arduinoでプログラミングに触れてみよう続編

Arduinoでプログラミングに触れてみよう

続編

2016/01/10 Hiromu Yakura

自己紹介

• 矢倉大夢 (やくらひろむ)

• 筑波大学情報学群情報科学類 1年

• 情報処理推進機構未踏クリエイター

目的

• プログラミングとはどういう作業かを知ってもらう

• プログラミングで必要な論理的思考を感じてもらう

• プログラミングの指示したとおりに動くという楽しさに触れてもらう

Arduino

• マイクロコントローラ

• コンピュータの機能がひとつの基盤に

• 3000円くらいで買える

セットアップ• Internet Explorer　　　を起動する

• アドレスバーに arduino.cc と打ち込む

• 左上の「Download」をクリック

セットアップ• 中央右の「Windows ZIP File for non admin install」

セットアップ• 右下の「JUST DOWNLOAD」

• ダウンロードしたファイルをダブルクリックで開き「ファイルをすべて解凍」をクリック

• ダイアログが出てきたら「展開」をクリック

• 解凍が終われば「arduino-1.6.7」フォルダを開く

セットアップ

• 付属のUSBケーブルでArduinoを接続する

• 「drivers」フォルダの「dpinst-x86.exe」を起動

• 「次へ」をクリックして、インストールを開始

セットアップ

セットアップ• 以下の様なダイアログが2-3回表示されるがすべて「インストールする」を選択する

セットアップ• 以下の画面になれば、インストール完了なので「完了」を押して終了する

セットアップ

• 「arduino-1.6.7」の「arduino.exe」を起動

• 「ツール」の「マイコンボード」を「Arduino/Genuino Uno」に　設定する

セットアップ

• 「ツール」の「シリアルポート」のうち　有効になっているものを　選択する

セットアップ

Breadboard

• はんだ付けせずに回路設計をするボード

• 裏側で配線されている

Breadboard

LEDを光らせてみよう

回路設計

262221

• LEDは足の長い方が21番にくるように

• 抵抗はどれでもOK

回路設計

• 13番ピンから赤

• ＋ (電源供給) の役割

• GNDピンから青

• －の役割

• Arduino IDE

• Arduinoでプログラミングする用のソフトウェア

void setup() { pinMode(13, OUTPUT); }

void loop() { digitalWrite(13, HIGH); }

ここをクリック

• ＋から回路をたどる

• LEDを通る

• 抵抗を通る

• ーにたどりつく

回路を理解しよう

• LEDを通る

• 抵抗を通る

• LEDを通る

• 抵抗を通る

• LEDを通る

• 抵抗を通る

• LEDを通る

• 抵抗を通る

• LEDを通る

• 抵抗を通る

• LEDを通る

• 抵抗を通る

• LEDを通る

• 抵抗を通る

• LEDを通る

• 抵抗を通る

• このような回路図

• 13番からLED

• LEDから抵抗

• 抵抗からGND

プログラムを理解しよう

2つのグループに分けられる

最初の1回だけ実行される

繰り返し実行される

← 13番ピンを　 OUTPUTに使用する

＋として電流を出せるように

← 13番ピンを　 HIGHに設定する

＋から電流を出す

← LOWにすると　 LEDは光らない

LEDを点滅させてみようvoid setup() { pinMode(13, OUTPUT); }

void loop() { digitalWrite(13, HIGH); delay(1000); digitalWrite(13, LOW); delay(1000); }

LEDを点滅させてみよう

プログラムを理解しようvoid setup() { pinMode(13, OUTPUT); }

＋から電流を出す

← 1000ms (1秒間)　そのままにする

← 13番ピンを　 LOWに設定する

＝＋からの電流を止める

← 1000ms (1秒間)　そのままにする

• チャレンジ: プログラムを改造してみよう

• 0.1秒点灯 / 0.1秒消灯

• 1秒点灯 / 0.5秒消灯

• (0.5秒点灯 / 1秒消灯) x 2 → 1秒点灯 / 0.5秒消灯

LEDを点滅させてみよう• チャレンジ: 0.1秒点灯 / 0.1秒消灯

LEDを点滅させてみよう• チャレンジ: 1秒点灯 / 0.5秒消灯

• 上級者向け: 回路とプログラムを改造してみよう

• 2つのLEDを点灯させてみよう

• setupとpinModeを同様に使えばよい

• 2つのLEDを点滅させてみよう

LEDを点滅させてみよう• 上級者向け: 回路とプログラムを改造してみよう

• 2つのLEDを異なる周期で点滅させてみよう

• 1つ目は1秒ごと、2つ目は0.5秒ごとに点滅

• 1つ目は1秒ごと、2つ目は0.3秒ごとに点滅

• 変数と条件分岐(後述)を使えば良い

センサーを読み取ってみよう

• CdSセンサー

• 赤茶色の部分がCdS(硫化カドミウム)

