Arduino をはじめようオープンソースハードウェア入門 ~ Arduino( アルドゥイーノ ) 始めてみませんか?

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けんじひろもり
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1 Arduino をはじめようオープンソースハードウェア入門 ~ Arduino( アルドゥイーノ ) 始めてみませんか?

2 A ワーク創造館共立電子産業株式会社株式会社チアーズ

Arduino とは Arduino( アルドゥイーノ ) は AVR マイコン入出力ポートを備えた基板 C++ 言語風の Arduino 言語とそれの統合開発環境から構成されるシステム Arduino はスタンドアロン型のインタラクティブデバイス開発だけでなくホストコンピュータ上のソフトウェア ( 例えば Adobe Flash

3 Arduino とは Arduino( アルドゥイーノ ) は AVR マイコン入出力ポートを備えた基板 C++ 言語風の Arduino 言語とそれの統合開発環境から構成されるシステム Arduino はスタンドアロン型のインタラクティブデバイス開発だけでなくホストコンピュータ上のソフトウェア ( 例えば Adobe Flash Processing Max/ MSP PureData SuperCollider) で制御することもできる組み立て済みの基板を購入することもできるがオープンソースハードウェアでありハードウェア設計情報の EAGLE ファイルは無料で公開されており誰でも自分の手で Arduino を組み立てることができる

4 Arduino プロジェクトは 2005 年にイタリアで始まり当時入手可能であった他の学生向けのロボット製造用コントロールデバイスよりも安価なプロトタイピングシステムを製造することを目的にスタートした設計グループは多くの競合製品よりも遥かに安価で簡単に使用できるプラットフォームの開発に成功した Arduino ボードは 2008 年 10 月までに 5 万ユニット以上が 2011 年 2 月で約 15 万台販売されている Arduino プロジェクトは 2006 年度のアルスエレクトロニカ賞において名誉言及を受けている wikipedia より

5 Arduino( マイコンボード ) とは簡単に言えば電気を流す or 電気を流さない ON OFF をすごく早いスピードで制御する事が出来るボードですこの ON OFF というのは PC や iphone などデジタル機器ではすべての基本となる技術となっておりどんなに高度なスマホやスーパーコンピューターでもスイッチをただ ON OFF しているだけとも言えますちょっと難しい話になってきたので現実的な話を Arduino は youtube に掲載されているようなかなり高度な実用的な作品などを作る事も出来ますが千里の道も一歩からということわざ通り今回はプログラムで言う所の Hello World にあたる LED チカチカ ( 通称 L チカ ) からスタートしましょうまずはソフトウェアのインストールを行います

6 を開きお使いの PC に適したソフトをダウンロードして下さいダウンロードが完了しましたらデスクトップに解凍して下さいインストールが完了しましたらソフトを立ち上げてみましょう環境が整いましたのでプログラミング & 回路作成を開始します

7 部品の説明抵抗用途としては電気信号を流れにくくする部品です単位はオーム (Ω) で表します値が大きいほど電気が流れにくくなります

8 LED 最近は照明などにも使用されるようになった発光素子です発光させるには足が長い方を (+) 短い方を ( ) の電極と接続させます

9 タクトスイッチ電子工作で使用する一般的なスイッチです押している間 ON になり離すと OFF になります

10 マルチカラー LED この一つの LED の中に 3 個の LED( 赤青緑 ) の LED が入っています足の配置は一番足の長い端子を左から 2 番目にした状態で左から赤端子青緑の順番になっています ( 逆に + 端子が共通になっている LED もあります )

11 温度センサー 3 本の足は左から電源の (+) センサーアウト電源の (-) という足配置になっていますセンサーは IC の中に入っておりこの IC だけで温度のデータを取得することが出来ます

12 LESSON1 L チカ (LED チカチカ )

13 通常電子回路を構築する場合は下記のようなユニバーサル基板と言われる基板の上に部品をはんだ付けして作っていくのですが基板の場合は一度はんだ付けをすると修正が大変です ( やけども怖い ) そこで今回はブレッドボードという簡単に回路が構成出来る便利アイテムを使って電子回路を作っていきますブレッドボードは下記の通りの部分がすべて繋がっており部品を刺すだけで回路が構築出来るので今後の為にも使い方を覚えておいて下さいでは下記の図通りに配線していって下さいブレッドボードユニバーサル基板

