Arduinoで電子工作 ~導入手順~

今回の記事は、Arduino関連の記事第一弾として、「Arduinoってなに?」や「どんなことができるの?」について説明し、使用するにあたっての専用ソフトのインストールなどについても説明します!

Arduinoってなに?

Arduino(アルドゥイーノ)は、学生でも簡単に扱えるように開発されたマイコンボードです。マイコンとはマイクロコンピュータの略です。このマイコンというものは、私たちの身近なところでたくさん使われています。例えば、電子レンジがそうです。電子レンジでは何かを温める際に何分何秒温めるのかをボタンを押して設定したり、ダイヤルを回して設定すると思います。では、なぜボタンを押したり、ダイヤルを回しただけで時間を設定することができると思いますか?それは、マイコンに「このボタンを一度押して決定を押すと温め時間を1分とする」や「ダイヤルをこれだけ回しスタートを押すと温め時間を1分とする」などのプログラムが内蔵されているため、ボタンを押したり、ダイヤルを回しただけで時間を設定できるのです。つまり、マイコンとはプログラムを書き込むことで電子機器の制御装置として使用することができるのです。(*書き込むとは、プログラムをマイコンに記憶させる、保存させるという意味)

Arduinoの専用ソフトとプログラム言語

では、Arduinoにはどのようにプログラムを書き込むのか説明します。 Arduino にプログラムを書き込むにはまず、専用ソフトである「Arduino IDE」をインストールする必要があります。インストール手順については下記で説明します。「Arduino IDE」を使用するにあたり自分でプログラムを書くことができるようにならないといけません。ネットの記事には、たくさんのプログラムコードがフリーでコピーできる状態になっていますが、コピーができてもどこをいじれば良いかがわからないままになってしまうと思います。そこで、Arduinoのプログラムを書くにはどのように勉強をしたら良いのかを説明します。プログラムには、英語、日本語、中国語のようにたくさんの言語があります。使用するマイコンや用途に応じて様々な言語を使い分ける必要があります。いくつか例を挙げると以下の言語です。

  • C言語
  • Java
  • Python
  • HTML
  • CSS

では、Arduinoではどの言語使うのかというと、C言語をもとにつくられた「Arduino言語」というものです。上記のリストにそんなものはないじゃないかと思うと思います。落ち着いてください。 「Arduino言語」は際ほど述べた通り、C言語をもとにつくられているためほとんどC言語ですが、Arduinoを使用する上での特別なプログラムコードが含まれているため、 「Arduino言語」 などとされています。そのため、勉強するために調べる方法とすれば、「C言語」や「 Arduino言語 」で調べると良いと思います。ここで、述べたように Arduinoを使用する上での特別なプログラムコードが含まれている理由は、Arduinoの特徴より説明できます。

Arduinoの特徴

Arduinoの特徴はデジタルの入出力を行うことができるピンとアナログの入出力を行うことができるピンの2種類があります。(以下の画像Arduino Unoを参考に説明しています)
左側がアナログ端子、右側がデジタル出力端子となっています。

Arduino

デジタル端子

デジタル出力端子は上記画像の0から13の端子です。 Arduinoの動作電圧は5Vまたは3.3Vです。この端子では、5V、3.3V、0Vの入出力を行います。また、デジタルということなので1(HIGH)か0(LOW) の判断しかできません。簡単な例えだと、質問に対してYESかNOでしか答えられないというこです。「どちらともいえる」とか「どちらかと言うとそのとおりである」などと言った答え方はできないのです。1(HIGH)の時は5V、3.3Vの出力であり、5V、3.3Vの入力を受け取った際に1(HIGH)と判断し、逆に0Vの際は0(LOW)となります。ここで、5Vか3.3Vのどちらを使用するかはプログラムによって設定します。そのため、Arduino独自のプログラムが必要になるのです。

