arduinoでプログラミングに触れてみよう

Arduinoでプログラミングに触れてみよう

2015/11/01 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

自己紹介

• 国内大会

• 日本OSS奨励賞 2012

• SuperComputing Contest 2012 優勝

• 情報オリンピック 2013/2014 優秀賞(代表候補)

自己紹介

• 国内大会

• 高校生科学技術チャレンジ　2012: 文部科学大臣賞・富士通賞　2013: 科学技術政策担当大臣賞・富士通賞

• U-20 プログラミングコンテスト経済産業大臣賞

自己紹介• 国際大会

• アジア太平洋情報オリンピック 2012 銅メダル

• Intel ISEF 2014 Fondazione Bruno Kessler Award

• CODEGATE Junior CTF 2014 7th

• DEFCON CTF 2014 13th

自己紹介

プログラマ

プログラミングの力

• プログラミングを学ぶということ

• プログラミング言語を学ぶことではない

• プログラミングという概念を学ぶ



• 世界中のコンピュータを制御する能力を得る

• 最近はスマートフォンや家電にも届くように



• 日本語が通じるのは、1億3000万人程度

• Javaが使えるのは、30億のデバイス



• プログラミングは世界共通

• 世界中の誰もが参加できるOSS開発

• Linux Kernelは世界中から6000人以上が参加



• プログラミングは様々な分野で必要とされている

• プログラミングができなくてもプログラミングで何ができるかを知ることが重要


• 物理学

• CERNのLHCは1秒に300GBのデータを観測する

• 1時間で64GBのiPhone 2万台近くのデータ量

• 36ヶ国のコンピュータで分散して自動分析し1000分の1のサイズで必要なデータを抜き出す

http://www.ibtimes.co.uk/cerns-large-hadron-collider-re-starts-after-two-year-shutdown-1491826


• 地学

• 国立天文台は国内11位のスパコンを所有

• すばる望遠鏡の観測データの分析

• 宇宙現象のシミュレーション

http://www.nao.ac.jp/gallery/weekly/2014/20140422-aterui.html


• 化学

• 化学反応のシミュレーションがポピュラーに

• 「京」でも様々な反応シミュレーションが

• タミフルの設計にも使われた

http://www.nao.ac.jp/gallery/weekly/2014/20140422-aterui.html

プログラミングの力• 生物学

• バイオインフォマティクス

• たくさんの遺伝子解読ができるのはコンピュータとアルゴリズムのおかげ

• 細かい遺伝子の切れ端がうまく繋がるようにパズルを解く

http://www.bio-itworld.com/2014/12/22/nanopore-sequencing-here-stay.html



• プログラミングという概念を学ぶ

• 制御する楽しさをより実感してもらうために電子回路と組み合わせたプログラミングをします

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

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

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

• ＋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

• このような回路図

• 13番からLED

• LEDから抵抗

• 抵抗からGND



• Arduino IDE

• Arduinoでプログラミングする用のソフトウェア


ここをクリック


• 動作が確認できたらArduinoとブレッドボードの接続を外す

• 大きな電流は流れていないが安全のため

プログラミングの基本概念

• コンピューターに命令を与えること

• コンピューターは人間の扱う言語を理解できない

• 人間の扱う言語は一意的ではない


• コンピューターが理解できるようにプログラミング言語を使う

• 人間はコンピューターにさせたい内容をプログラミング言語に翻訳して伝える

• コンピューターはプログラミング言語を0と1で表されるデータに翻訳して動かす

LEDを光らせるプログラム

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

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




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

LEDを光らせるプログラムpinMode(13, OUTPUT);

digitalWrite(13, HIGH); digitalWrite(13, HIGH); digitalWrite(13, HIGH); digitalWrite(13, HIGH); digitalWrite(13, HIGH); digitalWrite(13, HIGH); digitalWrite(13, HIGH); digitalWrite(13, HIGH); …

← 最初の1回だけ　実行される

電源が切れるまで永遠に実行される





繰り返し実行される




← 13番ピンを　 OUTPUTに使用する




← 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




← 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

• 関数 = よく使う処理をまとめたもの

• 例: x = 1 ~ 3 について x3 + x2 + x を計算させたい

• 人間「13 + 12 + 1 は？」コンピューター「3」人間「23 + 22 + 2 は？」コンピューター「12」人間「33 + 32 + 3 は？」コンピューター「18」　





• 人間「13 + 12 + 1 は？」コンピューター「3」人間「23 + 22 + 2 は？」コンピューター「12」人間「33 + 32 + 3 は？」コンピューター「18」　




• 人間「f(x) = x3 + x2 + x とします」人間「f(1) は？」コンピューター「3」人間「f(2) は？」コンピューター「12」人間「f(3) は？」コンピューター「18」