14 Arduino の 13 番ピンには 1KΩ の抵抗があらかじめ入っているので直接つなぐこともできますが別の回路を取り付けることも考慮してブレッドボードを経由して接続します図 1 L チカ

15 つぎにプログラムを入力していきます空白部分に次ページに書かれている呪文のような文章を書き込んでいって下さい ( 解説は後ほど行います ) 書き込みが終わりましたら左上の検証のボタンを押して下さい動かない場合はプログラムミスもしくはシリアルポート設定ミスのどちらかです下の黒色部分に赤い文字でエラーメッセージが出た方は講師まで連絡お願いします

16 // LESSON1:L チカ (LED チカチカ ) // とりあえず LED をピカピカしてみましょう #define LED 13 // LED をデジタル 13 ピンに接続 void setup() { pinmode(led,output); // デジタルピンを出力に設定 void loop() { digitalwrite(led, HIGH); // LED 点灯 delay(500); // 0.5 秒維持 digitalwrite(led, LOW); // LED を消す delay(500); // 0.5 秒維持

17 簡単にプログラムを説明 void setup() この中に Arduino がどんな風に動くべきなのかピンはどういう風に機能すべきなのかを宣言していきます void loop() 繰り返し実行する事を書いていきますこの中に書いた内容を Arduino は電源を切るまでひたすら繰り返しますどんなに難しい事をやっていても Arduino のプログラムは大きく分けてこの二つの中になにを入れるかで決まります // の後ろに書いてある言葉はコメントと言いプログラムには関係無いプログラムの解説を書いていきますささっとプログラム書きたい時はコメントを書かない事もありますが後で見た時にあれ? これ何のプログラムだ? となる事があるのでプログラムを書く際はコメント書く事をオススメします

18 では次に簡単な応用問題 LED 点灯 2 秒 LED 消灯 2 秒 LED 点灯 1 秒 LED 消灯 1 秒が続くプログラムを作ってみましょう出来た方を押してプログラムを保存しておきましょう

19 LESSON2 タクトスイッチで LED の ON/OFF 制御

20 次にタクトスイッチを使って LED を ON/OFF してみましょう押している間点灯ということを試しますタクトスイッチが押されている状態を検知して制御します長図 2 タクトスイッチで LED 制御

21 // LESSON2: タクトスイッチで LED の ON/OFF 制御 // スイッチを押している間点灯 #define LED 13 //LED が接続されたピン #define SW 2 // スイッチが接続されたピン int swstate = LOW; // スイッチの状態を保持する変数 void setup(){ pinmode(led,output); //LED が接続されたピンを出力に設定 pinmode(sw,input); // スイッチが接続されたピンを入力に設定 void loop(){ swstate = digitalread(sw); // スイッチの状態を取得 if(swstate==high){ // スイッチが押されていたら digitalwrite(led,high); // 点灯に設定 else{ // それ以外だったら ( 押されていなかったら ) digitalwrite(led,low); // 消灯に設定

22 if 文 ( 条件文 ) の説明をします if(swstate==high){ digitalwrite(led,high); else{ digitalwrite(led,low); という処理が出てきました if( 条件 ){ 条件が成立しているときの処理 else{ その他の条件のときの処理という意味になります If 文の条件で同じ場合という条件を表現したい場合は == を使います同じではない場合という条件を表現したい場合は!= を使います

23 次にタクトスイッチを押すたびに LED の ON/OFF が切り替わるプログラムを考えてみてください 1. タクトスイッチを押して離す 2.LED 点灯 3. タクトスイッチを押して離す 4.LED 消灯 1 に戻る

24 LESSON3 PMW( パルス幅変調 ) での LED 制御

25 次は LED をじんわり明るくしたりじんわり暗くするプログラムを作成してみますこのじんわりな LED 制御には PWM( パルス幅変調 ) 制御という方式でコントロールしていきます

26 Arduino のアナログ出力は PWM を使った擬似的なアナログ出力ですデジタルピンの番をアナログ出力用のピンとして利用できます長図 3 PWM 出力

27 // LESSON3:PWM( パルス幅変調 ) での LED 制御 //PWM で LED をじんわりじんわり #define LED 9 //LED が接続されたピン int i = 0; // カウント用 void setup(){ pinmode(led, OUTPUT); // LED のピンの出力に設定 void loop(){ for (i = 0; i < 255; i ++) { //0 から 254 までループ analogwrite(led, i); //LED の明るさをセット delay(10); //10 ミリ秒停止 for(i = 255; i > 0; i--) { // 255 から 1 まで analogwrite(led, i); delay(10);

