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スクラッチプログラミング|周りの明るさに応じたLEDの明るさ制御【Arduino:Lesson5】

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ArduinoプログラミングLESSON5は「明るさセンサが検出した明るさに応じて、LEDの明るさも連動制御する」です。

LESSON3では「アナログ出力」とLESSON4では「アナログ入力」を学習してきました。

今回はアナログ入力とアナログ出力の両方を用いたプログラミングを学習します。

明るさセンサの検出した明るさ値が大きい(明るい)ほど、LEDへのアナログ出力値も大きく(明るく)します。

小学生も安心してプログラミングができるように、スクラッチでのプログラミング方法についても動画付きで紹介しています。

せでぃあ

これまで学習した内容の合わせ技にチャレンジしてみよう

この記事を読んでわかること
  • Arduinoでアナログ入力とアナログ出力の連動方法
  • Arduino IDEでのプログラミング方法
  • スクラッチ(Scrattino3)を使ったプログラミング方法
筆者:せでぃあ

せでぃあはこんな人物です

✅プライム企業に勤める電気・機械設計エンジニア

✅親子の絆を深めるため、夏休みに子供と一緒に電子工作を製作

✅Arduinoプログラミングを用いて作ったプログラミング電子工作「信GO機」が市の発明くふう展で「優秀賞」を受賞

✅本ブログにてArduinoスクラッチプログラミングLESSON記事投稿中

✅YouTubeチャンネル「せでぃあブログちゃんねる」運営中

遊びが勉強に変わる前に!小学生にこそおすすめしたいのがロボット教室です!

目次

アナログ回路のおさらい

デジタル回路とアナログ回路のイメージ比較
デジタル回路とアナログ回路のイメージ

デジタル回路は「0」か「1」の信号のみで構成されるのに対して、アナログ回路は連続的な変化をする信号で構成されます。

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ります。

取り扱う数値の違い

アナログ入力:0~1023(10ビット)
アナログ出力:0~255(8ビット)

せでぃあ

アナログ入力はアナログ出力のほぼ4倍の数値で扱われます

明るさセンサ検出値に応じたLEDの明るさ制御の説明

今回の説明する「明るさセンサが検出した明るさに応じて、LEDの明るさも連動制御する」は、以下になります。

LED点灯動作の説明
  • 明るさセンサ検出値は数値が大きいほど明るく(0~1023)の範囲のアナログ入力値となる。
  • LEDの明るさは数値が大きいほど明るく(0~255)の範囲のアナログ出力値となる。
  • 明るさセンサ検出値の大きさに応じてLEDの明るさ出力値も大きくなる。
動作説明とスクラッチプログラミング手順の解説動画
動画での解説内容
  • 明るさセンサ検出値に応じたLEDの明るさ制御動作
  • スクラッチを使ったプログラミング手順

まずは動画を見て、アナログ入力・出力の動作を確認してください。

また、スクラッチを使ったプログラミングをするためには準備作業が必要です。

動画にて準備作業に必要な手順をくわしく説明しています。

明るさセンサ検出値に応じたLEDの点灯制御回路の作り方

STEP
必要なものを準備

プログラミングするために、パソコンが必要です。

電子部品等の必要な機器については、このあと説明します。

STEP
Arduinoを使うためのセットアップ

パソコンに統合開発ソフトウェア「ArduinoIDE」のインストールを行います。

Arduinoのセットアップ方法については、以下の記事にて詳しく説明しています。

Arduino IDEでの言語プログラミングも勉強したい方は、プログラミングの流れを理解しておいてください。

以下の記事にて、プログラミングから動作確認までの流れを詳しく説明しています。

STEP
スクラッチでプログラミングするためのセットアップ

パソコンにスクラッチでプログラミングするためのソフトウェア「Scrattino3(スクラッチーノ3)」のインストールを行います。

以下の記事にて詳しく説明しています。

STEP
電気配線

電子部品とジャンパーワイヤの差し込みだけで配線が可能です。

STEP
プログラミング

専用開発ソフトウェア「Arduino IDE」を使います。

文字列プログラミングを行う場合は、私が作成したプログラムをコピペして使ってください。

スクラッチプログラミングについては、動画または後述するプログラミング例を参考にしてください。

STEP
動作確認

プログラムが完成したら動作確認を行います。

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?

