小学生の自由研究に！レゴとArduinoで作るアイデア電子工作｢信号機｣

2024年7月31日

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ひろ

親子でプログラミングを使った電子工作にチャレンジしてみたいです

せでぃあ

プログラミング初心者におすすめのテーマを紹介するよ

私が数年前に子供(当時小6)と作った、アイデア工作｢信GO機(信号機)｣を紹介します。

レゴブロックとArduinoによる信号機のプログラミング点灯回路を合わせた、オリジナル作品です。

本記事を読めば、誰でもこの作品を作ることができることを目指して書きました。

プログラムはコピペで対応できる内容となっています。

プログラミング初心者の方も安心してチャレンジしてみてください。

文字入力不要のビジュアルプログラミング｢Scrattino3(スクラッチーノ3)｣プログラム例も本記事で紹介します。

このような方におすすめ

プログラミングを用いた電子工作にチャレンジしたい人
小学生の子供と一緒に夏休みの自由研究に取り組みたい人
Arduinoを用いたプログラミングを勉強したい人

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

この工作はArduino スターターキットを使って作成しています。

ロボット教室は意味がある！わが子が高専生になるまでのストーリーを公開しています。

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ロボット教室の将来性は？現役高専生の親が効果を最大限にするコツを紹介

信GO機ってどんな装置

私が作成した装置紹介動画をご覧ください。

LEGO信号機の電子工作紹介動画｢せでぃあブログちゃんねる｣より

ブログ運営の励みになりますので、チャンネル登録をお願いします！

信GO機はこんな装置です

身近な制御機器である信号機を題材にした工作です
交差点の信号機で、車用が2つ・歩行者用が1つ設置されています
歩行者用押しボタンを押すと、早く青信号に変わります

せでぃあ

だれでも知っている信号機はテーマに最適だね

Arduinoとは

Arduino(アルドゥイーノ)とは初心者から扱うことができるマイコンです。

ラズベリーパイ(ラズパイ)と並んで、工作初心者に人気のマイコンです。

できることの例として、プログラムでのLEＤ点灯や、モーターなどの電子部品の動作をさせることができます。

Arduinoのセットアップ方法はこちら

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】

工作の作り方

STEP

工具と材料の準備

ホームセンターやネットショップで揃えることができます。

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小学生の夏休み自由研究に！電子工作用に準備すべきおすすめ工具6選

STEP

組み立て

基本的にはレゴブロックの組み立てになります。

特別な工具は必要ありません。

STEP

電気配線

基本的にジャンパーワイヤの差し込みだけで配線が可能です。

歩行者用押しボタンのみ、はんだ付けを行います。

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。

私が作成したプログラムをコピペして使ってください。

プログラミング設計についてはこちら

Arduinoアイデアレゴ電子工作｜ビジュアルプログラミング使った信号機制御プログラムの作り方

STEP

動作確認

信号機の動作になっているか確認してください。

記載のプログラムは動作確認済ですので、ご安心ください。

STEP

完成！

プログラミングを用いた電子工作の完成です！

せでぃあ

この後の詳細記事を読めば、だれでも信GO機を作ることができるよ

STEP1：工具と材料の準備

必要な工具

精密ドライバー
Arduino本体クリアケース組み立てに使用
はんだごて
歩行者用押しボタンとワイヤの接続に使用
はんだ

あったら便利なもの(なくても製作可能)

インシュロック
配線をまとめることができます。

小学生の夏休み自由研究に！電子工作用に準備すべきおすすめ工具6選

必要な材料

LEGOブロック
ELEGOO UNO R3スターター互換キット
アクリルケース
デュポンワイヤー(メス－オス)

LEGOブロック

これまで購入してきたLEGOパーツを組み合わせているため、肝になるパーツのみ紹介します。

LEDの頭を穴に差し込んで、クリアパーツで穴を塞ぎます。

※LEDむき出しでもよければ、クリアパーツ手配はマストではありません。

LEGOブロック・純正パーツ＜テクニック・ブロック＞1 x 2 with 1 Hole (10個, Black) [並行輸入品]

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ポチップ

ブロックセット品を購入する際は、購入前に必要なブロックが含まれるセットかどうかを確認してください。
セットに必要なブロックが含まれていなかった場合、当サイトでは責任が取れませんのでご了承ください。

ELEGOO UNO R3スターター互換キット

これからArduinoを始める方におすすめの初心者キットです。

ELEGOO UNO R3基本部品初心者スターター互換キットチュートリアル Arduino用

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Arduino本体裏面のショート対策におすすめです。

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あわせて読みたい

【初心者におすすめ】Arduino ELEGOOスーパースターターキットを紹介

アクリルケース

Arduino本体の裏側は基板がむき出しになっています。 — ELEGOO本体の裏側写真

Arduino本体の裏側は基板がむき出しになっており、埃による短絡故障のリスクがあります。

本体を平置き設置するためにも、購入することをおすすめします。

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

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デュポンワイヤー(メス－オス)