28 ここで一番難しい部分は for 文 ( ループ文 ) だと思います for (i=0 ; i<255; i++) { を例とします i=0 ループカウンタの初期値を設定 i<255 ループ条件の設定この条件が成立している間はずっと繰り返す i<=255 = を付けると i=266 になった場合にループから抜けます i++ ループ毎のループカウンタの増減設定 1 づつ足したい場合 i++ (i=i+1 でも同じ意味 ) 1 づつ引きたい場合 i-- (i=i-1 でも同じ意味 ) 2 づつ足したい場合 i=i+2 という事を表しています前ページまでのプログラムを見て何を条件にループを回してどういう条件になったらループから抜けて次の処理に移るプログラムを書こうとしているか把握してくださいこの値を変えてループ文を増やしていけばランダムに光る LED が完成します

29 LESSON4 温度センサーの信号を PC に表示させる

30 LM35 温度センサー IC の回路を作り温度を計測します図 4 温度計測回路

31 //Lesson4 温度センサーの信号を PC に表示させる float temp; int temppin = 0; void setup() { Serial.begin(9600); void loop() { temp = analogread(temppin); temp = (5.0 * temp * 100.0)/1024.0; Serial.print("TEMPRATURE = "); Serial.print(temp); Serial.println(" 度 "); delay(1000);

32 LM35 は IC の内部の温度センサーが内蔵されています 3 本の足は左から電源のプラス側温度によって電圧が変化する出力端子電源のマイナスという構成になっています

33 シリアルモニタ各種センサーからどのような値を取得できているか確認するためにシリアルモニタを使用しますプログラムのデバッグ用にも使いますのでしっかり覚えてください PC 上の ArduinoIDE( 開発環境 ) と Arduino ボードをシリアルポートでつないでプログラムを書き込んでいるのですが同じ経路を利用して Arduino ボード側で取得した値を PC 上に表示させます // PC 上で設定したシリアル通信の速度を指定します Serial.begin(9600); // シリアルモニタに文章 ( テキスト ) を表示させます Serial.print("TEMPRATURE = "); // シリアルモニタに値を表示させます Serial.print(temp); // 最後に改行を入れて表示させます Serial.println(" 度 "); Serial.println と Serial.print は改行があるかないかだけの違いです組み合わせてわかりやすくシリアルモニタに表示させてください

34 LESSON5 マルチカラー LED コントロール

35 LED にはかならず抵抗を入れて下さい抵抗を入れないと最悪 LED が破壊されてしまう可能性があります図 5 マルチカラー LED コントロール回路

36 void setup() { pinmode( 9,OUTPUT) ; // 赤 LED 接続のピン (9 番 ) をデジタル出力に設定 pinmode(10,output) ; // 青 LED 接続のピン (10 番 ) をデジタル出力に設定 pinmode(11,output) ; // 緑 LED 接続のピン (11 番 ) をデジタル出力に設定 digitalwrite( 9,LOW) ; digitalwrite(10,low) ; digitalwrite(11,low) ; void loop() { digitalwrite( 9,HIGH) ; // 赤 LED を点灯 digitalwrite(10,low) ; delay(300) ; digitalwrite(11,high) ; // 緑 LED を点灯 digitalwrite( 9,LOW) ; delay(300) ; digitalwrite(10,high) ; // 青 LED を点灯 digitalwrite(11,low) ; delay(300) ;

37 Lesson1 の LED が 3 つ増えた回路 & プログラムになるので各 LED を順に光らせることが出来ましたしかし紫やオレンジなど中間色を出す為には各 LED を同時に点灯させることが必要ですその為に次のプログラムが必要になります

38 void setup() { void loop() { int H ; int R, G, B ; /* HSV の H 値をで回します */ for (H=0 ; H<=360 ; H++) { /* HSV の H 値を各 LED のアナログ出力値 (0-255) に変換する処理 */ if (H <= 120) { /* H 値 (0-120) 赤 - 黄 - 緑 */ R = map(h,0,120,255,0) ; G = map(h,0,120,0,255) ; B = 0 ; else if (H <= 240) { // 次のページへ /* H 値 ( ) 緑 - 水色 - 青 */ // 赤 LED R G // 緑 LED G R