• 明るいと抵抗値が低く暗いと抵抗値が高くなる

回路設計

2923 28

• CdSセンサーはどっち向きに刺してもOK

• 抵抗はどれでもOK

回路設計• 5Vピンから赤

• ＋ (電源供給) の役割

• GNDピンから青

• －の役割

• A0ピンから緑

• センサーの値を読み取る役割

センサーを読み取ってみようint val;

void setup() { Serial.begin(9600); }

void loop() { val = analogRead(0); Serial.println(val); delay(100); }

センサーを読み取ってみよう• 「ツール」の「シリアルモニタ」を選択

• 右下が「9600 bps」になっていることを確認

• 手をかざして値の変化を見てみる

• 抵抗を通る

• 枝分かれ

• CdSセンサーを通る

• 抵抗を通る

• 枝分かれ

• 抵抗を通る

• 枝分かれ

• 抵抗を通る

• 枝分かれ

• 抵抗を通る

• 枝分かれ

• 抵抗を通る

• 枝分かれ

• 抵抗を通る

• 枝分かれ

• 抵抗を通る

• 枝分かれ

• 抵抗を通る

• 枝分かれ

• 抵抗を通る

• 枝分かれ

• 抵抗を通る

• 枝分かれ

• A0にたどりつく

• このような回路図

• 5Vから抵抗

• 枝分かれしてA0

• センサーからGND

• CdSセンサー

• 明るいとき

• センサーの抵抗値が高くなる

• A0の電圧が高くなる

• 暗いとき

• センサーの抵抗値が低くなる

• A0の電圧が低くなる

int val;

プログラムを理解しよう← valという変数を宣言

プログラミングの基本概念• 変数 = 情報を記録しておくための領域

int val; val = 100; delay(val); val = 200; delay(val);

← 変数宣言　 valという領域を　作る

← 代入　 valを100と　設定する　

← 変数宣言

100← 代入　 ← 100ミリ秒待つ

← 変数宣言

100← 代入　

← 100ミリ秒待つ

← 変数宣言

200← 代入　

← 代入　

← 変数宣言

200← 代入　

int val;

プログラムを理解しよう← valという変数を宣言

int val;

← シリアル通信の　速度を設定

• シリアル通信 = ArduinoとPC間での通信ができる　　　　　　　シリアルモニタで送受信ができる

プログラミングの基本概念

Serial.begin(9600); - 通信の速度を設定する

← PC側の設定と　一致していないと　正しく通信できない

Serial.println(データ); - データを1行分PCへ送信する

Serial.print(データ); - データをPCへ送信する(改行されない)

int val;

← A0ポートの電圧を　数値として読み取る　 0~5Vが0~1023に対応

int val;

← valに記憶された　 A0の値を　シリアル通信で送信

int val;

← 100ms (0.1秒間) 待つ

• 明るいとき

• センサーの抵抗値が低くなる

• A0の電圧が低くなる

• 暗いとき

• センサーの抵抗値が高くなる

• A0の電圧が高くなる

センサーを読み取ってみよう• 手をかざして値の変化を見てみる

• 明るい時に低く、暗い時に高くなっているはず

• 0.5秒ごとに読み取った値を送る

• 送る値を明るい時は低く、暗い時は高いまま0~511にする

• チャレンジ: 0.5秒ごとに読み取った値を送る

• チャレンジ: 送る値を0~511にする

void loop() { val = analogRead(0); Serial.println(val / 2); delay(100); }

analogReadで読み取る値は0~1023なので 2で割ると切り捨てられて0~511になる

• 上級者向け: 回路を改造してみよう

• プログラムはそのままでLEDを追加して暗い時ほど明るく光るようにする

• ヒント: 暗い時ほどLEDに　　　高い電圧がかかればよい

センサーとLEDを組み合わせてみよう

回路設計

• 右半分はさっきと同じ

• LEDは21番に足の長い方を

• 抵抗はどれでもOK2115 20

回路設計

• センサーの値を読み取る役割

• 13番ピンから黄

• LEDに電気を流す役割

センサーとLEDを組み合わせてみようint val;

void loop() { val = analogRead(0); if (val > 800) { digitalWrite(13, HIGH); } else { digitalWrite(13, LOW); } delay(100); }