信号機とブレッドボードを接続するために必要です。

スターターキットにもデュポンワイヤーが5本同梱されています。

必要数16本に対して不足するため、購入が必要です。

ELEGOO 120pcs多色デュポンワイヤー、arduino用ワイヤ—ゲ—ジ28AWG オス-メスオス-オスメス –メスブレッドボードジャンパーワイヤー

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STEP2：組み立て

写真を参考にして、LEGOブロックを組み立てます。

押しボタンやLEDへの配線は後で行うため、ここではブロック設置のみでOKです。

信号機と押しボタンの配置はマストですが、他のオブジェクトの設置は任意です。

STEP3：電気配線

続いて電気配線を行っていきます。

順番に説明しますので、説明に従って作業してください。

本記事内の配線回路図はfritzingを用いて作成しています

抵抗を配置する

ブレッドボード(穴のたくさん開いた白い板)に抵抗を配置していきます。

使用する抵抗

220Ω×8個
1kΩ×1個

キット付属の抵抗は抵抗貼り付けシールに抵抗値の記載があるため、色による抵抗値識別ができなくても問題ありません。

上図のように抵抗をブレッドボードの穴に挿入してください。

抵抗に極性はないため、どちらのピンを差し込んでもOKです。

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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

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アルドゥイーノとブレッドボードを接続する

ジャンパーワイヤー(オスーオス)を使って、穴にピンを差し込んで接続します。

LED点灯色に合わせたワイヤー色を選定すると、配線間違えリスクを減らすことができます。

歩行者用押しボタンに配線する

ブレッドボードとの配線

歩行者用押しボタンとブレッドボードはジャンパーワイヤー(オスーオス)を2本使用します。

押しボタン部との接続部分については、下記参照の上作業してください。

押しボタン部の配線説明

押しボタンの端子とワイヤーオス端子をはんだ付けします。

押しボタンの端子は4つありますが、外側に飛び出している面2点と接続してください。

2側面ありますが、どの面の2点と接続しても機能は同じで問題ありません。

LEDに配線する

LEDとは

電流を流すと発行する電子部品で｢発光ダイオード｣のことを言います。

LEDには極性(＋－の区別)がありますが、上記説明写真のように目視で識別する方法があります。

極性の接続を間違えると、LEDは点灯しませんので注意してください。

各LEDへの配線説明

上記説明図を参照し、配線を行ってください。

各LEDとブレッドボードはデュポンワイヤー(メス－オス)を使用します。

デュポンワイヤーはワイヤー同士が接着されていますが、簡単に削けますので必要な本数ずつに分けてください。

LED側がメスで、ブレッドボード側がオスになります。

デュポンワイヤーの必要本数

ブレッドボード～自動車信号機1：6本
ブレッドボード～歩行者信号機1：6本
ブレッドボード～自動車信号機2：4本

STEP4：プログラミング

プログラミングソフトのインストール方法

Arduinoを動作させるためには、専用開発環境｢Arduino IDE｣が必要です。

このソフトウェアは無償で提供されています。

Arduinoの開発言語は｢C言語｣に似た形態であり、プログラムのことを｢スケッチ｣と呼びます。

Windows版のダウンロードを例に、説明します。

STEP

ダウンロードサイトを開く。

Arduino公式サイトに移動します。

STEP

｢Windows Win7 and newer｣をクリックする。

STEP

寄付するか、しないかを選択してダウンロードする。

STEP

ダウンロードしたexeファイルをダブルクリックする。

STEP

｢I Agree｣ボタンをクリックする。

STEP

｢Next｣ボタンをクリックする。

STEP

｢Install｣ボタンをクリックし、インストールを行う。

STEP

インストールが完了したら｢Close｣ボタンをクリックする。

STEP

デスクトップ上のArduino.exeのショートカットをダブルクリックする。

STEP

新規ファイルが開いたらインストール正常完了。

せでぃあ

これでセットアップは完了です。
お疲れ様でした。

Arduinoのプログラミング解説はこちら

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

プログラムを作成

開発ソフトウェア｢Arduino IDE｣を使って、プログラミングを行います。

以下のプログラムをコピペしてください。

/* 作品名：｢信GO機｣ */
/* 作成者：せでぃあ　https://cediablog.com */
/* ﾌﾟﾛｸﾞﾗﾑによる信号機制御 */

int walker_btn = 2 ; //歩行者用押しボタンのIO割り当て
int led_G1A = 6 ; //自動車信号機1の緑IO割り当て
int led_Y1A = 7 ; //自動車信号機1の黄IO割り当て
int led_R1A = 8 ; //自動車信号機1の赤IO割り当て
int led_R1B = 9 ; //歩行者信号機1の赤IO割り当て
int led_G1B = 10; //歩行者信号機1の緑IO割り当て
int led_G2A = 11; //自動車信号機2の緑IO割り当て
int led_Y2A = 12; //自動車信号機2の黄IO割り当て
int led_R2A = 13; //自動車信号機2の赤IO割り当て

