で行います。
• 2313_1.c(または45_1.c)とmymelo.hからmymelo.hexを作成 ... WinAVRのCコンパイラで行います。ATtiny2313用プログラム2313_1.c〜2313_3.cおよびATtiny45用プログラム45_1.c〜45_3.cはそれぞれ矩形単音、二和音、三和音の処理プログラムで、楽譜データのトラック数に応じて自動的に選択されます。また、45_1w.c〜45_3w.cは正弦波単音、二和音、三和音の処理プログラムです。
• mymelo.hexをマイコンICに書き込み ... SP12, avrdude(usbasp対応版), HIDspxなどの書き込みソフトで行います。

2. ソフトウェアの準備

1. 楽譜変換ソフト(ダウンロード )
   　ダウンロードしたファイルを解凍します。下表を見て、使用するマイコンICやライタソフトに対応したファイルのショートカットを作り、名前を「書き込み」とします(必ずショートカットを作ってください)。

   Windows2000/XP

   ライタ/マイコンIC	ATtiny2313 (減衰矩形波)	Attiny45 (減衰矩形波)	Attiny45 (減衰正弦波)
   SP12 (giveio.sysの組込み必要)	sp12_2313.bat	sp12_45.bat	sp12_45w.bat
   usbasp/avrdude	usbasp_2313.bat	usbasp_45.bat	usbasp_45w.bat
   usbasp/avrspx	avrspx_2313.bat	avrspx_45.bat	avrspx_45w.bat
   hidspx	hidspx_2313.bat	hidspx_45.bat	hidspx_45w.bat

   Windows 95/98/Me

   ライタ/マイコンIC	ATtiny2313 (減衰矩形波)	Attiny45 (減衰矩形波)	Attiny45 (減衰正弦波)
   SP12	sp12me_2313.bat	sp12me_45.bat	sp12me_45w.bat
   usbasp/avrdude	usbasp_2313.bat	usbasp_45.bat	usbasp_45w.bat
   usbasp/avrspx	avrspx_2313.bat	avrspx_45.bat	avrspx_45w.bat

2. テキスト音楽「サクラ」, http://oto.chu.jp/
   　楽譜を作成するソフトですので、予めインストールしておきます。「ドードレミー」のように文字で楽譜を表現し、楽譜ファイル(mml形式)を作成します。
3. WinAVR-20060421, http://sourceforge.net/projects/winavr/
   　AVR用のCコンパイラです。電子オルゴールプログラム(mymelo1.c〜mymelo3.cとmymelo.h)から機械語プログラム(mymelo.hex)を作成する際に使いますので、予めインストールしておきます。インストール時には、「Install Files」と「Add Directories to PATH」をチェックします(他はどちらでもOK)。

   　また、Windows2000/XPでSP12を使用する場合は、giveio.sysを組み込みます。現在はWinAVRにgiveio.sysが同梱されているので、WinAVRのインストール後に次の操作をします。

   1. コマンドプロンプトを起動する。
   2. 「cd \winavr\bin」と操作し、カレントディレクトリを移動する。
   3. 「install_giveio」と操作し、「Success」の表示を確認する。

4. 書き込み装置...こちらのページを参照
   　機械語プログラムをマイコンIC(ATtiny2313またはATtiny45)に書き込む際に書き込み装置が必要となります。「ものづくり教室」などを計画する際には書き込み装置を全体で1〜2台用意します。

3. オルゴール波形について

　電子オルゴールの波形はPWM(パルス幅変調)という方法で作っています(下図左)。矩形波の1周期は32μsで固定ですが、ハイレベル(3V)の時間を32μsの0/256〜255/256の256段階で調整することにより(黒線の波形)、平均的に0V〜3Vの電圧を作りだしています(赤線の波形)。マイコンICが実際に出力する波形はパルス信号ですが、1周期32μsの信号の周波数成分は31kHz(およびその倍音)という私達が聴きとることができない高い周波数です。スピーカから音として発せられて私達が聞き取るのはその平均値信号で作られる波形、つまり赤線で表される波形になります。

(1) 減衰矩形波の信号

　減衰矩形波の信号は、下図のように作っています。図はラ(440Hz)の音の例で、矩形波の周期は2.27msです。

(2) 減衰正弦波の信号(tiny45)

