レッスン内容

  1. Arduinoとは?
  2. Arduinoを選ぶ理由
  3. Arduinoのバリエーション
  4. Arduinoの内部ボードの構成
  5. Arduino IDEとは?

Arduinoとは?

Arduinoは2005年の北イタリアの地で誕生しました。当時はロボットのデジタル制御にBASIC Stampというマイクロコントローラが用いられていましたが、価格的に負担が大きいこともあり、もっと安価な制御装置の開発が待ち望まれていたことから、Arduinoプロジェクトが発足・誕生した経緯があります。

Arduinoは、ハードウェア自体は入出力装置が付いているだけのワンボードマイコンで、ソフトウエアはArduino IED(統合開発環境)から構成さています。

利用環境として、OSはMac、Windows、およびLinuxをカバーしており、単純な8ビットボードからIoTアプリケーションを用いた製品に対応しているので、初心者から上級者まで様々なニーズに応える柔軟性を備えています。

使用言語はC/C++がベースとなっているオープンソースとして、プログラムや電子の勉強をしている学生、電子系技術者、デザイナー、プログラマーなど世界中の方が利用しており、プログラムソースの参考はArduinoコミュニティや、様々なHPで情報が公開されています。

これらのソースコードを利用又はプログラミングすることで、ボードはセンサーや電波、メッセージなどの入力信号を受けとり、モーター、LEDといった電子部品に信号を出力します。

この技術が社会の構造を始めIoT技術やロボット産業などを支えており、学校、イベント、会社、昨今では一般家庭でも利用されています。

利用者にとって、手ごろな価格、公開されている情報量といった点からも、Arduinoは優れたプラットフォームの一つです。

これまでも、利用者のニーズに対して進化してきましたが、これからも新たなニーズに応えるべく進化していくことでしょう。

Arduinoを選ぶ理由

Arduinoのバリエーション

Arduinoには多数のボードがあり、基本となるArduino UNOから始まり、Arduino mega、ArduinoFio、lilyPadなどがあります。

各ボードの詳細な仕様は、こちらにアクセスして下さい(https://www.Arduino.cc/en/Products/Compare)。
偽造ボードなども多数存在するので、こちらへアクセスして確認して下さい(https://www.Arduino.cc/en/Products/Counterfeit)。

Arduinoの内部ボードの構成

ボードの内部構造に関して、今は、こんな機能が有るのかといった具合に読み進めていきましょう。
実際に電子回路やプログラムを組んで、分からない時に改めて見直しましょう。現段階で全てを理解する必要はありません。

メインチップ/マイクロコントローラ

28本のピンがある黒い箱状のものですが、Arduinoの頭脳部分です。ICまたは集積回路と言われています。ボードの種類により積まれているICに差が有りますが、通常はATMEL社のICを使っています。
またArduinoを利用する上で、ボードのバージョン(ICの種類)により、プログラム内容が変わる場合が有るので、IC上面の記載を確認しましょう。ICには様々な種類が有るので、詳しくはデータシートを確認して下さい。

電源(USB /電源ケーブル)

Arduinoを使うには、全てのバリエーションでUSBケーブル若しくは電源ケーブルにより電源を供給する必要があります。とくにUSBケーブルによる接続は電源以外にも、ソースをアップロードするのにも使用します。
Arduinoを使用したプログラミング方法の詳細は、Arduinoのインストールとプログラミングのチュートリアルをご覧下さい。

注: 20Vを超える電源を使うと、Arduinoボードが壊れるので使わないで下さい。推奨電圧は6~12Vです。

オンボード電源

Arduinoは初心者向けに開発されているので、保護回路と調整回路を備えていることから推奨電圧内の電源を幅広く使用できるほか、USB接続の場合は5Vとなります。また逆極性保護ダイオードにより、ダイオードのプラスとマイナスを反対に接続しても壊れる心配はありません。

USBポートとインターフェイス

USBポート

Arduinoとコンピューターの接続方法ですが、USBポートを備えたコンピューターなら、機種を選ばず接続可能です。ただし、USBケーブは必要ですが、ケーブルも弊社のキットを購入されたお客様なら最初から含まれているので心配ありません。

 

USBインターフェイスチップ

Arduinoとコンピューターを接続します。接続したら、ソースコードはシリアルインターフェイスによりデーターを転送し、内容を読み取ります。ちなみに頭脳に当たるメインプロセッサ(ATmega328)は、ソースコードを読み取った後に演算処理する為の部品と理解して下さい。

データを変換するプログラム(コンパイラー)の機能が詰まったチップには、FTDI FT232、FTDI FT231X、CP2102またはCP2104、PL2303、CH430などがあります。
ただし一部のチップは異なる利用するのに別のドライバーが必要となります。

