Arduinoのブロックプログラミング：LEDの点滅をブロックとC++で並べて学ぶ

Arduinoのブロックプログラミングで最初に作るプログラムは、ほぼ決まってLEDの点滅です。この記事では、それを最初から最後まで通して行います。ピン9に220 Ωの抵抗を通してLEDをつなぎ、BlueGraysのLEDの点滅プロジェクトのブロックを1つずつ読みながら、各ブロックがボードに書き込まれるC++コードのどの行になるのかを並べて確認します。「100 ms待つ」ブロックの100という数字を1つ変えるだけで、LEDの点滅の速さがどう変わるかも試してみます。

LED1つで終わりにはしません。同じ考え方を少しずつ広げて、2つのLEDを交互に点滅させるプログラム、信号機のように動くプログラム、パトランプのように光るプログラムへと進みます。そのあと、同じ考え方をESP32と、MicroPythonを使ったRaspberry Pi Picoでも見ていきます。最後には、初心者のほとんどが一度はやってしまうミスを表にまとめました。この記事のプロジェクトはすべて、ブロックとコードを含めてBlueGraysで無料です。ブロック付きのプロジェクトはブロックプログラミングのページでプラットフォーム別に一覧できます。

必要なもの

回路：LEDをピン9につなぐ

LEDには2本の足があり、向きが重要です。長い足がアノード（+）、短い足がカソード（-）で、カソード側はプラスチックの本体が平らになっています。電流はアノードからカソードへの一方向にしか流れないため、LEDを逆向きに挿すと何も起きません。Arduinoのピン9を220 Ωの抵抗の一端につなぎ、抵抗のもう一端をLEDの長い足につなぎます。次に、短い足をGNDにつなぎます。抵抗は電流を制限します。5 Vから赤色LEDに必要な約2 Vを引くと抵抗には3 Vが残り、3 V / 220 Ωで約14 mAになります。これはLEDにとって無理がなく、Arduinoのピンにとっても安全な電流です。手持ちのLEDの色に合った値はLED抵抗計算ツールで確認できます。LEDのしくみはLEDとは？で、ブレッドボードの列が内部でどうつながっているかはブレッドボードとは？で解説しています。

最初のプログラムをブロックで：LEDの点滅

回路ができたら、プログラムを見てみましょう。BlueGraysでLEDの点滅プロジェクトを開き、コードの欄でブロックで表示をオンにすると、下のブロックが表示されます。ブロックは全部で7つあり、大きく2つのグループに分かれています。上がセットアップ（1回だけ実行）、その下がずっと繰り返すです。ブロックはアプリの言語で表示されます。英語では「write HIGH to pin」、トルコ語では同じブロックが「numaralı pine YÜKSEK yaz」、日本語では「ピン 9 に HIGH を書き込む」と表示されます。

セットアップ（1回だけ実行）の中のブロックは、ボードの電源が入ったときやリセットボタンを押したときに一度だけ実行されます。ここにあるブロックは「ピン 9 を 出力 に設定」の1つだけです。Arduinoのデジタルピンは、入力にも出力にもなります。LEDを駆動するので、ボードに「このピンから電気を出します」と伝えているわけです。ずっと繰り返すのグループはセットアップが終わってから始まり、ボードの電源が入っている間、上から下へと何度も繰り返し実行されます。中の4つのブロックは、LEDを点灯し、100ミリ秒待ち、LEDを消灯し、さらに100ミリ秒待ちます。最後のブロックのあと、プログラムは先頭に戻り、LEDがまた点灯します。点滅とは、この4つのステップが1秒間に5回繰り返されているだけのことです。

ブロック → C++の行：各ブロックは何になる？

1// Led Yakma (proje 1): D9'daki LED 100 ms yanar, 100 ms söner
2// LED Blink (project 1): the LED on D9 is on for 100 ms, off for 100 ms
3void setup() {
4  pinMode(9,OUTPUT);     // LED pini çıkış / LED pin as output
5}
6
7void loop() {
8  digitalWrite(9,HIGH);  // LED'i yak / turn the LED on
9  delay(100);            // 100 ms bekle (1000 ms = 1 s) / wait 100 ms (1000 ms = 1 s)
10  digitalWrite(9,LOW);   // LED'i söndür / turn the LED off
11  delay(100);            // 100 ms bekle / wait 100 ms
12}
13

