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Small World 4MH711 / YAMAHA YMU251-D
2025.05.08

YouTube でも紹介しています。画像をクリックすると再生できます。


Small World 4MH711 は1990年半ば、リズム時計工業株式会社から発売されていたカラクリ時計です。 このカラクリ時計は正時毎に人形が動き、音楽が流れます。
時計の重量は約2.5Kgもあるので、丈夫な柱に釘打ちして掛ける必要があり、 高さ約44cm、幅38cm、奥行き7㎝もあるので設置場所を検討しなければなりません。
しかし、流れでるメロディーはオルゴールのようなやさしさがあり、堪らなく魅力的です。 そこで内蔵されているメロディICを取り出し再生できるようにしました。


辛抱強く待っていれば格安品を手に入れることもできるかもしれなかったのですが、 メルカリくじというものに当選したらしく7800ポイント手元にあり、しかも有効期限が迫っていたので、メルカリで購入してしまいました。

このSmall World 4MH711には、YAMAHA YMU251-D 126 というメロディLSIが搭載されています。
●YAMAHA YMU251-D DATASHEET

本LSIは事業者から曲、音色、アレンジ等の要望を聞いて、データ開発を行ってカスタム品として受注生産されていました

赤線の部分が受注型番です。
・DAC、水晶発振用回路を内蔵し、少ない周辺部品で構成可能
・FM音源(2オペレータモード)による豊かな音色
・発音域3オクターブ
・楽譜データは最大8曲収録可能
・音色データは最大8音色で、1局につき4音色まで設定可能
・3V電圧動作可能

受注型番126(あるいは125)に収録されている楽曲は下記の通りです。
1.卒業写真
2.We’re All Alone
3.いとしのエリー
4.Yesterday Once More
5.中央フリーウェイ
6.Without You
YAMAHA YMU251 Series (簡易)
邦楽を奏でるからくり時計は多くはありません。

この曲目はリズム時計工業株式会社の下記の製品に収録されています
・Small World 4MH711
・Small World ALEM DX 4MH713 (D125)
・Small World ALEM A 4MH712 (D126)


それでは分解して音源ICを取り出します


裏面のすべてのネジを外すと簡単にカバーが取れます


御目立てのメロディーICの状態はとても良さそうです


制御基板を取り出しました


裏面は結構複雑です


はんだ付けされている部分にペースト状のフラックスを塗り、さらにペースト状の低温融解ハンダ(融点138℃)を盛り付けて はんだゴテで過熱して既存のハンダと馴染ませた後に、白光のハンダ吸引器で吸い取りました。
YAMAHAメロディIC YMU251-D と 村田製作所450KHzのセラミック発振器を無事取り外すことができました。


メロディIC自体を基板にはんだ付けしたくなかったので丸ピンICソケットに挿しています

●Arduino Pro Mini
マイコンボードには、Pro Mini 8MHz@3.3Vを使用しました。5V駆動マイコンでも大丈夫なようです。
There are two version of the Pro Mini. One runs at 3.3V and 8 MHz, the other at 5V and 16 MHz.

Arduino Pro Mini



Power
The Arduino Pro Mini can be powered with an FTDI cable or breakout board connected to its six pin header, or with a regulated 3.3V or 5V supply (depending on the model) on the Vcc pin. There is a voltage regulator on board so it can accept voltage up to 12VDC. If you're supplying unregulated power to the board, be sure to connect to the "RAW" pin on not VCC. The power pins are as follows:
RAW For supplying a raw voltage to the board.
VCC The regulated 3.3 or 5 volt supply.
GND Ground pins.

Memory
The ATmega328P has 32 kB of flash memory for storing code (of which 0.5kB is used for the bootloader). It has 2 kB of SRAM and 1kBs of EEPROM (which can be read and written with the EEPROM library.

Input and Output
Each of the 14 digital pins on the Pro Mini can be used as an input or output, using pinMode, digitalWrite, and digitalRead functions. They operate at 3.3 or 5 volts (depending on the model). Each pin can provide or receive a maximum of 40 mA and has an internal pull-up resistor (disconnected by default) of 20-50 kOhms. In addition, some pins have specialized functions:
・Serial: 0 (RX) and 1 (TX). Used to receive (RX) and transmit (TX) TTL serial data. These pins are connected to the TX-0 and RX-1 pins of the six pin header.
・External Interrupts: 2 and 3. These pins can be configured to trigger an interrupt on a low value, a rising or falling edge, or a change in value. See the attachInterrupt function for details.
・PWM: 3, 5, 6, 9, 10, and 11. Provide 8-bit PWM output with the analogWrite function.
・SPI: 10 (SS), 11 (MOSI), 12 (MISO), 13 (SCK). These pins support SPI communication, which, although provided by the underlying hardware, is not currently included in the Arduino language.
・LED: 13. There is a built-in LED connected to digital pin 13. When the pin is HIGH value, the LED is on, when the pin is LOW, it's off.
The Pro Mini has 8 analog inputs, each of which provide 10 bits of resolution (i.e. 1024 different values). Four of them are on the headers on the edge of the board; two (inputs 4 and 5) on holes in the interior of the board. The analog inputs measure from ground to VCC. Additionally, some pins have specialized functionality:
・I2C: A4 (SDA) and A5 (SCL). Support I2C (TWI) communication using the Wire library.
There is another pin on the board:
・Reset. Bring this line LOW to reset the microcontroller. Typically used to add a reset button to shields which block the one on the board.