int i = 0;  //繰り返し変数

void setup() {
  // put your setup code here, to run once:　ﾌﾟﾛｸﾞﾗﾑ起動時1回だけ処理される回路
  //　入出力の割り当て
  pinMode(walker_btn, INPUT); //2番ﾋﾟﾝは入力として使用
  pinMode(led_G1A, OUTPUT); //6番ﾋﾟﾝは出力として使用
  pinMode(led_Y1A, OUTPUT); //7番ﾋﾟﾝは出力として使用
  pinMode(led_R1A, OUTPUT); //8番ﾋﾟﾝは出力として使用
  pinMode(led_R1B, OUTPUT); //9番ﾋﾟﾝは出力として使用
  pinMode(led_G1B, OUTPUT); //10番ﾋﾟﾝは出力として使用
  pinMode(led_G2A, OUTPUT); //11番ﾋﾟﾝは出力として使用
  pinMode(led_Y2A, OUTPUT); //12番ﾋﾟﾝは出力として使用
  pinMode(led_R2A, OUTPUT); //13番ﾋﾟﾝは出力として使用

  //出力の初期化処理
  digitalWrite(led_G1A, LOW);
  digitalWrite(led_Y1A, LOW);
  digitalWrite(led_R1A, LOW);
  digitalWrite(led_R1B, LOW);
  digitalWrite(led_G1B, LOW);
  digitalWrite(led_G2A, LOW);
  digitalWrite(led_Y2A, LOW);
  digitalWrite(led_R2A, LOW);

}

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

  //信号点灯ﾓｰﾄﾞの切り替わりｼｰｹﾝｽ
  /* ﾓｰﾄﾞ1・・・信号機1が緑点灯 */
  digitalWrite(led_G1A, HIGH); //信号機1：緑点灯
  digitalWrite(led_R1A, LOW);
  digitalWrite(led_R1B, LOW);
  digitalWrite(led_G1B, HIGH); //歩行者：緑点灯
  digitalWrite(led_R2A, HIGH); //信号機2：赤点灯
  delay(10000); //10秒ｳｪｲﾄ

  /* ﾓｰﾄﾞ2・・・信号機1の歩行者信号が緑点滅 */
  //歩行者信号の緑点滅回路(0.25秒間隔)
  for (i = 0  ; i <= 10 ; i++) {
    digitalWrite(led_G1B, LOW);
    delay(250);
    digitalWrite(led_G1B, HIGH);
    delay(250);
  }
  /* ﾓｰﾄﾞ3・・・信号機1の歩行者信号が赤点灯 */
  digitalWrite(led_R1B, HIGH); //歩行者：赤点灯
  digitalWrite(led_G1B, LOW);
  delay(1500); //1.5秒ｳｪｲﾄ

  /* ﾓｰﾄﾞ4・・・信号機1が黄点灯 */
  digitalWrite(led_G1A, LOW);
  digitalWrite(led_Y1A, HIGH); //信号機1：黄点灯
  delay(2500); //2.5秒ｳｪｲﾄ

  /* ﾓｰﾄﾞ5・・・信号機1が赤点灯 */
  digitalWrite(led_Y1A, LOW);
  digitalWrite(led_R1A, HIGH); //信号機1：赤点灯
  delay(2500); //2.5秒ｳｪｲﾄ

  /* ﾓｰﾄﾞ6・・・信号機2が緑点灯 */
  digitalWrite(led_G2A, HIGH); //信号機2：緑点灯
  digitalWrite(led_R2A, LOW);
  //割り込み受付ｳｪｲﾄ回路(0.1秒間隔で9秒ｳｪｲﾄ)
  for (i = 0 ; i <= 90 ; i++) {
    if (digitalRead(walker_btn) != HIGH){
       delay(100);
    }  else {break;
    } 
  }
  delay(1000); //1秒ｳｪｲﾄ

  /* ﾓｰﾄﾞ7・・・信号機2が黄点灯 */
  digitalWrite(led_G2A, LOW);
  digitalWrite(led_Y2A, HIGH); //信号機2：黄点灯
  delay(2500); //2.5秒ｳｪｲﾄ

  /* ﾓｰﾄﾞ8・・信号機2が赤点灯 */
  digitalWrite(led_Y2A, LOW);
  digitalWrite(led_R2A, HIGH); //信号機2：赤点灯
  delay(2500); //2.5秒ｳｪｲﾄ
}