表とコードを並べると、ブロックが代わりに何を処理してくれているのかがわかります。「セットアップ」と「ずっと繰り返す」のグループの形は、void setup()とvoid loop()関数の波かっこに対応しています。ブロックがどのグループに入っているかで、その行がどの波かっこの中に書かれるかが決まります。ブロックなら、各命令の末尾のセミコロン、大文字と小文字の区別（pinMode、digitalWrite）、かっこのことを考える必要はありません。ただし、Arduino IDEで自分でコードを書き換えるようになると、これらが重要になります。セミコロンが1つ抜けただけでもコンパイルエラーになります。ここにブロックの本当の利点があります。まずプログラムのロジックをしっかり固め、それから同じロジックをコードでどう書くかを学べるのです。

「100 ms待つ」を変えるとどうなる？

待ち時間の単位はミリ秒（ms）で、1000 msが1秒です。プロジェクトでは2つの待ちブロックがどちらも100 msなので、LEDは0.1秒点灯し、0.1秒消灯します。1周期は200 msで、つまりLEDは1秒間に5回点滅します。両方のブロックの数字を大きくするとLEDの点滅は遅くなり、小さくすると速くなります。ある値より短くなると、目は点滅を見分けられなくなり、LEDはずっと点灯しているように見えます。2つの待ち時間を変えたときに見える様子を、次の表にまとめました。

プログラムを広げる：2つのLED、信号機、パトランプ

LEDを1つ点滅させられるようになれば、複数のLEDを制御するのに新しい知識は必要ありません。同じ3つのブロックを、ピンを変えて繰り返すだけです。2個のLEDを点灯プロジェクトでは、セットアップで2つのピン、8と9を出力にします。「ずっと繰り返す」の中では、まず「ピン 8 に HIGH を書き込む」と「ピン 9 に LOW を書き込む」が来て、そのあとに「200 ms待つ」が続きます。次に逆の状態を書き込み、もう一度200 ms待ちます。ポイントは、2つの書き込みブロックが間に待ちを挟まずに続けて実行されるため、2つのLEDが同じ瞬間に入れ替わるように見えることです。それぞれの状態がどれくらい続くかは、待ちブロックが決めます。

信号機プロジェクトは、同じ考え方を3つのLEDに広げたものです。赤をD2、黄をD3、緑をD4につなぎます。「ずっと繰り返す」のグループは4つのフェーズからなり、どのフェーズも同じパターンです。3つのLEDそれぞれに「HIGH を書き込む」か「LOW を書き込む」のブロックを1つずつ置き、そのあとに待ちブロックを1つ置きます。どのLEDを点灯させておくかは書き込みブロックが、どれくらいの時間点灯させるかは待ちブロックが決めます。ブロックが増えても難しくなるわけではなく、長くなるだけです。歩行者用ボタンを加えて実際の交差点に近づけたバージョンは、Arduinoで信号機の記事で紹介しています。

1// Trafik Lambası (proje 3) / Traffic Light (project 3)
2void setup() {
3  pinMode(2,OUTPUT);    // Kırmızı / Red
4  pinMode(3,OUTPUT);    // Sarı / Yellow
5  pinMode(4,OUTPUT);    // Yeşil / Green
6}
7
8void loop() {
9  // Kırmızı yanar, 2 s bekle / Red on, wait 2 s
10  digitalWrite(2,HIGH);
11  digitalWrite(3,LOW);
12  digitalWrite(4,LOW);
13  delay(2000);
14  // Sarı yanar, 0,3 s bekle / Yellow on, wait 0.3 s
15  digitalWrite(2,LOW);
16  digitalWrite(3,HIGH);
17  digitalWrite(4,LOW);
18  delay(300);
19  // Yeşil yanar, 2 s bekle / Green on, wait 2 s
20  digitalWrite(2,LOW);
21  digitalWrite(3,LOW);
22  digitalWrite(4,HIGH);
23  delay(2000);
24  // Sarı yanar, sonra başa (kırmızıya) dön / Yellow on, then back to red
25  digitalWrite(2,LOW);
26  digitalWrite(3,HIGH);
27  digitalWrite(4,LOW);
28  delay(300);
29}
30

LEDの警察車両風点滅プロジェクトでは、新しい種類のブロックが2つ登場します。1つ目はいちばん上にあるグローバル変数（最初に宣言）のグループで、中には「宣言：整数（int） delayTime = 60」というブロックがあります。これはコードのint delayTime = 60;の行にあたり、点滅の時間に名前を付けています。待ちブロックには数字ではなくdelayTimeが入っているので、速さを変えたいときは4つのブロックを別々に直すのではなく、60だけを変えれば済みます。2つ目は緑色の「3 回繰り返す」ブロックです。中の4つのブロックを3回実行し、C++ではfor(int i=0;i<3;i++)のループになります。

