ボタンを押すとランダムな色にLEDが光るプログラムをAIと作ってみた～物理ノイズとM系列乱数、 パワーダウンモードを使った省電力デバイスの作成

子供はくじ引きが大好きで、自分でくじ引きの箱を作ってしまうほどです。
そんなくじ引き好きの子供のために、３色LEDとAttiny13Aを使ってボタンを押すたびにランダムな色にLEDが点灯するデバイスを作ってみました。
今は2026年なので、Geminiにコーディングを担当してもらいました。

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プロジェクト概要

ATTiny13Aを使用し、3色LEDを「じわっと」光らせる3ビット（8通り）の電子サイコロ。単なる擬似乱数ではなく、ADCの浮動電圧（環境ノイズ）をエントロピーとして取り込み、M系列（LFSR）を撹拌することで高いランダム性を実現しています。

1. ハードウェア仕様

• MCU: ATTiny13A (1.2MHz 内蔵RCオシレータ)
• 出力: PB0, PB3, PB4 (3色LED / ソフトウェアPWM制御)
• 入力: PB1 (プッシュボタン / 内部プルアップ)
• エントロピー源: PB2 (浮動ピン / ADC入力)
• 電源: パワーダウンモードを活用し、待機電流を極限まで抑制。

2. ソフトウェアの特徴

① 物理ノイズによるエントロピー蓄積

setup_seed() 関数では、どこにも接続されていないPB2ピンの電位をADCで読み取ります。

• 飽和回避: ADC値が 0 または 1023（VCC/GNDに張り付き）の時は、有効なノイズが得られるまでサンプリングをリトライします。
• ビット反転: 読み取った値の下位1ビットを用いて、既存のシード（lfsr_state）をXORで反転させます。これにより、前回の状態を活かしつつ物理的な不確実性を累積させます。

② M系列（LFSR）擬似乱数

8ビットの線形帰還シフトレジスタ（多項式: $x^8 + x^6 + x^5 + x^4 + 1$）を採用。

• 計算負荷が極めて低く、1KBのメモリ制限下で効率的に乱数列を生成します。
• スリープ復帰ごとに物理ノイズで状態をかき混ぜるため、決定論的な周期性を打破しています。

③ 輝度補正付きソフトウェアPWM

3つのピンをソフトウェア制御することで、滑らかなフェードイン・フェードアウトを実現。

• 比視感度補正: 赤(R)に対して明るく見えやすい緑(G)と青(B)の最大輝度を係数（SCALE_G, SCALE_B）で制限し、視覚的なバランスを整えています。

④ 鉄壁のチャタリング・誤動作対策

• PCINT（ピン変化割り込み）の特性を考慮し、スリープ直前に GIFR（割り込みフラグ）を強制クリア。
• 「ボタンを離すまで待つ」＋「ウェイト」の組み合わせにより、ボタン操作1回につき確実に1回だけ演出が実行されるよう制御。

3. ジャックポット演出

抽選結果が 000（通常は消灯）となった場合、特別な「虹色（カラーサイクリング）」演出を実行。RGBの各値を位相をずらして制御し、ゲーミングデバイスのような滑らかな色変化を提供します。

#define F_CPU 1200000UL
#include <avr/io.h>
#include <avr/interrupt.h>
#include <avr/sleep.h>
#include <util/delay.h>

#define LED_MASK ((1 << PB4) | (1 << PB3) | (1 << PB0))
#define BUTTON_PIN PB1
// --- 輝度調整用パラメータ (0.0〜1.0 のイメージで調整) ---
// 赤(PB0)はそのまま、緑(PB3)と青(PB4)を絞る
#define SCALE_R  255  // 赤はフルパワー
#define SCALE_G  70  // 緑は少し控えめに (0-255で指定)
#define SCALE_B  140  // 青も控えめに (0-255で指定)

// M系列用の状態変数（0以外で初期化が必要）
uint8_t lfsr_state = 0x01; 
uint8_t r_val, g_val, b_val;
uint8_t seed = 0;
int delay_ms=2;

// ADCを使って浮動ピン(PB2)からノイズを読み取りシードを作る
// ADCを使って浮動ピン(PB2)からノイズを読み取り、エントロピーを蓄積する
void setup_seed() {
    ADMUX = (1 << MUX0); // ADC1 (PB2) 選択
    ADCSRA = (1 << ADEN) | (1 << ADPS1) | (1 << ADPS0); 

    // 8ビット分（1バイト分）の有効なエントロピーが溜まるまで繰り返す
    for (uint8_t i = 0; i < 8; i++) {
        uint16_t val;
        
        while (1) {
            ADCSRA |= (1 << ADSC); // 変換開始
            while (ADCSRA & (1 << ADSC)); // 完了待ち
            val = ADC;