センサーとLEDを組み合わせてみよう

• LEDの回路とセンサーの回路をそのまま組み合わせた

• GNDは共通して－の列を使う

• LEDの回路とセンサーの回路をそのまま組み合わせた

• GNDは共通して－の列を使う

← A0ポートの電圧を　数値として読み取る

int val;

← 条件分岐

プログラミングの基本概念• 条件分岐 = 状況に応じて実行内容を変える

if (条件) {

処理1;

} else { 処理2; }

} else {

条件にあてはまるとき　・処理1は実行される　・処理2は無視される

if (条件) {

処理1;

} else {

条件にあてはまらないとき　・処理1は無視される　・処理2は実行される

else { 処理2; }

if (条件) {

処理; }

条件にあてはまるときだけ処理が実行される

if (条件1) {

処理1;

} else if (条件2) { 処理2;

} else { 処理3; }

} else if (

} else {

if (条件1) {

処理1;

} 条件1にあてはまるとき　・処理1は実行される　・処理2は無視される　・処理3は無視される

} else if (

} else {

else if (条件2) { 処理2;

} else { 処理3; }

条件1にあてはまらないとき

} else if (

} else {

else if (条件2) { 処理2;

条件1にあてはまらず条件2にあてはまるとき　・処理1は無視される　・処理2は実行される　・処理3は無視される

} else if (

} else {

else { 処理3; }

条件1にあてはまらず条件2もあてはまらないとき　・処理1は無視される　・処理2は無視される　・処理3は実行される

if (条件1) {

処理1;

} else if (条件2) { 処理2; }

条件1にあてはまるとき処理1が実行される

条件1にあてはまらず条件2にあてはまるとき処理2は実行される

int val;

← valが800より大きいか

int val;

センサーの値が800より大きいか

int val;

センサーの値が800より大きいか

≒ある程度以上明るいか

void }

void val = } } }

int val;

void loop() { val = analogRead(0); if (val > 800) { digitalWrite(13, HIGH); } delay(100); }

← 明るい時は　 13番ピンをHIGHに

void }

void val = } } }

int val;

void loop() { val = analogRead(0); if (val > 800) { digitalWrite(13, HIGH); } delay(100); }

← 明るい時は　 13番ピンをHIGHに

LEDに電流を送る＝

void }

void val = } } }

int val;

void loop() { val = analogRead(0); else { digitalWrite(13, LOW); } delay(100); }

← 暗い時は　 13番ピンをLOWに

void }

void val = } } }

int val;

void loop() { val = analogRead(0); else { digitalWrite(13, LOW); } delay(100); }

← 暗い時は　 13番ピンをLOWに

LEDへの電流を止める

int val;

← 100ms (0.1秒) 間待つ

• 明るい時に点灯し、暗い時に消灯させる

int val;

センサーを読み取ってみよう• チャレンジ: 明るい時に点灯・暗い時に消灯させる

void loop() { val = analogRead(0); if (val > 800) { digitalWrite(13, LOW); } else { digitalWrite(13, HIGH); } delay(100); }

HIGHとLOWを逆にすれば良い

• 2つのLEDを使って明るい時は1つのLEDを点灯暗い時はもう1つのLEDを点灯させる

• 3秒以上暗いと点灯

• ヒント: millis()で起動からの時間がわかる

• ヒント: 暗くなった瞬間の時間を記憶する変数

加速度を読み取ってみよう

VddEnableGND

Out XOut YOut Z

• 3軸加速度センサー

• タテ・ヨコ・奥行きにかかる重力の大きさがわかる

• どれくらいの割合でかかっているかで傾きがわかる

• スマートフォンにも搭載

VddEnableGND

Out XOut YOut Z

• Vdd: 電源供給 (＋)

