Arduinoブロックプログラミングで可変抵抗器を使った回路を作る【Lesson10】

ELEGOO Arduino用UNO R3スターターキットレベルアップチュートリアル付 mega2560 r3 nanoと互換 [並行輸入品]

ポチップ

パソコン

プログラムを作成するために必要です。

プログラム制御の演算はArduino側で行うため、パソコンのSPECは一般的なモデルで十分対応可能です。

パソコンのOSはWindows、Macどちらでも対応可能です。

Arduino本体【キット】

基本的なエディション｢Arduino Uno｣の互換機である、ELEGOO社のUNO R3を使用しています。

Arduino本体裏面のショート対策に、別売りのクリアケースの購入をおすすめしています。

各ソケットの役割など、Arduino本体の機能について以下の記事にて詳しく説明しています。

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USBケーブル【キット】

パソコンとArduinoを接続してプログラムデータのやり取りをするために必要です。

ブレッドボード【キット】

たくさんの穴が開いていて、部品の端子を穴に差し込むだけで電気的に接続が可能な板です。

説明図は30列のショート版ですが、スーパースターターキットに含まれる63列タイプでも機能面は同じです

LED(赤)【キット】

青のLED(発行ダイオード)を使用します。

LED素子にはプラスマイナスの極性があるため配線時には注意が必要です。

極性を間違えて配線すると、LEDは点灯しません

抵抗(220Ω)【キット】

220Ωの抵抗を使用し、LEDに接続します。

LEDは流せる電流値に制約があるため、抵抗を直列つなぎすることでLEDに流れる電流を調節します。

抵抗は極性がないので、配線時に方向を気にする必要はありません。

LEDを点灯させるために接続する抵抗の選び方については、こちらの記事で詳しく説明しています。

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【かんたん】LED点灯に使う抵抗の選び方と計算方法、極性と抵抗カラーコードの見分け方

可変抵抗器【キット】

今回使用する可変抵抗器はツマミを回転させることで、10kΩまで変化させることができるものです。

極性はありませんが、ツマミを左右どちらに回転させたときにどういった動作をさせたいか？によって各固定端子への配線が変わります。

詳しくは後述する配線図を参照してください

サーボモーター｢SG-90｣【キット】

サーボモーター｢SG-90｣を使用します。

サーボモーターは指定した回転角度を指示して、回転させることができる機器です。

Amazonでサーボモーター｢SG-90｣のみ購入することも可能です

ジャンパー線(オスーオス)【キット】

ジャンパー線を9本使用します。

Arduino本体とブレッドボードの接続や、ブレッドボードの共通電源ライン(GNDまたは５V)からブレッドボード内の配線系統穴に差し込んで接続するのに使います。

Arduino UNO R3 透明アクリルエンクロージャーケース薄型コンパクト

ポチップ

ポチップ

スターターキットに含まれる機器に関しては、以下の記事にて詳しく紹介しています。

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配線のやり方

可変抵抗器を使った、LED明るさ及びモーター角度制御回路の配線説明図(fritzingを用いて作成)

上図が配線説明図となりますので、これと同じ配線をすれば完成します。

サーボモーターからはコネクタ付きリード線が伸びてきていますので、写真のごとくジャンパー線を使って配線します。

今回サーボモーターは有り合わせのLEGOブロックで固定しましたが、必須内容ではありません。

必要な配線作業

LEDをブレッドボードに差し込む
可変抵抗器をブレッドボードに差し込む
220Ω抵抗をブレッドボードに差し込む
ジャンパー線をブレッドボードとArduinoソケットに差し込む
ジャンパー線をブレッドボード内で配線する(可変抵抗器と5VおよびGND)
ジャンパー線を使って、サーボモーターからのリードコネクタに差し込む