計算してみましょう。赤色LEDは1回の点滅で60 ms点灯して60 ms消灯するので、1回の点滅は120 msです。3回で360 msになり、青色LEDも同じです。1周期は約0.7秒かかります。delayTimeを30にすると点滅は2倍の速さになり、120にすると遅くなります。変数とループはシリーズ第4回のテーマで、「ずっと繰り返す」・「数える」・配列ブロックの記事で詳しく解説します。LEDの列に沿って光を走らせる流れるLEDプロジェクトが、同じ道の次のステップです。

ESP32とRaspberry Pi Picoでも同じ考え方

ESP32もArduino IDEを使ってC++でプログラムするため、ESP32のブロックはArduinoのものとほぼ同じです。ESP32でLEDを点滅プロジェクトでは、LEDはGPIO 5につながっていて、待ちブロックは500 msです。コードの行も同じで、pinMode(5, OUTPUT); digitalWrite(5, HIGH); delay(500);となります。違いはピン番号と、ESP32のピンが3.3 Vを出力すること、そしてArduino IDEでボードとしてESP32を選ぶことだけです。Unoで学んだことは、そのままESP32に持ち込めます。

Raspberry Pi Picoのプロジェクトでは、ブロックはMicroPythonのコードになり、ブロック名も少し変わります。Picoの外付けLEDプロジェクトでは、LEDはGP14につながっています。「ピン led : GP LED_PIN , 出力」ブロックはled = Pin(LED_PIN, Pin.OUT)に、「ピン led を オンにする（on）」はled.on()に、「0.5 秒待つ」はtime.sleep(0.5)に、「ずっと繰り返す」はwhile True:のループに対応します。MicroPythonでは待ち時間の単位がミリ秒ではなく秒である点に注意してください。Arduinoのdelay(500)は、ここではtime.sleep(0.5)になります。配線なしで試したいなら、Picoの内蔵LEDプロジェクトでボード上のGP25のLEDを点灯できます。Pico Wでは、内蔵LEDにGP25ではなく「LED」という名前でアクセスします。

1# Pico harici LED (proje 8163), seri port satırları çıkarıldı
2# Pico external LED (project 8163), serial print lines removed
3from machine import Pin
4import time
5
6LED_PIN = 14                    # GP14, herhangi bir boş GPIO / any free GPIO
7led = Pin(LED_PIN, Pin.OUT)     # pini çıkış yap / set the pin as output
8
9while True:                     # sürekli tekrarla / loop forever
10    led.on()                    # LED'i yak / turn the LED on
11    time.sleep(0.5)             # 0,5 saniye bekle / wait 0.5 s
12    led.off()                   # LED'i söndür / turn the LED off
13    time.sleep(0.5)
14

よくあるミスと直し方

アプリでステップごとに：ブロックからボードへ

1. BlueGraysで、プロジェクト一覧でブロックのバッジが付いているLEDの点滅プロジェクトを開きます。絞り込みで、ブロック付きのプロジェクトだけを表示することもできます。
2. 回路図を見ながら、LED、220 Ωの抵抗、2本のワイヤーをブレッドボードに配置します。
3. コードの欄でブロックで表示をオンにします。コードの代わりにブロックが表示されます。画像をタップすると全画面で開きます。
4. ブロック解説タブに移ります。プログラムがステップごとに説明され、各ステップではそのステップのブロックと、その働きだけが表示されます。
5. スイッチをオフにして実際のコードに戻り、コードをコピーしてArduino IDEに貼り付けます。ブロックがボードに直接書き込まれることはなく、ボードに入るのはいつもこのコードです。
6. Arduino IDEでボードとしてArduino Unoを選び、正しいポートを選んで「書き込み」を押します。まだIDEをインストールしていない場合は、Arduino IDEのインストール方法の記事で手順を説明しています。
7. LEDが点滅し始めたら、2つのdelay(100)の行をdelay(1000)に変えてもう一度書き込み、違いを自分の目で確かめてください。

この記事では、LEDはいつも同じリズムで点滅していました。プログラムが外の世界の様子をうかがうことは一度もありませんでした。次のステップは、ボードに判断をさせることです。シリーズ第3回のボタンと「もし」ブロックでは、ボタンを押すとLEDが点灯するプログラムと、「もし … 実行 … そうでなければ」ブロックがC++のif/elseにどう変わるかを解説します。

BlueGraysアプリでは、LEDの点滅、2個のLEDを点灯、信号機、LEDの警察車両風点滅、そしてESP32とPicoのLEDプロジェクトを、回路図とコード付きで見られます。ブロックで表示で同じプログラムのブロック版に切り替え、ブロック解説で各ステップの働きを1つずつ読むことができます。