Arduinoを内部クロック(8MHz)で動かす

概略

最小構成(発振子など一切なし)でArduinoを使いたかったので内部クロック(8MHz)ブートローダの書き込みをやってみました．ネット上には古い情報が出回っており，公式の方法は簡単にできるわりに情報が少なかった(2020/11/24現在)ので備忘録として記録します．

準備物

手順

①hardware configurationのダウンロードと配置

From Arduino to a Microcontroller on a Breadboardのbreadboard-1-6-x.zipをダウンロード＆解凍します．
キャプチャ1
スケッチブックフォルダ(デフォルトだと"ドキュメント"→"Arduino")に"hardware"という名前のフォルダを作り，解凍された"breadboard"フォルダを入れます．
キャプチャ2
ここで，もし電源電圧を3.3Vないしもっと低い電圧でマイコンを動かしたいなら，ヒューズビッツの設定を書き換える必要があります．注意点として，ビットを書き込んだ場合は論理レベルが"0"になるという点があります．つまり，0を書き込むと論理レベルは"1"，1を書き込むと論理レベルは"0"になります．逆になっています．
キャプチャ11
AVRにはBrown-Out Detection (BOD)と呼ばれる機能がついており，一定の電源電圧を下回るとリセットがかかります．このBODを作動させる閾値電圧はヒューズビッツのExtended Fuse Byteによって設定されます．
キャプチャ12
具体的なビットの組み合わせは，以下のようになっています．なお，古いデータシートを参照すると110がReservedになっていません．また，BOD disabledにすると，電圧降下によるリセットが行われなくなり，つまり作動する最低電圧(2.7V(古いデータシートだと1.8V))までマイコンが動くようになります．
キャプチャ13
具体的な設定方法は，スケッチブックフォルダ→"hardware"→"breadboard"→"avr"→"boards.txt"を開き，
atmega328bb.bootloader.extended_fuses=0x05
の"0x05"部分を任意の値に変更すればOKです．例えば2.7V(Typ)でBODを作動させるには，表から"101"→(ビットを反転)→"010"→(16進数に変換)→"0x02"となります．ブートローダを書き込んだ後にヒューズビッツを変更したい場合は，ブートローダを再書き込みすれば大丈夫です．

②Arduino Uno R3をブートローダ書き込み機にする

"ファイル"→"スケッチの例"→"11.ArduinoISP"→"ArduinoISP"を選択しスケッチを開き，ボードをUnoとCOMポートを設定し，Unoに書き込みます．
キャプチャ3
キャプチャ4
Warningが出ますが大丈夫です．
キャプチャ5

③ブートローダ書き込み機になったArduino Uno R3からATmega328P-PUへ書き込み

"ツール"→"ボード"→"breadboard-avr(in sketchbook)"→"ATmega328 on a breadboard (8 MHz internal clock)"を選択し，"ツール"→"書込装置"→"Arduino as ISP"を選択します．"ArduinoISP"ではないので注意です．また，ボードの選択を誤ると，別のブートローダが書き込まれるので注意しましょう．
キャプチャ6
キャプチャ7
図のように配線し(電源は上下に2ヶ所入れなくても(内部で通電しているので)片方だけでOK)，
イメージ1
"ツール"→"ブートローダを書き込む"をクリックします．
キャプチャ8
"ブートローダの書き込みが完了しました。"のメッセージが出れば成功です．Warningが出ますが無視でOKです．
キャプチャ9

④8MHz Arduino Uno R3へ書き込みテスト

ライタとして使ったUnoのマイコン部を外し，図のように配線します．これは，ArduinoボードをUSB⇔UART変換に使っているのです．市販のUSB⇔UART変換モジュール(DTR端子付き)でも大丈夫です．ただし，0.1uのコンデンサをDTR-RESET端子間にはさみ，RESETを10kでプルアップしなければなりません．
イメージ2
"ファイル"→"スケッチの例"→"Basics"→"Blink"を選択し，"ツール"→"ボード"→"breadboard-avr(in sketchbook)"→"ATmega328 on a breadboard (8 MHz internal clock)"を選択し書き込みます．これまたWarningが出ますが大丈夫です．
キャプチャ10

⑤Blinkのテスト

ATmega328P-PUの19番ピン(Arduinoの13番ピン相当)を，マイコンを外したボードの13番ピンに接続すると，LEDの点滅が確認できます．
m1.mp4
ピンアサインは以下の通りになっています．
イメージ3

⑥おまけ ATmega328P-AU(表面実装品)の場合

①～③までの手順は変わらないですが，ATmega328P-AU(表面実装品)に配線できる環境がないのでaitendoのQFPでいいのを使ってブートローダ書き込み＋8MHz駆動でBlinkを試してみました．ポイントとしては，キットに付属する水晶発振子と22pFコンデンサx2を実装しないでおくことです．スケッチの書き込みには，同じくaitendoのUSB-UART変換モジュール(M2102P6D8UAM)を使いました．13番ピンの青色LEDが異常に明るいので電流量を計算してみましたが，おおむね5mAと大丈夫な範囲でした．
m2.mp4

注意事項

環境

参考資料