• Enable: 通電しているときのみ　　　動作する

• GND: GNDにつなぐ (ー)

VddEnableGND

Out XOut YOut Z

• Out X: X軸の加速度

• Out Y: Y軸の加速度

• Out Z: Z軸の加速度

回路設計

• 上半分

• センサーの1, 2に＋を接続

• センサーの3にーを接続

回路設計

• 下半分

• センサーの6が緑

• センサーの7が黄

• センサーの8が黒3027

回路設計• A0ピンから黒

• Z軸のデータ

• A1ピンから黄

• Y軸のデータ

• X軸のデータ

int x, y, z;

加速度を読み取ってみようvoid loop() { x = analogRead(2); y = analogRead(1); z = analogRead(0); Serial.print("X: "); Serial.print(x); Serial.print(", Y: "); Serial.print(y); Serial.print(", Z: "); Serial.println(z); delay(500); }

加速度を読み取ってみよう• 「ツール」の「シリアルモニタ」を選択

• 右下が「9600 bps」になっていることを確認

加速度を読み取ってみよう• ボードを傾けて変化を見てみる

• どの向きに傾けるとX軸, Y軸, Z軸がどう変化するか

• 加速度センサーと対応するピンを素直につないでいる

int x, y, z;

← x, y, zという3つの変数を宣言

int x, y, z;

← シリアル通信の速度を設定

プログラムを理解しようvoid loop() { x = analogRead(2); y = analogRead(1); z = analogRead(0); Serial.print("X: "); Serial.print(x); Serial.print(", Y: "); Serial.print(y); Serial.print(", Z: "); Serial.println(z); delay(500); }

← A2のX軸の値を読み取る

← A1のY軸の値を読み取る

← A0のZ軸の値を読み取る

← 読み取った値を　シリアル通信で送る

Serial.print("X: "); Serial.print(x); Serial.print(", Y: "); Serial.print(y); Serial.print(", Z: "); Serial.println(z);

x = 50, y = 100, z = 150のとき

送信されたデータ「」

x = 50, y = 100, z = 150のとき

← 「X: 」を送信

送信されたデータ「X: 」

x = 50, y = 100, z = 150のとき

← 「50 」を送信

送信されたデータ「X: 50」

x = 50, y = 100, z = 150のとき

← 「, Y: 」を送信

送信されたデータ「X: 50, Y: 」

x = 50, y = 100, z = 150のとき

← 「100」を送信

送信されたデータ「X: 50, Y: 100」

x = 50, y = 100, z = 150のとき

← 「, Z: 」を送信

送信されたデータ「X: 50, Y: 100, Z: 」

x = 50, y = 100, z = 150のとき

← 「150」を送信して　改行する

送信されたデータ「X: 50, Y: 100, Z: 150」

← 読み取った値を　シリアル通信で送る

← 500ms (0.5秒間) 待つ

加速度とLEDを組み合わせてみよう

底面上面

• ブレッドボードをイラスト右側が底面になるように立てるとLEDが点灯するようにしたい

回路設計

• さっきの回路にLEDを足す

• 黄色の線がLEDの足の長い方と繋がる

• GNDはセンサーと共有

回路設計

• さっきの回路にLEDを足す

• 黄色の線が13番ピンに

int x, y, z;

void setup() { Serial.begin(9600); pinMode(13, OUTPUT); }

void loop() { x = analogRead(2); y = analogRead(1); z = analogRead(0); if (x > 700) { digitalWrite(13, HIGH); } else { digitalWrite(13, LOW); } delay(500); }