LEDや抵抗、ジャンパー線はArduinoのソケットやブレッドボード穴に差し込むだけでOKです。

LEDはプラス・マイナスの極性があります。

抵抗は極性がありません。

可変抵抗器は5V、GNDの接続端子に応じてツマミの回転角度に応じたアナログ入力値の増減方向が変わります。

LED極性の見分け方については、こちらをご確認ください。

機器故障させないためにも、USBケーブルを抜いた｢通電OFF｣状態にて配線を行ってください

可変抵抗器を使ったLED明るさ、モーター角度制御の考え方

今回の回路設計構想は以下になります。

LESSON10の回路設計構想

可変抵抗器の抵抗値変化をアナログ入力電圧値としてArduinoに取り込み、0～1023の値に変換する
変換されたアナログ入力値｢0～1023｣を、LED点灯用のアナログ出力値｢0～255｣に変換する
変換されたアナログ入力値｢0～1023｣を、サーボモーター回転角度指示値｢0～180度｣に変換する

ArduinoUnoR3のソケット機能説明

アナログ入力機能としてA0～A5ソケットが備わっています。

また、アナログ出力(PWM)機能として3、5、6、9～11ソケットが備わっています。

PWM出力機能が使えるソケットは基板上ソケット番号に｢～｣が印字されています

明るさセンサの検出値をアナログ入力値に変換する

今回のLESSON10では可変抵抗器の抵抗値を電圧に変換しています。

ArduinoUnoR3ではA0～A5のアナログ入力ソケットにかかる電圧｢0V～5V｣の範囲をアナログ入力値｢0～1023｣の値として識別することができます。

アナログ出力機能(PWM)を使ったLED明るさ制御

Arduinoでは0Vと5VのON時間の割合を調節することで、疑似的なアナログ出力ができる機能を持っています。

疑似的なアナログ出力方式をパルス変調といい、PWM(Pulse Width Modulation)出力といいます

アナログ出力の値は0～255までの256段階で出力、数値が大きいほどLEDが明るく点灯します。

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アナログ入力値を各指示値に変換する方法

アナログ入力値をアナログ出力及びサーボモーター回転指示角度に変換する考え方 — アナログ入力値を各出力値に変換する考え方

アナログ入力値が｢0～1023｣の1024段階であるのに対して、LED点灯アナログ出力値は｢0～255｣の256段階です。

サーボモーター回転角度は｢0～180度｣の181段階です。

上記段階の違いに応じて、アナログ入力値の1024段階のを各段階数変換することが可能です。

アナログ入力値を各指示値に変換する式

アナログ出力値＝アナログ入力値÷4
モーター角度値＝アナログ入力値÷5.7

せでぃあ

あとはプログラムに落とし込むだけだね！

プログラミングのやり方

Arduino IDEとスクラッチの両方について、プログラミング方法とプログラムを説明します。

2つのプログラミングの特徴は以下の通り。

ArduinoIDE：文字列による命令語形式
スクラッチ：ブロックによるビジュアル形式

文字列を使わないスクラッチの方が、直感的で分かりやすく小学生におすすめのプログラミング方法になります。

スクラッチを使ってプログラミングをする方は、スクラッチの説明まで読み飛ばしてください。

スクラッチを使えば、ArduinoIDEによる文字列プログラミングを自作しなくても動作させることができます

Arduino IDE

Arduino IDEとは統合開発ソフトウェアで、C言語のような文字列を用いたプログラミング方法です。

プログラミングするにあたり、ある程度の命令語を知っておく必要があります。

スクラッチプログラミングをする場合でも、Arduino IDEを使ったファームウェア書き込みが必要ですがプログラミング作成作業は必要ありません。

Arduino IDEのインストール方法については、以下の記事で詳しく説明しています。

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Arduinoの始め方、IDEのダウンロードとインストール方法【初心者向け】

プログラミング方法

Arduino IDEでのプログラミング画面(LESSON10) — Arduino IDEでのプログラミング画面

Arduino IDEを使って、文字列プログラミングを行います。

Arduino IDEを使ったプログラミング～動作確認方法については、以下の記事で詳細説明しています。

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ArduinoIDEの使い方、内蔵LED点灯プログラムの作り方【初心者向け】

Arduino IDEプログラム

/* 作品名：LESSON10 */
/* 作成者：せでぃあ　https://cediablog.com */
/* 可変抵抗器を使った制御回路 */

#include <Servo.h>   //サーボモーター制御用ライブラリの読みだし

int potentio_SOCKET = 0;     //可変抵抗器のアナログ入力ソケット番号
int R_LED_SOCKET = 5;        //赤色LEDの出力ソケット番号
int SERVO_SOCKET = 9;        //サーボモーターの出力ソケット番号 
int servoangle = 0;          //サーボモーター回転角度指示値
int ledvalue = 0;            //LEDの明るさアナログ出力値