Arduino内蔵LED

ArduinoにはL、RX、TX、およびONの4つのLEDがあります。

ON LED

Arduinoに電源が供給されると常に緑色に点灯します。点滅若しくは消灯している場合は正常に動作していないので、電源の接続を確認して下さい。

RX及びTX LED

コンピューターとArduino間の情報の送受信時に点滅します。

TX LEDはデータを送信すると黄色のLEDが点灯します。

RX LEDはデータを受信すると黄色のLEDが点灯します。

L LED

ON、RX、TXのLEDは、Arduinoにアクセスすることで自動で点灯するのに対して、L LEDはソースコードにより点灯・消灯を制御することが可能です。

L LEDはデジタルピン#13に接続されています。

パワーヘッダ

デジタルピンヘッダ

0(RX)および1(TX )とラベル付けされた2つのピンは、ArduinoとUSBシリアルトランスレータチップとの間でデータを送信するために使用される2つのシリアルピンです。
Arduinoの通信能力に影響するため、基本的にはこの2つのピンに何も接続しないで下さい!

  • デジタル2~12は通常のデジタルピンです。
  • PWMピン: 3、5、6、9、10、11および(~)記号が付いている箇所はデジタルピンとして使用できますが、パルス幅変調(PWM)としても使用できます。
  • デジタル13はL LEDに接続されています。このピン自体を利用すると同時に、L LEDも点滅する点に注意して下さい。

上記以外のピン:

  • 予備の電源GNDピン
  • AREF:アナログリファレンスピン。高度なアナログセンサーを読み取るのに使用します(後で学習します)。
  • 名称のない2本のピン。I2Cタイプのセンサーの接続に使用されるSDAおよびSCLピンです。これらはPCB内でA5およびA4に接続されます。I2Cセンサーがない限り、使用は控えて下さい。

アナログピンヘッダ

これらの6個のアナログ入力ピンは、デジタル入力・出力ピンとして使用することもできます。

各アナログピンは、0~5Vの電圧となります(使用する電圧は、Arduinoに電力を供給するため同じ)。

スキルが上がれば、ARefピンに供給されている電圧を別の電圧に接続することで、より正確な結果を取得することができます。

アナログ入力ピンが故障する可能性があるので、5Vを超える電圧をアナログ入力ピンに接続しないで下さい。

USBヒューズ

USBヒューズは、Arduinoとコンピューターを保護するために使用される部品です。
もし誤って接続した場合に、電子機器の安全を保つためのものです。各家庭に備わっているブレーカーと機能は同じと考えて下さい。

リセットボタン(10)

アップロードしたソースに間違いが有り、何時までも終了しない状態や、非常時の為に付いています。ボタンを押すと、一時的にGNDに接続され、Arduinoにアップロードされているコードが再起動します。

ピン(5V、3.3V、GND、アナログ、デジタル、PWM、AREF)

Arduinoのピンは、回路を構築するために、ブレッドボードワイヤを組み合わせて使用します。 ワイヤを差し込む箇所を「ヘッダ」と言い、機能により種類が分かれおりラベルで機能別に表記されています。用途に合わせて使用していきます。

  • GND(3):「グランド」の略。ArduinoにはいくつかのGNDピンがありますが、いずれも回路の接地(アース)に使用できます。
  • 5V(4)&3.3V(5):5Vピンは5Vの電力を供給し、3.3Vピンは3.3Vの電力を供給します。Arduinoほぼこの2種類となり、5Vまたは3.3Vで正常に動作します。
  • アナログ(6):「ANALOG IN」ラベル(UNOのA0~A5)のピン領域はアナログ入力ピンです。これらのピンは、 アナログセンサー( 温度センサー)など から信号を読み取りデジタル値に変換することができます。
  • デジタル(7):デジタルピン(UNOでは0~13)に関して、デジタル入力(ボタンが押されたかどうかを伝えるなど)とデジタル出力(LEDに電力を供給するなど)の両方に使用することができます。
  • PWM(8):いくつかのデジタルピン(UNOの3、5、6、9、10、11)の横にチルダ(~)の印が付いています。これらのピンは通常のデジタルピンとして機能しますが、パルス幅変調(PWM)と呼ばれるものにも使用できます。 PWMのチュートリアルでは、LEDの輝度調整を実験しています。
  • AREF(9):アナログリファレンスの略。学び始めはあまり使うことは有りませんが、アナログ入力ピンの上限として外部基準電圧(0~5ボルト)を設定するために使用することがあります。

Arduino IDEとは何ですか?

Arduinoは、コードを記述してボードにアップロードするための、オープンソースで使いやすいプログラミングツールのことです。
Arduino IDE(統合開発環境)と呼ばれており、初心者には方が使いやすく、柔軟性に富んだツールです。