• さっきの回路にLEDを足しただけ

int x, y, z;

void setup() { Serial.begin(9600); pinMode(13, OUTPUT); }

← 13番ピンをOUTPUTに使用

← x軸の値が700を　超えたら　 13番ピンのLEDを点灯

← x軸の値が700より　低ければ　 13番ピンのLEDを消灯

上面

底面

• ブレッドボードをイラスト上部が底面になるように立ててもLEDが点灯するようにしたい

void x = y = z = } } }

if (x > 700 || y > 700) { ← この1行だけ　変更する

← 条件が　変更されている

void x = y = z = } } }

if (x > 700 || y > 700) {

x > 700 || y > 700

　　　= x > 700 または y > 700

x > 700 && y > 700

　　　= x > 700 かつ y > 700

• 二項演算子 = 「もしくは」「かつ」を表す

x > 700 || y > 700 || z > 700

　　　= x > 700 または y > 700 または z > 700

x > 700 && y > 700 && z > 700

　　　= x > 700 かつ y > 700 かつ z > 700

プログラミングの基本概念• 二項演算子 = 「もしくは」「かつ」を表す

x > 700 || y > 700 && z > 700

　　　= x > 700 または「y > 700 かつ z > 700」

(x > 700 || y > 700) && z > 700

　　　=「x > 700 または y > 700」かつ z > 700

x > 700 || y > 700 && z > 700

　　　= x > 700 または「y > 700 かつ z > 700」

(x > 700 || y > 700) && z > 700

　　　=「x > 700 または y > 700」かつ z > 700

「もしくは」より「かつ」が優先される

← x > 700 または　 y > 700 のとき　 LEDが点灯する

void x = y = z = } } }

if (x > 700 || y > 700) {

• チャレンジ: 回路とプログラムを改造してみよう

• 上下をひっくり返したときにLEDが点灯するようにする

• ヒント: シリアル通信でひっくり返した時の　　　数値を確認するとよい

int val;

センサーを読み取ってみよう• チャレンジ: 上下ひっくり返すと点灯

zについての条件を指定する

void loop() { x = analogRead(2); y = analogRead(1); z = analogRead(0); if (z < 100) { digitalWrite(13, HIGH); } else { digitalWrite(13, LOW); } delay(500); }

• LEDを3つ使って、それぞれの方向に傾けた時にそれぞれ別のLEDが点灯するように

• ある方向に1回転した時にLEDが点灯するように

モーターを使ってみよう

• まずワイヤー線2本の先っぽを切り取り軽くハサミを当てて皮膜を1cmほど外す

• ダブルギアボックスからモーターを1つ取り出しそれぞれの端子に線を刺して軽くねじる

• 電池ボックスをつなげて接続を確認する

• TA7291P - モータードライバ

• モーターの制御に使う1 10

モーターを使ってみよう• TA7291P - モータードライバ

• 1 - GND

• 4 - 回転速度制御

• 今回は使わないので8につなぐ

• 8 - モーター用電源入力

• 電池ボックスにつなぐ

• 5, 6 - 回転方向制御

• Arduinoのピンにつなぐ

• 7 - 制御用電源入力

• Arduinoの5Vにつなぐ5 6 7

• 2, 10 - モーター制御

• モーター端子につなぐ2 10

• ブレッドボードにモーターと電池ケースをつなげる

• 上の＋とーの列に電池ボックスの＋とーを刺す

• モータードライバを外すとこうなる

• 21から30の部分にモータードライバ

モーターへ

13番ピン

12番ピン5V

void loop() { digitalWrite(12, LOW); digitalWrite(13, LOW); delay(1000); digitalWrite(12, HIGH); digitalWrite(13, LOW); delay(1000); digitalWrite(12, HIGH); digitalWrite(13, HIGH); delay(1000); digitalWrite(12, LOW); digitalWrite(13, HIGH); delay(1000); }

void setup() { pinMode(12, OUTPUT); pinMode(13, OUTPUT); }

• 1秒ごとに止まり、回転の向きが逆になるはず

• 部品が熱くなったり、焦げた匂いがしたりすればすぐに電池ボックスと5Vのピンを抜く

プログラムを理解しようvoid loop() { digitalWrite(12, LOW); digitalWrite(13, LOW); delay(1000); digitalWrite(12, HIGH); digitalWrite(13, LOW); delay(1000); digitalWrite(12, HIGH); digitalWrite(13, HIGH); delay(1000); digitalWrite(12, LOW); digitalWrite(13, HIGH); delay(1000); }

モータードライバの回転方向制御ピンにつながっている Arduinoの12,13番ピンの HIGH, LOWを制御する

ブレーキ

逆転

ブレーキ

逆転

ストップ

ブレーキ

逆転

ストップ

正転

ブレーキ= 電気的な抵抗で止める

逆転

ストップ = 摩擦のみで止める

正転

• 2秒正転→2秒逆転

void loop() { digitalWrite(12, LOW); digitalWrite(13, HIGH); delay(2000); digitalWrite(12, HIGH); digitalWrite(13, LOW); delay(2000); }