39 G = map(h,120,240,255,0) ; // 緑 LED G B B = map(h,120,240,0,255) ; // 青 LED B G R = 0 ; else { /* H 値 ( ) 青 - 紫 - 赤 */ B = map(h,240,360,255,0) ; // 青 LED B R R = map(h,240,360,0,255) ; // 青 LED R B G= 0 ; /* RGBLED に出力する処理 */ analogwrite(9,r) ; analogwrite(11,g) ; analogwrite(10,b) ; delay(100) ; // 9 番ピンから赤 LED の出力 // 11 番ピンから緑 LED の出力 // 10 番ピンから青 LED の出力

40 LESSON6 温度センサーとマルチカラー LED を組み合わせて温度によって LED の色が変化する照明を作る

41 LED の色によって抵抗の値が違います間違えた場合最悪 LED が破壊されることもありますので注意して回路を作って下さい図 6 温度センサー & マルチ LED 回路

42 float tempc; int temppin = 0; int redpin = 9; int greenpin = 11; int bluepin = 10; int bluetemp = 0; int greentemp = 0; int redtemp = 0; void setup() { Serial.begin(9600); //opens serial port, sets data rate to 9600 bps void loop() { tempc = analogread(temppin); tempc = (5.0 * tempc * 100.0)/1024.0; Serial.println((byte)tempC); // 次ページへ

43 if(tempc<0){ analogwrite(bluepin, 255); else if(tempc>0&&tempc<=15){ bluetemp= map(tempc, 0, 15, 255, 0); Serial.print("blueTemp1="); Serial.println(blueTemp); analogwrite(bluepin, bluetemp); else if(tempc>15){ analogwrite(bluepin, 0); Serial.println("blueTemp2=0"); if(tempc<5){ analogwrite(greenpin, 0); else if(tempc>5&&tempc<=10){ greentemp = map(tempc, 5, 10, 1, 254); Serial.print("greenTemp1="); Serial.println(greenTemp); analogwrite(greenpin, greentemp); // 次ページへ

44 else if(tempc>10&&tempc<=30){ greentemp = map(tempc, 10, 30, 255, 0); Serial.print("greenTemp2="); Serial.println(greenTemp); analogwrite(greenpin, greentemp); else if(tempc>30){ analogwrite(greenpin, 0); Serial.println("greenTemp3=0"); if(tempc<15){ analogwrite(redpin, 0); else if(tempc>=15){ redtemp= map(tempc, 15, 35, 1, 255); Serial.print("redTemp1="); Serial.println(redTemp); analogwrite(redpin, redtemp); else if(tempc>35){ analogwrite(redpin, 255); Serial.println("redTemp2=255"); delay(200);

45 LED を光らすだけの場合と違い動くモノを作るという事は本当は結構大変なことですしかしライブラリが充実している Arduino はこんなものを作りたいなと漠然としたものを作る時にかなり便利ですまた自分がひらめいた作りたいなという作品は大体先人が同じような物を考え作っている場合が多々ありますということは最初からプログラムを構築するのでは無くなにか作る前にネットで検索同じようなものを二つ三つ見つけそれをうまく合わせて自分なりの作品を作る方がゴールが近くなります販売できる製品レベルのモノをいきなり作ろうとすると難しいですがプロトタイプレベルであれば割りと簡単に作れる環境が整ってきていますこんなモノがあったらいいなと思うことがあればぜひチャレンジしてみてくださいあなたもすでにメーカーズの一員です! Arduino 関連のサイトは多くなったと言ってもまだまだ日本語の情報は少ないです英語サイトも色々漁ってみて下さい

46 とこんな感じに簡単にマイコンを使って色々なものを作る事が出来ます C 言語初めての方は大変だったかもしれませんが C 言語は現代のプログラムでは基本言語となっており勉強しておくと役に立つ事が多々ありますのでぜひ C 言語も勉強してみて下さい Arduino 日本語リファレンスはこちら本日はありがとうございましたここからは時間が残れば自由時間とします赤外線センサーや基板など色々パーツはありますのでネットや本で回路 & プログラムを探したり自由に Arduino で遊んでみて下さい

47 参考タクトスイッチを押すたびに LED の ON/OFF が切り替わるプログラム #define LED 13 #define SW 2 int swstate = LOW; int ledstate = LOW; void setup(){ pinmode(led, OUTPUT); pinmode(sw, INPUT); void loop(){ swstate = digitalread(sw); delay(100); if(swstate==high){ ledstate =!ledstate; swstate = LOW; if(ledstate==high){ digitalwrite(led, HIGH); else{ digitalwrite(led, LOW);

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