Servo servo;                 //Servo型変数の宣言

void setup() {
  // put your setup code here, to run once:　プログラム起動時1回だけ処理される回路

  //入出力の割り当て

  pinMode(R_LED_SOCKET, OUTPUT);      //5番ﾋﾟﾝは出力として使用

  //Servoライブラリ
  servo.attach(SERVO_SOCKET);         //サーボモーターを接続するソケット番号を指定
  servo.write(0);                     //サーボモーター回転角度の初期化

  //シリアル通信設定
  Serial.begin(9600);                 //シリアル通信速度設定

}

void loop() {
  // put your main code here, to run repeatedly:　プログラム起動後ﾙｰﾌﾟ処理される回路

  int analogin;                               //アナログ入力値を代入する変数
  analogin = analogRead(potentio_SOCKET);     //アナログ入力ソケットA0入力値を変数に代入する

  servoangle = map(analogin,0,1023,0,180);    //アナログ入力レンジ(0～1023)⇒角度指示レンジ(0～180)に変換
  ledvalue = map(analogin,0,1023,0,255);      //アナログ入力レンジ(0～1023)⇒アナログ出力レンジ(0～255)に変換

  Serial.print(servoangle);                   //回転角度指示値をシリアル出力
  Serial.print("\t");                         //Tabをシリアル出力
  Serial.println(ledvalue);                   //LEDアナログ出力値をシリアル出力

  servo.write(servoangle);                    //サーボモーターを変数に応じた角度に回転させる
  analogWrite(R_LED_SOCKET,ledvalue);         //LEDを変数に応じたアナログ出力で点灯させる

  delay(50);                                  //0.05秒ウェイト 
  
}

上記が可変抵抗器を使った、LED明るさ及びモーター角度制御回路のプログラムになります。

Arduino IDEのプログラム画面にコピーアンドペーストすることで、動作確認まで進めることができます。

各プログラム列の右側にプログラム内容をコメント記入してありますので参考にしてください。

命令語の解説

今回のプログラムで使用した命令文について、解説します。

変数のデータ型指定

変数のデータ型を指定するものです。

今回はピンソケット番号を代入するので整数を扱う｢int型｣を指定します。

またアナログ出力値は｢0～255｣の整数を扱いますので、同じく｢int型｣を指定します。

スクロールできます

データ型	説明	扱える範囲
int	2バイトの整数を代入可能。	-32768～32767
long	4バイトの整数を代入可能	-2,147,483,648～2,147,483,647
float	4バイトの小数を代入可能。	3.4028235×10³⁸～-3.4028235×10³⁸
char	1バイトの値を代入可能。文字列の代入に利用されます。	-128～127
boolean	0または1のみ代入可能。フラグのON-OFFなどに利用されます。	0,1

Serial.begin(通信速度)

シリアル通信を初期化します。

通信速度は単位が｢ビット/秒｣で、300、1200、2400、4800、9600、14400、19200、28800、38400、57600、115200から選択します。

Serial.println(書き込むデータ,データを変換する方法)

文字列をシリアル送信して改行します。

データを変換する方法は省略が可能です。

DEC：10進数、HEX：16進数、OCT：8進数、BIN：2進数

pinMode(入出力番号,INPUTまたはOUTPUT)

指定したデジタル入出力ソケット番号の機能を指示します。

入力として使用する場合は｢INPUT｣、出力の場合は｢OUTPUT｣を指定します。

analogRead(入出力番号)

指定したアナログ入力ソケット番号の状態を確認します。

状態は0V～5Vの範囲で、0～1023の値に変換されて返ってきます。

analogWrite(入出力番号,0～255の範囲のアナログ値)

指定したデジタル入出力ソケット番号の電圧を256階調での値で出力します。

5V出力の場合、0のとき0V、255の時5Vの出力となります。

0Vと5Vの状態を時間の割合で調整して作る、疑似的なアナログ電圧になります。

delay(時間)

()内で指定した時間(単位はmsec)だけ、プログラム実行を待たせます。

map(変換したい数値、変換前の下限、変換前の上限、変換後の下限、変換後の上限)

