ブロックプログラミングのループと変数：Arduinoのforループと配列

ブロックプログラミングのループと変数は、プログラムを「1回だけ実行する」ものから「賢く実行し続ける」ものに変える2つの基本要素です。ループ（繰り返し）は同じブロックを何度も実行し、変数はその繰り返しの間、数値を覚えておきます。BlueGraysのブロックでは、これらは「ずっと繰り返す」「i を … ずつ変えて数える」「グローバル変数（最初に宣言）」「… に … を代入」として登場します。ボードに書き込むArduinoのコードでは、それぞれloop()、forループ、int型の変数、代入の行に当たります。

今回は、4つの無料プロジェクトのブロックを、実際のC++コードと並べて読んでいきます。6個のLEDを順番に点灯させる流れるLED、ポテンショメーターで速度を変える速度調整できる流れるLED、光を端から端まで往復させるKnight Rider風LED、そしてそのポテンショメーター版の速度調整できるKnight Rider風LEDです。4つとも同じ回路を使います。D2〜D7ピンに6個のLED、A0にポテンショメーターが1個です。最後に自分でカウンターの例を書き、初心者がよくする3つの間違い、つまり1回多く、または1回少なく数えてしまうこと、配列の末尾を越えてしまうこと、ボタンの入力を見逃す原因になる長い待ち時間を順に見ていきます。

「ずっと繰り返す」ブロックとloop()：ボードはなぜ止まらないのか

パソコンのプログラムは仕事が終われば閉じますが、Arduinoのプログラムは閉じません。ボードにはOSがなく、プロセッサーにはほかにすることがないからです。そのため、ブロックのプロジェクトはどれも同じ骨組みになっています。「セットアップ（1回だけ実行）」の中身は、ボードに電源が入ったときかリセットボタンが押されたときに1回だけ実行され、「ずっと繰り返す」の中身は上から下まで止まらずに繰り返されます。C++側では、これがsetup()関数とloop()関数です。loop()の最後の行が終わると、ボードはすぐに最初の行へ戻ります。待ち時間のない短いloop()なら、1秒間に数万回実行されることもあります。ボードを止める方法は、電源を切るか、新しいプログラムを書き込むことだけです。この終わりのない繰り返しは欠陥ではなく、そういう設計です。ボタンの読み取りも、センサーの監視も、LEDの点滅も、1周ごとにやり直されるので、ボードは周りの変化に反応し続けられます。

ブロックプログラミングの変数：グローバル変数と宣言ブロック

変数は、数値を入れて名前で呼び出す小さな箱です。ブロックでは、変数は紫色の「グローバル変数（最初に宣言）」ブロックの中で作ります。その中にある「宣言：整数（int） potValue = 0」ブロックは、コードではint potValueという行になります。intが型、potValueが名前、0が初期値です。「最初に宣言」という部分が大事で、これらの行はファイルのいちばん上、setup()とloop()の外に置かれます。このように宣言したグローバル変数は、プログラムのどこからでも見え、loop()が最初からやり直されるたびに値を失うこともありません。Arduino Unoではintは2バイトで、-32768から32767までの整数を扱えます。analogRead()の0〜1023の範囲やピン番号には十分すぎるほどです。速度調整できる流れるLEDのブロックではpotValue = 0となっているのに、コードではint potValue;としか書かれていないことに気づくかもしれません。どちらも結果は同じです。C++では、初期値のないグローバル変数はゼロから始まります。

変数の値をあとから変えるブロックは「… に … を代入」です。「potValue に A0 をアナログ読み取り を代入」ブロックは、コードではpotValue = analogRead(A0);になります。ここでの=は数学の等号ではなく、「右側の値を計算して、左側の箱に入れる」という意味です。2つの値が等しいかどうかを調べる比較は、C++では==と書きます。これはシリーズの前回、ifブロックで見ました。代入ブロックが実行されると、箱の古い値は消えて新しい値が書き込まれます。その変数を読むブロックは、どれもこの新しい値を使います。「potValue ms待つ」は、その時点でpotValueに入っているミリ秒数だけ待ちます。