            // 飽和チェック: 0(GND付近) または 1023(VCC付近) でなければ採用
            if (val > 0 && val < 1023) {
                break; // 有効なノイズが得られたのでループ脱出
            }
            
            // 飽和している場合は少し待ってからリトライ
            _delay_us(100);
        }

        // ADCの下位1ビットが 1 の場合、現在のビットを反転(XOR)
        if (val & 0x01) {
            lfsr_state ^= (1 << i);
        }
        
        _delay_us(200); // サンプリング間隔を空けて独立性を高める
    }

    ADCSRA &= ~(1 << ADEN); // 終了後、省電力のためADC停止
}

// 8ビットM系列擬似乱数生成器
uint8_t get_lfsr_random() {
    // 多項式: x^8 + x^6 + x^5 + x^4 + 1
    uint8_t bit = ((lfsr_state >> 0) ^ (lfsr_state >> 2) ^ (lfsr_state >> 3) ^ (lfsr_state >> 4)) & 0x01;
    lfsr_state = (lfsr_state >> 1) | (bit << 7);
    return lfsr_state;
}

void soft_pwm_cycle() {
    for (int i = 0; i < 255; i++) {
        uint8_t port_bits = 0;
        if (i < r_val) port_bits |= (1 << PB0);
        if (i < g_val) port_bits |= (1 << PB3);
        if (i < b_val) port_bits |= (1 << PB4);
        PORTB = (PORTB & ~LED_MASK) | port_bits;
        _delay_loop_1(delay_ms); 
    }
}

void fade_normal(uint8_t val) {
    uint8_t m0 = (val & 0x01);
    uint8_t m3 = (val & 0x02);
    uint8_t m4 = (val & 0x04);
    delay_ms=1;
    for (int16_t i = 0; i <= 255; i += 2) {
        // i(0-255)に対して各色の比率を掛けて上限を抑える
        r_val = m0 ? ((uint16_t)i * SCALE_R / 255) : 0;
        g_val = m3 ? ((uint16_t)i * SCALE_G / 255) : 0;
        b_val = m4 ? ((uint16_t)i * SCALE_B / 255) : 0;
        soft_pwm_cycle();
    }
    //_delay_ms(200);
    for (int16_t i = 255; i >= 0; i -= 2) {
        r_val = m0 ? ((uint16_t)i * SCALE_R / 255) : 0;
        g_val = m3 ? ((uint16_t)i * SCALE_G / 255) : 0;
        b_val = m4 ? ((uint16_t)i * SCALE_B / 255) : 0;
        soft_pwm_cycle();
    }
    
}

void jackpot_rainbow() {
    r_val = 255; g_val = 0; b_val = 0;
    delay_ms=1;
    for (int step = 0; step < 6; step++) {
        for (int i = 0; i < 255; i += 2) {
            if (step == 0) g_val = i; 
            else if (step == 1) r_val = 255 - i;
            else if (step == 2) b_val = i;
            else if (step == 3) g_val = 255 - i;
            else if (step == 4) r_val = i;
            else if (step == 5) b_val = 255 - i;
            soft_pwm_cycle();
            //for (uint8_t r = 0; r < 2; r++) soft_pwm_cycle();
        }
    }
    r_val = g_val = b_val = 0;
    soft_pwm_cycle();
}

void go_to_sleep() {
    GIMSK |= (1 << PCIE);
    PCMSK |= (1 << PCINT1);
    set_sleep_mode(SLEEP_MODE_PWR_DOWN);
    GIFR = (1 << PCIF);
    sleep_enable();
    _delay_ms(50); // チャタリング防止
    sei();
    sleep_cpu();
    sleep_disable();
    cli();
}

ISR(PCINT0_vect) {}

int main(void) {
    DDRB |= LED_MASK;
    DDRB &= ~(1 << BUTTON_PIN);
    PORTB |= (1 << BUTTON_PIN);

    while (lfsr_state == 0) {
        setup_seed();
    }
    setup_seed(); // 起動時に一度だけ浮動電圧からシード生成
    setup_seed();
    setup_seed();

    while (1) {
      // --- 1. スリープに入る前にボタンが離れるのを待つ ---
        // これを入れないと、離した瞬間の電圧変化でまた目覚めてしまいます
        _delay_ms(50); // チャタリング防止
        while (!(PINB & (1 << BUTTON_PIN))){
          _delay_ms(50); // 離した直後のノイズも待つ
        }
        
        go_to_sleep();
        
        while (!(PINB & (1 << BUTTON_PIN))){ // チャタリング・長押し対策
          _delay_ms(50);
        }

        uint8_t rnd = get_lfsr_random(); // M系列から取得
        uint8_t result = rnd & 0x07;    // 下位3ビットを使用

        if (result == 0) {
            jackpot_rainbow();
        } else {
            fade_normal(result);
        }
        setup_seed();
    }
}