デジタル波形

アナログ端子

アナログ端子は、上記画像のA0からA5までの端子です。アナログ端子には主に様々なセンサーを取り付けて使用します。そのため、アナログ端子は主に入力として使用し、センサーで得た情報を読み取ります。値を読み込むのにデジタル端子のように1か0かでしか読み取れなければ、温度を仮に計測した時に0℃か100℃しかわからないではセンサーから情報を得てもほぼ意味がありません。そこでアナログ端子は、デジタルとは違い0から5Vまたは0から3.3vの値を0から1023の値に変更し、センサーからの値を読み取ります。「へ?」って思う方も多いと思うので今の説明を踏まえて下記の例を読んでください。

例えば、以下のような温度センサーを使用します。

  • 動作温度範囲:0~100℃
  • 動作電圧:4~30V
  • 出力電圧:10.0mV/℃

温度センサーの場合計測した温度によってセンサーから出力される電圧が変わります。上記の仕様のため、0℃の時は0V、1℃の時は10mV、100℃の時は1000mVが出力されます。0から5Vの値を0~1023の値に変更し読み取るため、0Vの時は0、5Vの時は1023となります。つまり、仮に100℃の環境では1000mVを出力するためArduinoでは、(1000/5000)*1024=204.8より、204.8と読み取ります。しかし、204.8と表示されこの値は100℃であると覚えているのもめんどくさいのでプログラム上で計算をし、温度に変換します。計算式は以下のようになります。

((5*[読み取ったアナログ値])/1024)*100

読み取ったアナログ値は、先ほどの204.8などの値が入ります。5は動作電圧です。

上記のように0~1023に変更されていることを理解できれば、プログラム上で計算を行い、自分の読み取りやすい値で表示されます。また、デジタル同様、アナログ値を読み取る際も独自のプログラムが必要です。値を読み取り計算をし、自分の見やすい値に変換することができれば様々なセンサーを使いこなすことができます。

その他端子

その他にもArduinoには様々な端子があります。簡単のところでいうと、電源であるVCCやマイナスを意味するGND(グランド)などがあります。ここでは、上記の端子の説明で以上としますが、後にPWMやI2Cなどについても説明ができればと思います。

Arduino IDE

上記で、Arduinoの特徴についてザックリ説明しました。次は、Arduinoを使用するにあたって使用する専用ソフトのインストールと簡単な使用方法について説明します。

インストール手順

以下のURLよりインストールをします。

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ArduinoIDE_install

.zipファイルのインストールが完了し、開くと以下のような画面がでるため、特に変更することなく進んでください。

ArduinoIDE_利用規約
ArduinoIDE_インストール_ソフト
ArduinoIDE_インストール先

Instrallまでクリックするとインストールが開始され、インストールが完了です。

使用方法

Aruduino IDEを立ち上げると以下のような画面になります。

ArduinoIDE_初期画面

「void setup」などが書かれている場所にプログラムコードを書きます。ここでは、プログラムの書き方については触れませんので、今後の記事を参考にしてください。

プログラムをArduinoに書き込む手順は、まず、「ツール」より使用しているArduinoの種類を「ボード」より選択します。今回私はArduino Unoを使用しているの Arduino Uno を選択します。次にArduinoを接続しているUSBポートを「シリアルポート」より選択します。私のはCOM3に接続されているため、COM3を選択します。Arduinoを接続すると、COMの横に接続されているボードが表示されるのでそれを選択するようにしてください。

上記の設定が完了したら書き込みます。書き込みを行う際は、画面左上の 「→」 をクリックします。すると、Arduinoにプログラムが書き込まれます。 「→」 の横にある チェックマーク はプログラムは書き込まずに、書き込める状態にあるのか、プログラムにミスがないのか確認を行います。 エラーが出た際はそのエラー結果に従ってプログラムを直します。 この行為をデバックといいます。

最後に

ここまでの流れで、Arduinoとは何かと使い方について説明しました。今後Arduinoを用いて様々な電子素子を用いた記事を掲載していく予定です。そちらの方からさらにArduinoの使い方を知っていただけたらと思います。また、説明していない端子についても説明していく予定です。

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