回数を決めた繰り返し：「i を … ずつ変えて数える」ブロックとArduinoのforループ

決まった回数だけ繰り返すには、緑色の「i を 0 から 5 まで 1 ずつ変えて数える」ブロックを使います。このブロックはiというカウンターを作って0にし、中のブロックを実行したあとiに1を足してもう一度実行し、iが5を超えるまでこれを続けます。Arduinoでの対応はfor (int i = 0; i < 6; i++)という行です。かっこの中にはセミコロンで区切られた3つの部分があります。開始（int i = 0）、続ける条件（i < 6）、そして1周ごとに行う更新（i++、つまりiに1を足す）です。いちばん注意したいのは、ブロックの終了値はその値自体を含むという点です。「0 から 5 まで」は0、1、2、3、4、5を意味するので、ループは5回ではなく6回実行され、6個のLEDそれぞれに1回ずつ順番が回ります。だからコードではi < 6と書かれていて、これはi <= 5と同じ意味です。「ゼロから始めて、要素の数より小さい間は続ける」という書き方は、6という数字がそのままLEDの個数を表すので、Arduinoのコードでとてもよく使われます。

配列ブロック：「配列 2 3 4 5 6 7」とledPins[i]

6個のLEDのために6つの変数を別々に宣言する代わりに、すべてを1つのリストにまとめられます。紫色の「配列 2 3 4 5 6 7」ブロックを「宣言：整数（int） ledPins = …」につなぐと、コードではint ledPins[] = {2, 3, 4, 5, 6, 7};という行になります。角かっこは配列であることを示し、波かっこの中に値が入ります。要素には位置の番号、つまりインデックスでアクセスします。C++ではインデックスは0から始まります。最初の要素はledPins[0]、最後の要素はledPins[5]です。ブロックでは「ledPins の i 番目の要素」がこれを行い、ledPins[i]になります。カウントのループも0から始まるので、両者はぴったり合います。1周ごとにiが次のインデックスを与え、ledPins[i]がそこに入っているピン番号を返します。配列のもう1つの便利な点は、LEDの順番を変えたいとき、ループには手を付けずにリストの数字を入れ替えるだけで済むことです。配列について詳しくはArduinoの配列を参照してください。

流れるLED：ブロックとC++を1行ずつ

1int ledPins[] = {2, 3, 4, 5, 6, 7};   // LED pinleri, yanma sırasıyla / LED pins in lighting order
2
3void setup() {
4  // Tüm LED pinlerini çıkış yap / Set all LED pins as outputs
5  for(int i = 0; i < 6; i++) {
6    pinMode(ledPins[i], OUTPUT);
7  }
8}
9
10void loop() {
11  // Her LED'i sırayla 150 ms yak / Light each LED in turn for 150 ms
12  for(int i = 0; i < 6; i++) {
13    digitalWrite(ledPins[i], HIGH);
14    delay(150);
15    digitalWrite(ledPins[i], LOW);
16  }
17}

プログラムを時間の流れとして考えてみましょう。ボードが起動すると、セットアップの中のループが0から5まで順に6つのピンを出力にします。これは二度と行われません。次に「ずっと繰り返す」が始まります。中のカウントループがD2のLEDを点灯し、150 ms待って消し、同じことをD3、D4、D5、D6、D7でも繰り返します。1周は6 × 150 = 900 msです。最後のLEDが消えるとloop()が終わり、ボードはすぐに先頭へ戻って、光は再びD2から始まります。周回の間にすき間がないので、光は止まらずに流れているように見えます。速度を変えるには、150という数字を1つ変えるだけです。50にすれば光は3倍速く走り、500にすればゆっくり進みます。この固定の速度をつまみで調整できるようにすると、次のプロジェクトになります。