• pinMode()やdigitalWrite()も関数

• digitalWrite()を使うたびに処理をすべて書くのはしんどい

void digitalWrite(uint8_t pin, uint8_t val) { uint8_t timer = digitalPinToTimer(pin); uint8_t bit = digitalPinToBitMask(pin); uint8_t port = digitalPinToPort(pin); volatile uint8_t *out; if (port == NOT_A_PIN) return; // If the pin that support PWM output, we need to turn it off // before doing a digital write. if (timer != NOT_ON_TIMER) turnOffPWM(timer); out = portOutputRegister(port); uint8_t oldSREG = SREG; cli(); if (val == LOW) { *out &= ~bit; } else { *out |= bit; } SREG = oldSREG; }



• pinMode()やdigitalWrite()も関数

• digitalWrite()を使うたびに処理をすべて書くのはしんどい

• 13番ポートから2番ポートに＋を付け替える





← 13を2に変更する

← 13を2に変更する


• ＋を13番ポートに戻しておく

LEDを点滅させる

• プログラミングでLEDを点滅させる

• 点滅 = 「一定時間点けて、一定時間消す」を　　　　繰り返す

• delay(1000) ← 1000ミリ秒(=1秒)間　　　　　　そのままの状態で待つ

LEDを点滅させる• クイズ: 次の3つの命令を使って　　　 LEDを点滅させるにはどうすればいい？

• digitalWrite(13, HIGH);　13番ピンをHIGHに設定 = LEDを光らせる

• digitalWrite(13, LOW);　13番ピンをLOWに設定 = LEDを消す

• delay(1000);　1000ミリ秒(=1秒)間そのままの状態で待つ



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

①



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

②



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

③


delay(1000); digitalWrite(13, HIGH); delay(1000); digitalWrite(13, LOW);

③digitalWrite(13, HIGH); digitalWrite(13, LOW); delay(1000);

①

digitalWrite(13, HIGH); delay(1000); digitalWrite(13, LOW);

②

繰り返し部分だけ抜き出すと以下のとおり


delay(1000); digitalWrite(13, HIGH); delay(1000); digitalWrite(13, LOW);

③digitalWritedigitalWritedelay

①

digitalWritedelaydigitalWrite

②

繰り返し部分だけ抜き出すと以下のとおり

LEDを点滅させるプログラム


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

LEDを点滅させるプログラムpinMode(13, OUTPUT);

delay(1000); digitalWrite(13, HIGH); delay(1000); digitalWrite(13, LOW); delay(1000); digitalWrite(13, HIGH); delay(1000); digitalWrite(13, LOW); delay(1000); …

← 最初の1回だけ　実行される

電源が切れるまで永遠に実行される



　最初はそのまま← 待っても何もない



　最初はそのまま← 待っても何もない

この4行の繰り返しと考えてもほとんど変わらない



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




一定時間点けて一定時間消す




一定時間点けて一定時間消す

※資料と同じように　色がついているチェック

LEDを点滅させてみよう


LEDを点滅させてみよう

• 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


LEDを点滅させてみよう• チャレンジ: (0.5秒点灯 / 1秒消灯) x 2 → 1秒点灯 / 0.5秒消灯

void loop() { digitalWrite(13, HIGH); delay(500); digitalWrite(13, LOW); delay(1000); digitalWrite(13, HIGH); delay(500); digitalWrite(13, LOW); delay(1000); digitalWrite(13, HIGH); delay(1000); digitalWrite(13, LOW); delay(500); }

ボタンを使ってみよう

• 縦はつながっている

• 横は押すとつながる

回路を組み替えてみよう


211816

ボタンの状態を読み取ってみよう

• ここまでは回路に出力だけしてきた

• pinMode(13, OUTPUT); ← 13番ピンを出力設定

• ここからは回路から信号を読み取ってみる

• pinMode(1, INPUT); <- 1番ピンを入力設定


21

回路を組み替えてみようボタンを外し、ジャンパをつけかえる

21

回路を組み替えてみよう21 23 26 30

回路を組み替えてみよう1

5VGND

GND13


• 5Vのポートから電流が流れる

• ボタンが押されていない時

• 2番ポートに電流は伝わらない



• ボタンが押されていない時




• ボタンが押されている時





• 2番ポートに電流が伝わる




• 抵抗を通ってGNDにつながる


• ボタンを押すと1番ポートに5Vが流れる

回路を理解しよう13番ポートから出力するとLEDが光る

回路を理解しよう13番ポートから出力するとLEDが光る

ボタンを押すと2番ポートに入力される

ボタンを押した時にLEDを光らせるvoid setup() { pinMode(1, INPUT); pinMode(13, OUTPUT); }

void loop() { if (digitalRead(1) == HIGH) { digitalWrite(13, HIGH); } else { digitalWrite(13, LOW); } }

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; }


if (

} 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;

