Arduinoブロックプログラミングで周りの明るさに応じたLEDの明るさを制御する【Lesson5】

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初心者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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【超入門者向け】Arduino ELEGOO初心者キットを紹介！

配線のやり方

明るさセンサ検出値に応じたLEDの点灯明るさ制御回路の配線説明図 — 明るさセンサ検出値に応じたLEDの明るさ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。

必要な配線作業

LED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(LED用)
明るさセンサー(CdSセル)をブレッドボードに差し込む
10kΩ抵抗をブレッドボードに差し込む(明るさセンサ用)
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(計4本)

LEDや明るさセンサー、抵抗及びジャンパー線は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。

明るさセンサーと抵抗は極性がありません。

上記説明図で｢＋｣マークがある側(右側)をプラス側にしてください。

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

明るさセンサ(CdSセル)による明るさ検出の考え方

アナログ入力機能

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。

アナログ入力機能を使用するには、明るさセンサ検出値等の変化内容を0～5Vの電圧変化に変換してアナログ入力ソケットに取り込む必要があります。

明るさセンサの検出値をアナログ入力値に変換する

今回のレッスン4では、明るさセンサの明るさ検出値を電圧に変換しています。

明るさ検出値が大きい(明るい側)のときに、アナログ入力電圧値は5Vに近づきます。

アナログ入力値は電圧0V入力のとき0で、5V入力のとき最大値1023となります。

LEDの明るさ変更制御の考え方

アナログ出力機能(PWM)

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

LEDの明るさ度合いと出力電圧、アナログ値の説明図 — LEDの点灯明るさと出力電圧、アナログ値の説明図

アナログ出力の値は0～255までの256段階で出力します。

アナログ入力が0～5Vの範囲を0～1023の範囲で扱うのに対して、アナログ出力は0～255の範囲で扱います

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。

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技術は必要ありません。

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(LESSON5) — 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：LESSON5 */
/* 作成者：せでぃあ　https://cediablog.com */
/* ﾌﾟﾛｸﾞﾗﾑによるアナログ入出力制御(まわりの明るさに応じてLEDが点灯明るさを連動させる) */

int SENSOR_SOCKET = 0 ; //明るさセンサーの入力ソケット番号
int LED_SOCKET = 5    ; //LEDの出力ソケット番号

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

  Serial.begin(9600);          //ビットレート9600でシリアル通信ポートを開く

  //入出力の割り当て

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

}

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 ;                //明るさセンサーからの入力アナログ値の格納先
int input_light ;             //アナログ入力値をアナログ出力値に変換した値の格納先

analogin = analogRead(SENSOR_SOCKET);   //アナログ入力0番ソケットの入力値を変数に格納
input_light = analogin / 4 ;            //アナログ入力値をデジタル出力値に変換して変数に代入
analogWrite(LED_SOCKET,input_light);    //変数をデジタル出力値として出力

Serial.println(input_light);            //アナログ出力値をシリアル出力
delay(500);                             //0.5秒待つ

}

上記が明るさセンサ検出値に応じたLEDの明るさ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。

せでぃあ

アナログ入力とアナログ出力で取り扱う数値の範囲が異なることに注意しよう！

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

データ型の説明

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。

pinMode(入出力ソケット番号,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(入力ソケット番号)

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255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。

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

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。

今回のプログラムでは明るさ検出センサの値によりLEDの明るさ制御を行ってから、500msec=0.5sec待ったのちふたたび明るさ検出センサの値を確認するプログラムをループ実行しています。

マイクロ秒単位で指定したい場合は、delayMcroseconds(時間)を使います。

スクラッチ

Scrattino3(スクラッチーノ3)というソフトウェアを使って、プログラミングする方法です。

Scrattino3のインストール方法やプログラミング、動作確認方法については、以下の記事にて詳しく説明しています。

あわせて読みたい

【Arduino】Scrattino3のインストール方法と使い方をやさしく解説

プログラミング、動作確認方法については、本記事の説明動画でも紹介しています

せでぃあ

動画を参考にプログラミングしてみよう

スクラッチプログラム(Scrattino3|スクラッチーノ3)

Scrattino3(スクラッチーノ3)によるスクラッチプログラミングlesson5の詳細解説 — スクラッチプログラミングと解説

上記がスクラッチのプログラミングとその解説になります。

Scrattino3(スクラッチーノ3)でのスクラッチプログラミングの作り方について、本記事冒頭の動画にて詳しく説明していますのでぜひご覧ください。

Arduinoをプログラミング制御するときは、USBケーブルの常時接続が必要です

Arduino専用ブロックについては、以下の記事にて詳しく説明しています。

あわせて読みたい

【Arduino】スクラッチ(Scrattino3)専用ブロックの使い方と種類

動作確認方法

動作確認チェックリスト

明るい部屋で明るさセンサが明るく点灯するか？
明るさセンサの検出部を少しずつ覆っていくとLEDがすこしずつ暗くなるか？
明るさセンサを完全に覆ったときに、LEDが消灯するか？

上記項目について確認していきましょう。

アナログ出力値の確認方法

スクラッチ｢Scrattino3(スクラッチーノ3)｣でのアナログ出力値確認方法について説明します。

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

Scrattino3でのアナログ出力値確認方法

Scrattino3でのアナログ値確認方法(LESSON5) — Scrattino3でのアナログ値確認方法

上記では206.5と表示されていますが、アナログ出力値としては整数に変換されて取り扱われます

LESSON4では｢アナログ入力値(0～1023)｣をネコにしゃべらせて、その数値を確認していました。

今回のLESSON5ではLEDに対する出力電圧｢アナログ出力値(0～255)｣を確認します。

アナログ入力も出力も同じ0～5Vの範囲を数値化しているため、アナログ入力の方がアナログ出力よりも4倍細かく表現できるということになります。

今回のプログラムでは｢アナログ出力値＝アナログ入力値÷4｣にて算出しています

明るい部屋で明るさセンサが明るく点灯するか？

明るい部屋でセンサの検出値が大きくなるように、センサの向きや周りの明るさを調整してください。

アナログ出力値が200以上となっていると、この後の徐々に暗くなる動作がわかりやすいです。

部屋が暗い場合は200以下の数値になることもありますが、なるべく明るく点灯するようにしてください

明るさセンサの検出部を少しずつ覆っていくとLEDがすこしずつ暗くなるか？

ペンのキャップなどで明るさセンサをすこしずつ覆って、明るさセンサの明るさ検出値を徐々に小さくしていってください。

明るさセンサが検出する明るさ値が減少するにつれて、青色LEDが点灯している状態からすこしずつ暗くなれば動作OKです。

今回はアナログ出力値が徐々に小さくなることを画面にて確認してください

明るさセンサを完全に覆ったときに青色LEDが消灯するか？

ペンのキャップなどで明るさセンサを完全に覆ってしまい、明るさセンサが明るさを検出できないようにしてください。

完全に遮光できれば、アナログ出力値が0と表示されます。(ネコの吹き出しを確認してください)

この時LEDが消灯していれば動作OKです。

アナログ入出力回路(LESSON5)のまとめ

この記事の内容をまとめると

Arduinoのアナログ入力は0～5Vの入力電圧を0～1023の値で扱う
Arduinoのアナログ出力は0～5Vの出力電圧を0～255の値で扱う
プログラム内部で演算させることで、入力情報を出力情報に置き換え可能

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！

次は電子機器の学習プログラムである、LESSON6(フルカラーLEDで点灯色を変化させる)にチャレンジしてください。

せでぃあ

次はフルカラーLEDについて学習しましょう！

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