　正弦波1波分256個の波形データを用意しています。サンプリング周期32μsごとに、データを出力すると122Hzの信号が出力されます。880Hzの信号を出力した時は、波形データを7個に1個の割合いで出力します(下図)。実際には、波形の精度を高めるために[2]を参考にしてプログラムを作りました。

　減衰波形は、2つの正弦波形の位相をずらして加算することにより振幅をコントロールしています(下図)。

また、2つのピンの出力信号を逆相にし、減衰後のレベルを0にしています(下図)。

(参考文献)

ものづくり教室などでの利用記録

(実施風景)

■ 第1回おもしろ教室(2005.10.22 於京都府木津川台小学校)

■ 課題制作(2005.10.19〜 鹿児島県立出水工業高校)

■ 卒業制作(2005.12.9〜2006.2.23 平賀町立小和森小学校)

サクラを使って楽譜入力	オルゴールの組み立て	先生が楽譜の書き込み
「好きな曲を...」と言うと子ども達は結構難しい曲を準備してきます。	間違わないようICやブザーの結線位置にマジックで目印が付けてありました。	楽譜の入力ミスなどは臨機応変に修正が必要です。

電子オルゴール付きのオリジナルCDラックが完成!!
CDラックを組み立てて、思い思いのデザインに。 オルゴールの取り付け位置もそれぞれに。 学校に来るのはあと10日あまりとなり、どれも小学校の思い出がたっぷり詰まったオルゴールでした。

■ 「私だけの電子オルゴール」製作教室(2006.8.8 於弘前大学)

■ 小学生電子工作教室(2006.12.22 兵庫県立篠山産業高校)

■ 卒業制作(2006.10.11〜2007.3.15 真室川町立大滝小学校(2007.3閉校))

■ 課題制作(2006.6.21〜2007.2 愛知県立碧南工業高校)[オルゴールの音を聴く]

■ 楽しい電子工作(2007.7.28〜29 於 秋田県産業技術総合研究センター)

■ 親子ものづくり挑戦コーナー(2007.10.20〜21 於 魚津産業フェア　北陸職業能力開発大学校 出展)

■ ものづくり体験フェスタ(2008.02.16 於 新川文化ホール　北陸職業能力開発大学校 出展)

■ 小学生向け公開講座(2008.08.20 鶴岡工業高校)

■ 卒業制作(2009.03.11 弘前大学教育学部附属特別支援学校)

■ 図工製作(2012.3.12〜15 大阪府豊中市立東泉丘小学校)[オルゴールの音を聴く]

□ 写真立ての制作メモ(2011.3)

　写真立てと電子オルゴールの組み合わせは今まで何種類か作りましたが、以下の方法がシンプルで上品な感じに仕上がりましたので、制作メモとして紹介します。2011年3月に7台作り、弘前大学教育学部附属特別支援学校を卒業する高等部の生徒さんにプレゼントしました。スピーカは生徒が作業学習で解体した家電機器からはずしたものを使いました。

1. 20mm厚程度の木板を200×145mmに切断し、表面および側面を紙ヤスリできれいに磨きます。
2. 木板の表面および側面をニスまたはクリヤーラッカーで塗装します(2度塗り)。
3. PET樹脂板を190×135mmに切断し、エッジをヤスリで仕上げます。PET樹脂板は裁断機できれいに切断できます。
4. 木板およびPET樹脂板の穴加工をします(下図)。
5. ケースの穴加工をします(下図)。
6. ケースにスイッチを取り付け、部品を組み立て、完成したら木板に固定します。
7. 木板中央にハガキサイズの写真を両面テープで固定し、PET樹脂板をトラスタッピングネジで留めて♪ 完成 ♪です。

木板の加工	PET樹脂板の加工
	材料・部品 部品名 規格・型番等 木板 廃材利用(200×145mm 20mm厚) PET樹脂板 アクリサンデー 透明1mm厚(190×135) ネジ トラスタッピングネジ 4×10 黒 ケース ダイソー ミニスタンド A-63 @100 マイコンIC ATtiny85V-10PI(Digi-Key @204) スピーカ ハズシ品または適当なもの(秋月 P-03285 @100 等) スイッチ サンワ OBSF-24-W(千石電商 @140) 電池ボックス 単4×2本用(秋月 BH-2421-1A @50) 電池 単4×2本 抵抗 47Ω 1/6W 積層セラミックコンデンサ 1μF
ケースの加工