速度調整できる流れるLED：ポテンショメーターの値が待ち時間になる

1int ledPins[] = {2, 3, 4, 5, 6, 7};   // LED pinleri, yanma sırasıyla / LED pins in lighting order
2int potValue;                         // Pot değeri = bekleme (ms) / Pot value = delay (ms)
3
4void setup() {
5  // Tüm LED pinlerini çıkış yap / Set all LED pins as outputs
6  for(int i = 0; i < 6; i++) {
7    pinMode(ledPins[i], OUTPUT);
8  }
9}
10
11void loop() {
12  for(int i = 0; i < 6; i++) {
13    potValue = analogRead(A0);        // Hızı oku (0-1023) / Read the speed (0-1023)
14    digitalWrite(ledPins[i], HIGH);
15    delay(potValue);                  // Pot değeri kadar ms bekle / Wait as many ms as the pot value
16    digitalWrite(ledPins[i], LOW);
17  }
18}

流れるLEDとの違いは、新しい2つのブロックだけです。グローバル変数に「宣言：整数（int） potValue = 0」が加わり、カウントループの最初に「potValue に A0 をアナログ読み取り を代入」ブロックが入っています。analogRead(A0)は、ポテンショメーターの真ん中のピンの電圧を0〜1023の数値に変換します。その数値がそのまま「potValue ms待つ」、つまりdelay(potValue)の行に渡されます。つまみを一方の端まで回すと各LEDが約1秒（1023 ms）点灯し、1周に約6秒かかります。反対の端まで回すと待ち時間は0になり、LEDの切り替わりが速すぎて、全部が同時にうっすら光っているように見えます。ループの中でLEDごとにポテンショメーターを読むのは、意図的な選択です。つまみを回した瞬間から次のLEDが新しい速度を使うので、1周が終わるのを待つ必要がありません。ポテンショメーターの仕組みはポテンショメーターとは？で確認できます。

ナイトライダー：前に数えるループと後ろに数えるループ

ナイトライダーの効果では、光が端から端まで進み、また戻ってきます。Knight Rider風LEDのブロックでは、「ずっと繰り返す」の中に2つのカウントループが上下に並んでいます。1つ目はおなじみの「i を 0 から 5 まで 1 ずつ変えて数える」で、光をD2からD7へ動かします。2つ目は「i を 4 から 1 まで 1 ずつ変えて数える」です。開始値が終了値より大きいので、ブロックは逆向きに数え、iは4、3、2、1になります。コードではfor(int i = 4; i > 0; i--)の行で、i--はiから1を引きます。なぜ5から0ではなく、4から1なのでしょうか。ledPins[5]（D7）は往路の最後に、ledPins[0]（D2）は次の往路の最初に、すでに点灯するからです。帰り道で両端を飛ばすと、端のLEDが2回続けて点灯することがなくなり、折り返しがなめらかに見えます。1往復は6 + 4 = 10ステップで、1ステップが100 msなので合計1秒です。速度調整できるKnight Rider風LEDも同じ2つのループを使います。違いは、両方のループの最初に「potValue に A0 をアナログ読み取り を代入」ブロックを加え、100 msの代わりに「potValue ms待つ」を使う点だけです。ほかのパターンはArduinoでナイトライダー風LEDを見てください。

自分で作るカウンターの例：周回カウンターとシリアルポート

では、これまでの内容をすべて組み合わせた小さな例を書いてみましょう。流れるLEDが1周するたびにカウンターが1増え、ボードはiの値と周回数の両方をパソコンに送ります。画像のブロックを使うなら、次のように組み立てます。グローバル変数のledPins配列の下に「宣言：整数（int） rounds = 0」を追加します。セットアップには「シリアル通信を 9600 ボーで開始」ブロックを入れます。カウントループの中、LEDが点灯する前に「シリアル出力」ブロックを置き、文字列「i = 」、続いてi、続いて文字列「 pin = 」を「改行なし」の設定で出力し、最後に「ledPins の i 番目の要素」を「改行あり」の設定で出力します。カウントループのあと、まだ「ずっと繰り返す」の中で、「rounds に … を代入」ブロックにrounds + 1の合計を渡し、周回数を「シリアル出力 … 改行あり」で出力します。