}


if (

} 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; }

ボタンを押した時にLEDを光らせる

if (digitalRead(1) == HIGH) { digitalWrite(13, HIGH); } else { digitalWrite(13, LOW); }


if ( } else { }

digitalRead(1) == HIGH

• digitalRead(1): 1番ポートに電流がきているか

• digitalRead(1) == HIGH　1番ポートに電流がきているときにあてはまる


if ( } else { }

if (digitalRead(1) == HIGH) { digitalWrite(13, HIGH); }

• 1番ポートに電流がきているとき

• digitalWrite(13, HIGH);が実行される


if ( } else { }

else { digitalWrite(13, LOW); }

• 1番ポートに電流がきていないとき

• digitalWrite(13, HIGH);が実行される



← 1番ポートを入力に使用← 13番ポートを出力に使用



← ボタンが押されたら　 LEDを点灯




← ボタンが押されたら　 LEDを点灯← ボタンが押されたら　 LEDを消灯


ボタンを押した時にLEDを消す


クイズ: 逆に押した時にLEDを消すには？


void loop() { if (digitalRead(1) == HIGH) { digitalWrite(13, LOW); } else { digitalWrite(13, HIGH); } }

クイズ: 逆に押した時にLEDを消すには？


• 同じ回路でもプログラミングによって動きを変えることができる

• 電子工作のみで、押した時に消そうとすると回路をかなり変えないといけない


void setup() { pinMode(5, INPUT); pinMode(13, OUTPUT); }

クイズ: プログラム側のポートだけを　　　 1番から5番に変えるとどうなる？

void loop() { if (digitalRead(5) == HIGH) { digitalWrite(13, LOW); } else { digitalWrite(13, HIGH); } }


void }

void if ( } else { }}

pinMode(5, INPUT);

if (digitalRead(5) == HIGH) {

クイズ: プログラム側のポートだけを　　　 1番から5番に変えるとどうなる？

まとめ• プログラミングとは、プログラミング言語を使ってコンピューターに命令を与えること

• 基本は命令を順番に辿っていくが条件分岐や繰り返しを組み合わせ高度な制御をする

• プログラミングができなくてもプログラミングとはどういうものかプログラミングで何ができるのかを知るのが大切

おまけ

ボタンでON/OFFを切り替えてみる

• ボタンを押した時の挙動を変える

• ONの状態で押された時 → LEDをOFFにする

• OFFの状態で押された時 → LEDをONにする

• いまどういう状態かを知る必要がある

プログラミングの基本概念• 変数 = プログラムの状態を記録する仕組み


int a;

a = 2;

if (a == 2) { digitalWrite(13, HIGH); } else { digitalWrite(13, LOW); }


int a;

a = 2;


← aという名前で変数を用意する


int a;

a = 2;


← aという変数は2を意味することとする (aに2を代入する)


int a;

a = 2;


← aという変数は2を意味することとする

← 「aが2と等しいか」という条件分岐

int a;

a = 2;

if (a == 2) { digitalWrite(13, HIGH); } 　　


int

a = 2;

if } }




int a;

a = 2;


int a;

a = 2; a = 1;



int

a = 2; a = 1;

if } }


a = 1;

int a;

a = 2; a = 1;



← aという名前で変数を用意する

int a;

a = 2; a = 1;




int a;

a = 2; a = 1;

else { digitalWrite(13, LOW); }

int

a = 2; a = 1;

if } }




int

a = 2; a = 1;

if } }

a = 2; a = 1;



変数が指し示す値はいつでも変えられる


• ボタンを押した時の挙動を変える

• ONの状態で押された時 → LEDをOFFにする

• OFFの状態で押された時 → LEDをONにする

• いまどういう状態かを保存する変数を使う


• 変数 int state; を使用する

• ONの状態 → state = 1; とする

• OFFの状態 → state = 0; とする



• state == 1 でボタンが押された時 → 　

• state == 0 でボタンが押された時 → 　



• state == 1 でボタンが押された時 → LEDをOFFにする　

• state == 0 でボタンが押された時 → LEDをONにする　



• state == 1 でボタンが押された時 → LEDをOFFにする　 state = 0; にする

• state == 0 でボタンが押された時 → LEDをONにする　 state = 1; にする



if (digitalRead(1) == HIGH) { if (state == 1) { digitalWrite(13, LOW); state = 0; } else { digitalWrite(13, HIGH); state = 1; } }


int state;

void setup() { state = 0;

pinMode(1, INPUT); pinMode(13, OUTPUT); }

void loop() { if (digitalRead(1) == HIGH) { if (state == 1) { digitalWrite(13, LOW); state = 0; } else { digitalWrite(13, HIGH); state = 1; } } }


• ボタンを押した時に切り替わらない時がある

• 長押しするとチカチカしたり光らなかったり

• 正解のソースコードを掲載するので原因の究明は参加者への課題とします


int state; int pressed;

void setup() { state = 0; pressed = 0;

pinMode(1, INPUT); pinMode(13, OUTPUT); }

void loop() { if (digitalRead(1) == HIGH) { if (pressed == 0) { if (state == 1) { digitalWrite(13, LOW); state = 0; } else { digitalWrite(13, HIGH); state = 1; } }

pressed = 1; } else { pressed = 0; } }

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