正転

逆転

• チャレンジ: 2秒正転→2秒逆転

モーターを使ってみようvoid }

切り替える際にブレーキを挟んだほうがモーターの摩耗が少なくなる

digitalWrite(12, LOW); digitalWrite(13, LOW); delay(100);

2つのモーターを使ってみよう

• もう1つのモーターについても線をつける

• これも電池ボックスをつなげて接続を確認する

• 説明書に従ってダブルギアボックスを組み立てる

• ギア比は114.7:1(Cタイプ)となるようにする

• 細かい部品が多いので無くさないようにすること

• 6角ネジの位置は短いシャフトで合わせるとよい

• これも電池ボックスをつなげて接続を確認する

• 線対称的にモーターとモータードライバーを配置

• 電源・GNDは共有

• モータードライバーを外すとこうなる

• 21から30の部分にモータードライバ

モーターへ

13番ピン

12番ピン5V

11番ピン10番ピン

モーターへ

void setup() { pinMode(10, OUTPUT); pinMode(11, OUTPUT); pinMode(12, OUTPUT); pinMode(13, OUTPUT); }

2つのモーターを使ってみようvoid loop() { digitalWrite(10, HIGH); digitalWrite(11, LOW); digitalWrite(12, HIGH); digitalWrite(13, LOW); delay(1000); digitalWrite(10, LOW); digitalWrite(11, LOW); digitalWrite(12, LOW); digitalWrite(13, LOW); delay(1000); }

• 2秒正転→2秒逆転

digitalWrite(10, LOW); digitalWrite(11, HIGH); digitalWrite(12, LOW); digitalWrite(13, HIGH); delay(2000); digitalWrite(10, LOW); digitalWrite(11, LOW); digitalWrite(12, LOW); digitalWrite(13, LOW); delay(100); }

void loop() { digitalWrite(10, HIGH); digitalWrite(11, LOW); digitalWrite(12, HIGH); digitalWrite(13, LOW); delay(2000); digitalWrite(10, LOW); digitalWrite(11, LOW); digitalWrite(12, LOW); digitalWrite(13, LOW); delay(100);

• 上級者向け: プログラムを改造してみよう

• 2つのモーターが異なる周期で動くようにする

• 1つのモーターは2秒正転→1秒逆転

• もう1つのモーターは1秒正転→1秒逆転

独立して動くようにしてみよう

• 9V電池の赤をVinに黒をGNDにつなぐ

• USBを外しても動くようになる

車輪をつけてみよう

• 必要な部品は、以下のとおり

• スポーツタイヤセット

• ユニバーサルプレート: 2チームで1箱

• ボールキャスター: 2チームで1セット

車輪をつけてみよう• まず、裏側にダブルギアボックスをつける

• 説明書と違い、以下のように支えをつけるとよい

• 次に、ボールキャスターをつける

• 37mmになるように組み立てる

• 電池ボックスも両面テープで裏側につけておく

• Arduino、ブレッドボード、9V電池は表面に

• 先ほどと全く同じように配線する

• 左右で回転の向きが違う場合はモーターの接続先を逆にすればよい

• 2秒右折→2秒左折

• ヒント: 左右のタイヤを逆向きに回転させると　　　曲がることができる

digitalWrite(12, HIGH); digitalWrite(13, LOW);

digitalWrite(12, LOW); digitalWrite(13, HIGH);

加速度センサーを載せてみよう

• 加速度センサーのVccは3.3Vに接続する

• 3.3Vでも動作する

• GNDも忘れずにA0ピンA1ピンA2ピン

• アクティビティ: 自動で高いところへと向かう車を　　　　　　　作ってみよう

• 加速度に応じて進行方向を変える

• ヒント: 条件分岐と車の制御を組み合わせる

• 上級者向け: 高いところで自動で止まるには？

• 上級者向け: 山が複数あるところで　　　　　一番高いところを見つけるには？

• ヒント: プログラミングでいうところの　　　最適化問題を物理的に再現してみました

• キーワード: 山登り法、焼きなまし法

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