1int ledPins[] = {2, 3, 4, 5, 6, 7};   // LED pinleri / LED pins
2int rounds = 0;                       // tamamlanan tur sayısı / number of finished rounds
3
4void setup() {
5  Serial.begin(9600);                 // seri port 9600 baud / serial port at 9600 baud
6  for (int i = 0; i < 6; i++) {
7    pinMode(ledPins[i], OUTPUT);
8  }
9}
10
11void loop() {
12  for (int i = 0; i < 6; i++) {
13    Serial.print("i = ");             // aynı satırda kal / stay on the same line
14    Serial.print(i);
15    Serial.print("  pin = ");
16    Serial.println(ledPins[i]);       // alt satıra geç / new line
17    digitalWrite(ledPins[i], HIGH);
18    delay(300);
19    digitalWrite(ledPins[i], LOW);
20  }
21  rounds = rounds + 1;                // sayacı bir artır / add one to the counter
22  Serial.print("Tur / Round: ");
23  Serial.println(rounds);
24}

書き込みが終わったら、Arduino IDEでシリアルモニタを開き、9600ボーに設定します。1周ごとに「i = 0 pin = 2」から「i = 5 pin = 7」までの6行が表示され、そのあとに1、2、3と数える「Tur / Round」の行が続きます。この出力は、カウントブロックの終了値が含まれることのいちばんわかりやすい証拠です。「0 から 5 まで」からは、ちょうど6つの値が出てきます。また、roundsがグローバル変数の中で宣言されている点にも注目してください。loop()が始まるたびにリセットされないので、値が周回から周回へ引き継がれます。1周は6 × 300 = 1.8秒なので、intの上限32767には約16時間で達します。もっと長く数える必要があるなら、変数をunsigned longにしてください。シリアルモニタについて詳しくはArduinoのシリアルモニタにあります。

回路：LED 6個、220 Ωの抵抗、ポテンショメーター

220 Ωの抵抗を使うと、5 Vで点灯させる赤色LEDには約（5 − 2）/ 220 ≈ 14 mAの電流が流れます。これはLEDにもArduinoのピンにも安全な値です。ほかの色のLEDを使う場合は、LED抵抗計算ツールで抵抗値を確認してください。すべてのカソードをブレッドボードのGNDのラインにまとめ、そのラインをArduinoのGNDピンにつなぎます。ポテンショメーターの両端の足を入れ替えても、何も壊れません。つまみを回す向きが逆になるだけです。流れるLEDとナイトライダーのプロジェクトはポテンショメーターを使いませんが、つないだままでも問題ないので、同じ回路で4つのプロジェクトを順番に試せます。

ループと変数のよくある間違い

BlueGraysアプリでループと変数のブロックを見る

この記事の4つのプロジェクトと以下のプロジェクトは、BlueGraysアプリでブロックもコードも完全に無料です。プロジェクトのコード画面でブロックで表示スイッチをオンにすると、コードが同じプログラムのブロックに置き換わります。画像をタップすると全画面で開き、長いカウントループも拡大して楽に見られます。ブロック解説タブでは、プログラムを1ステップずつ、そのステップのブロックと動作だけを表示しながら案内します。ほかにもブロックで見る価値のある無料プロジェクトがあります。delayTime変数と2つのカウントループで動くLEDの警察車両風点滅、「ずっと繰り返す」の中で4つの状態を順に進む信号機、読み取った値を変数に保存してシリアルポートに出力するLDRで光の強さを測定、そしてLEDの状態を変数で覚えておくボタンでLEDの点灯・消灯を切り替えです。コードガイドのArduinoの例もすべてブロックで表示でき、今日のクイズでは、A1からC2まで1日5問で学んだことを定着させられます。ブロックのプロジェクトの一覧はブロックプログラミングのページにあります。ブロックがそのままボードに書き込まれるわけではありません。ボードに入るのは常にプロジェクトの実際のコードなので、ブロックで理解したプログラムをArduino IDEにコピーしてボードに書き込みます。

ループと変数がわかったら、次はその数値を現実の世界から取り込む番です。シリーズの第5回ではブロックでのセンサーの読み取り、シリアルポート、PicoでのMicroPythonへの移行を取り上げます。それまでに、BlueGraysアプリで流れるLED、ナイトライダー、そしてそれぞれの速度調整版を回路図とコード付きで見てみてください。ブロックで表示でブロックに、ブロック解説でステップごとの説明に切り替え、各カウントループがコードのどの行に当たるのかを自分で追ってみましょう。