ブレッドボード左側に YMU251-D、右上部に Pro mini、その手前にセラミック発振器を配置しています。 また、YMU251-DのA0ピンに3.5mmステレオミニジャックをモノラルにして繋いでいます。

SPEAKERYMU251DPro Mini
1:VDD ------- 3V3
2:S0(pullup) ------- 2
3:S1(pullup) ------- 3
4:S2(pullup) ------- 4
5:/ST(pullup) ------- 5
6:MOD(pullup) ------- 6
7:/IC(pullup) ------- 7
Audio SIG ------ 8:A0
GND ------ 9:VSS ------- GND
13:/PLAY ------- 8
15:XO - 450KHz - 100pF - GND
15:XI - - 100pF - GND
(pullup):プルアップ抵抗付き入力端子

データシートでは発振周波数447.443Hzになっていますが、制御基板に実装されているのは450KHzの発振器です。 455KHzでも動作するようです。
基板には100pFのコンデンサが実装されていたので、同様に絶縁ラジアルコンデンサ100pFを使用しました。

動作モードには、曲を繰り返すレベルホールドと繰り返し回数を指定できるワンショットモードがあります。 ここではワンショットモードを使用します。
●One shot mode

繰り返し回数未指定の場合はROMの初期値1回になります。


1.起動時にICピンを80msの間、LOWにしてイニシャルクリアしています
2.曲指定時のパルス幅Tstw = 32813CLOCK なので、32813/450000(Hz) →73ms となり、80msの待ち時間を設定します

曲指定はS0(a0),S1(a1),S2(a2)ピンのLOW,HIGHの組合せで曲を指定します

3.演奏中は/PLAYピンがLOWなので待機します

その他、詳細はデータシートYMU251 FM MUSIC Player 2をご覧ください

下記のコードでは収録曲6曲を順次演奏させています。
#define PIN_S0    2
#define PIN_S1    3
#define PIN_S2    4
#define PIN_ST    5
#define PIN_MOD   6
#define PIN_IC    7
#define PIN_PLAY  8

void play(int music_no)
{
	digitalWrite(PIN_ST, LOW );
	digitalWrite(PIN_MOD,HIGH);
	delay(10);

	switch(music_no) {
		case 1:
			digitalWrite(PIN_S2,LOW );
			digitalWrite(PIN_S1,LOW );
			digitalWrite(PIN_S0,LOW );
			break;
		case 2:
			digitalWrite(PIN_S2,LOW );
			digitalWrite(PIN_S1,LOW );
			digitalWrite(PIN_S0,HIGH);
			break;
		case 3:
			digitalWrite(PIN_S2,LOW );
			digitalWrite(PIN_S1,HIGH);
			digitalWrite(PIN_S0,LOW );
			break;
		case 4:
			digitalWrite(PIN_S2,LOW );
			digitalWrite(PIN_S1,HIGH);
			digitalWrite(PIN_S0,HIGH);
			break;
		case 5:
			digitalWrite(PIN_S2,HIGH);
			digitalWrite(PIN_S1,LOW );
			digitalWrite(PIN_S0,LOW );
			break;
		case 6:
			digitalWrite(PIN_S2,HIGH);
			digitalWrite(PIN_S1,LOW );
			digitalWrite(PIN_S0,HIGH);
			break;
	}
	delay(80);

	digitalWrite(PIN_ST, HIGH);
	digitalWrite(PIN_MOD,LOW) ;

	while(!digitalRead(PIN_PLAY));
	delay(80);
}

void setup()
{
	pinMode(PIN_S0,   OUTPUT);
	pinMode(PIN_S1,   OUTPUT);
	pinMode(PIN_S2,   OUTPUT);
	pinMode(PIN_ST,   OUTPUT);
	pinMode(PIN_MOD,  OUTPUT);
	pinMode(PIN_IC,   OUTPUT);
	pinMode(PIN_PLAY, INPUT );

	digitalWrite(PIN_ST,HIGH);
	digitalWrite(PIN_IC,LOW );
	delay(80);
	digitalWrite(PIN_IC,HIGH);

	for(uint8_t no=1;no<=6;no++) {
		play(no);
		delay(1000);
	}
}

void loop() {}

ソースコードのビルド用にRaspberry Pi 3 model A+を繋き、ビルド環境には PlatformIOを使用しています。
Arduino開発環境構築 PlatformIO

$ pio boards "Pro Mini"
Platform: atmelavr
================================================================================================
ID                MCU        Frequency Flash RAM Name
----------------- ---------- --------- ----- --- -----------------------------------------------
pro8MHzatmega168  ATMEGA168  8MHz      14KB  1KB Arduino Pro or Pro Mini ATmega168 (3.3V, 8 MHz)
pro16MHzatmega168 ATMEGA168  16MHz     14KB  1KB Arduino Pro or Pro Mini ATmega168 (5V, 16 MHz)
pro8MHzatmega328  ATMEGA328P 8MHz      30KB  2KB Arduino Pro or Pro Mini ATmega328 (3.3V, 8 MHz)
pro16MHzatmega328 ATMEGA328P 16MHz     30KB  2KB Arduino Pro or Pro Mini ATmega328 (5V, 16 MHz)
sparkfun_megamini ATMEGA2560 8MHz      252KB 8KB SparkFun Mega Pro Mini 3.3V
$ pio init -b pro8MHzatmega328
$ pio run -t upload

●メロディICの再生

外部入力端子付きラジオのスピーカーを利用して再生しています

YMD251-D 126

 Raspberry Pi(ラズベリー パイ)は、ARMプロセッサを搭載したシングルボードコンピュータ。イギリスのラズベリーパイ財団によって開発されている。
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2020.07.22 波形処理 第2回 平均律と純正律
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2021.01.16 波形処理 第4回 コード演奏
2021.08.07 MIDI制御/Adafruit Music Maker
2021.08.23 MIDIフォーマット解析
2021.08.24 オーディオアンプ・スピーカー
2021.10.10 音声ファイルの切貼り
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