記載のプログラムは動作確認済です。

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。

明るさセンサ検出値に応じたLEDの点灯明るさ制御回路で使うもの

明るさセンサ検出値に応じたLEDの点灯明るさ制御回路で使うもの
配線が完了しプログラム転送できる状態
準備するもの
  1. パソコン
  2. Arduino本体
  3. USBケーブル
  4. ブレッドボード
  5. LED(青)
  6. 明るさセンサ
  7. 抵抗(10kΩ)
  8. 抵抗(220Ω)
  9. ジャンパー線(オスーオス)×4本

今回はELEGOO社の初心者スターターキットに入っている部品のみで作ることができますが、Arduino裏面のショート対策としてクリアケースも併せて準備することをおすすめします。

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】

Arduino本体
Arduino本体

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。

USBケーブル【キット】

必要なUSBケーブルの説明写真
USBケーブル

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】

ブレッドボードの機能説明図
ブレッドボードの機能説明図

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。

LED(青)【キット】

今回使用するLEDと極性の見分け方説明
LEDのプラス・マイナスの見分け方

青色LED(発行ダイオード)を1本使用します。

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

明るさセンサ【キット】

明るさセンサの説明
明るさセンサの説明

今回のLESSON4では、明るさセンサ使用します。

今回使用する明るさセンサは、材料に硫化カドミウム(CdS)が使われていて、光が当たると内部の抵抗値が小さくなる特性を持ちます。

明るさセンサの特徴
  • 検出する明るさが明るいほど、内部抵抗が小さくなる
  • 素子に極性がなくどちらの方向に接続しても問題なし
明るさ検出値と抵抗値の関係
キット付帯のデータシートより

上記がセンサの検出明るさと抵抗値の関係性グラフになります。

抵抗(10kΩ)【キット】

10kΩ抵抗と色による見分け方
10kΩ抵抗と色による見分け方

10kΩの抵抗を1本使用し、明るさセンサーに直列接続します。

抵抗を接続するのは、Arduino本体に明るさセンサが検出した明るさを電圧をアナログ値として入力させるためです。

今回使用する明るさセンサー(CdSセル)は電気を発生しないため抵抗直列接続による分圧回路が必要となります。

この分圧回路を作るために、10kΩの抵抗を用います。

抵抗(220Ω)【キット】

220Ω抵抗とカラーコードによる見分け方
220Ω抵抗と色による見分け方

220Ωの抵抗を4本使用し、各LEDに1本ずつ接続します。

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。

ジャンパー線(オスーオス)【キット】

キットに同梱されているジャンパー線(オスーオス)の説明
ジャンパー線

ジャンパー線を4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。

今回のLESSONで使用可能な、スターターキットです。

(おすすめ!)モーターやLEDディスプレイ等の機器を備えたコスパの高いキットです。

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。

配線のやり方

Arduinoとの配線完了時の状態写真
配線完了時の状態写真
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

Arduino本体上のソケット機能説明図
Arduino本体上のソケット機能説明図(fritzingを用いて作成)

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

センサの明るさ検出値と電圧、アナログ値の説明図
センサの明るさ検出値と電圧、アナログ値の説明図

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。

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。

Arduino IDEプログラム

/* 作品名:LESSON5 */
/* 作成者:せでぃあ https://cediablog.com */
/* プログ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番ピ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プ処理される回路

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
int2バイトの整数を代入可能。-32768~32767
long4バイトの整数を代入可能-2,147,483,648~2,147,483,647
float4バイトの小数を代入可能。3.4028235×1038~-3.4028235×1038
char1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
boolean0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)によるlessonスクラッチプログラミングの説明(LESSON5)
スクラッチを使ったプログラミング

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。

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。

動作確認方法

配線状態説明図(LESSON5)
配線状態説明図
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!

小学生のお子様には、プログラミング教室での基礎学習をおすすめしています!

プログラミング教室が近くにない方には、オンライン教室という選択肢もあります。

Arduinoスクラッチプログラミングのおすすめ参考書について詳しく説明しています。

Arduinoプログラミング(スクラッチも)を使った電子工作を紹介しています。

LESSON1:LED点灯プログラミングの学習についてはこちら!

LESSON2:押しボタンスイッチを使うプログラミングの学習についてはこちら!

応援ありがとうございます(^^)/

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