アナログ入力値をアナログ出力やモーターの回転角度に変換するように、取り扱う数値の幅が異なる変数の変換処理をすることができます。

Servoライブラリの説明

標準で用意されているサーボモーター制御用ライブラリ｢Servo｣を利用すると便利です。

制御したい角度値を指定するだけで、簡単に回転角度制御することができます。

Servoライブラリの読み出し

プログラム冒頭の宣言部にてServoライブラリを読み出します。

#include <Servo.h>

servo型変数の指定

プログラム冒頭の宣言部にてServo型の変数を定義します。

Servo servo;

変数「servo」は例であり、任意の変数文字列を指定してください

attach(入出力ソケット番号,0度のときのパルス幅,180度のときのパルス幅)

宣言したServo型の変数に入出力ソケットピン番号を割りあてます。

パルス幅指定は任意で、指定しない場合はデフォルト値が適用されます。

＜デフォルト値＞
　・0度：544msec
　・180度：2400msec

servo型変数.attach(サーボモーターに接続するソケット番号、0度のパルス幅、180度のパルス幅)

今回のLESSONプログラムのパルス幅は、デフォルト値を適用しています。

write(回転角度)

動作させたいサーボモーターの回転角度を指示します。

servo型変数.write(回転させたい角度(0～180))

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今回は｢LED点灯明るさ｣および｢モーター回転角度｣が｢変数｣となります。

上記説明手順に沿って、変数を作成してください。

動作確認方法

動作確認チェックリスト

可変抵抗器ツマミの回転角度に応じて、LED明るさが変化するか？
可変抵抗器ツマミの回転角度に応じて、サーボモーターの回転角度が変化するか？

上記項目について確認していきましょう。

LED点灯アナログ出力、モータ角度指示値の確認方法

Arduino IDE、スクラッチ｢Scrattino3(スクラッチーノ3)｣それぞれ、変数の現在値を確認する方法があります。

パソコンとArduino本体をUSBケーブルで接続し、通信した状態で確認を行ってください

Arduino IDEでのアナログ出力値確認方法

Arduino IDEでの現在の変数値を確認する方法 — Arduino IDEでの変数値確認方法

今回のプログラムは繰り返し演算プログラムに0.05秒delay命令を仕込んでいるので、0.05秒おきの値取得となります

シリアルモニタを表示させることで、現在のアナログ出力値を確認することができます。

Serial.print命令で指示した変数が表示されます

Scrattino3でのアナログ出力値確認方法

スクラッチ｢Scrattino3(スクラッチーノ3)｣での現在の変数値確認方法 — Scrattino3での変数値確認方法

画面右上のネコのキャラクターがいるウインドウに現在の変数値が表示されます。

可変抵抗器ツマミの回転角度に応じて、LED明るさが変化するか？

可変抵抗器のツマミを回転させて、明るさが変化するか確認してください。

めいっぱい回転させて、片側で消灯しもう片側で一番明るく点灯することを確認してください。

可変抵抗器ツマミの回転角度に応じて、サーボモーターの回転角度が変化するか？

可変抵抗器のツマミを回転させて、サーボモーターの回転角度が変化するか確認してください。

ツマミの回転に追従するようにモーターが回転しているか、見た目で確認してください。

170度程度までしか回転しませんがモーター個体差の影響であり、動作不良ではありません

せでぃあ

異常な動作を避けるため、可変抵抗器のツマミを早く回転させすぎないように注意してください

LESSON10：可変抵抗器によるLED明るさ、モーター角度制御のまとめ

この記事の内容をまとめると

可変抵抗器は抵抗値を変化させることができる機器
アナログ入力値は、アナログ出力値やモーター回転角度指示値に変換して制御する
可変抵抗器の固定端子のどちらに5V,GNDを配線するかで、ツマミの回転方向に対する動作が異なる

小学生のお子様には断然、スクラッチでのプログラミングがおすすめです！

スクラッチプログラミングを使って、いろいろな電子機器を使った制御を体験してみよう。

せでぃあ

プログラム内容をアレンジして遊んでみよう

子供の成長を育む！小学生のお子様にぴったりなプログラミング教室が見つかるように厳選しました！

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