TinkercadのArduinoシミュレーター：回路、コード、テスターのガイド

TinkercadでのArduinoのシミュレーションは、部品を1つも持っていなくても、Arduinoの回路を組んでコードを動かせる一番簡単な方法です。Autodeskの無料のブラウザ版ツールTinkercad Circuitsでは、Arduino Unoを仮想のブレッドボードにつなぎ、LED、抵抗、ボタン、センサーを追加し、コードを書いてStart Simulation（シミュレーションを開始）を押します。LEDが点き、サーボが回り、シリアルモニタにデータが流れます。すべて画面の中で起きるので、間違った接続でLEDが焼けたりボードが壊れたりすることはありません。そのため、学校のArduinoの授業の多くはTinkercadから始まります。

このガイドでは、アカウントの作成から始めて、ブレッドボードで最初の回路を組み、ブロックのコードと文字のコードの違いを確認し、シリアルモニタとそのグラフでセンサーのデータを見て、仮想テスターで電圧、電流、抵抗を測ります。その後、教員向けのクラスのアカウント、Tinkercadにある部品とない部品、シミュレーションが本物の回路と違う点、ESP32とRaspberry Pi PicoではWokwiに切り替えるべき理由を学びます。

Tinkercad Circuitsとは？そのしくみ

Tinkercadは、3Dデザイン、電子回路、プログラミングのツールをまとめた、Autodeskの無料のウェブアプリです。電子回路のセクションであるCircuitsは、2017年に終了した123D Circuitsの後継で、何もインストールせずに最新のブラウザで動きます。デザインはクラウドに保存されるので、学校のパソコンで始めた回路を家で続けられます。Tinkercadはコードを動かすだけでなく、回路の電気的な動作も計算します。抵抗を流れる電流、LEDにかかる電圧、任意の点の電圧などです。プログラムできるボードはArduino Uno R3、ATtiny、BBC micro:bitです。Arduinoのコードは本物のArduinoのコンパイラと同じようにコンパイルされ、仮想のATmega328Pで実行されるので、Tinkercadで動くコードは本物のボードでも動きます。

Tinkercadのアカウントの作り方

1. ブラウザでtinkercad.comを開き、右上のSign Up（登録）ボタンをクリックします。
2. 自分に合った方法を選びます。独学なら個人アカウント、教えているなら教員（Educators）アカウント、先生からクラスのコードをもらったならJoin Class（クラスに参加）です。
3. 個人アカウントなら、メールアドレスかGoogleアカウントで続けます。TinkercadのアカウントはじつはAutodeskのアカウントなので、ほかのAutodeskのサービスにも同じログインが使えます。
4. ログインしたら、ダッシュボードの左のメニューからCircuits（回路）のセクションを開き、Create（作成）ボタンで新しい回路を始めます。
5. デザインは自動で保存されます。Tinkercadはランダムでユーモラスな名前を付けるので、左上の名前をクリックして「LEDとボタン」のようなわかりやすい名前を入力し、あとで見つけやすくしましょう。

13歳未満の生徒には、先生が用意したクラスのコードとニックネームでログインするのが一番簡単です。メールアドレスもパスワードも必要ありません。生徒はtinkercad.comでJoin Classをクリックしてコードを入力し、続いてもらったニックネームを入力します。個人アカウントを作りたい年少のユーザーは、登録時に保護者の同意を求められることがあります。教員アカウントの詳しいことは、下の別の章で紹介します。

画面を知る：作業スペース、部品、ショートカット

回路エディターは、左に大きな作業スペース、右に部品のパネルがあります。パネルには初期設定で人気のある基本部品（Basic Components）が表示されます。すべてを見るには、ドロップダウンメニューからAll Components（すべてのコンポーネント）を選ぶか、検索欄に「servo」や「ultrasonic」のような名前を入力します。パネルの下のほうのStartersのセクションには、既製のArduinoの回路が20個ほどあります。1つを作業スペースにドラッグし、シミュレーションを始めてコードを読むのが、新しい部品を学ぶ一番速い方法です。上のバーのボタンで、回路の表示、自動で描かれる回路図の表示、部品の一覧を切り替えられます。

最初の回路：ブレッドボードでLED、抵抗、ボタン

1. 部品のパネルからArduino Uno R3とブレッドボードをドラッグし、横に並べて置きます。ブレッドボードの内部のつながりがわからなければ、先にブレッドボードとは？を読みましょう。
2. ブレッドボードにLEDを置きます。TinkercadのLEDでは、曲がった足がアノード（+）、まっすぐな足がカソード（−）です。足にマウスを重ねると、Tinkercadが名前を表示します。LEDを選ぶと、開いたパネルで色を変えられます。
3. 抵抗を追加し、LEDのアノードに直列につなぎます。抵抗を選び、パネルで値を220、単位をΩにします。初期値は1 kΩです。LEDに合った値はLEDの抵抗の計算ツールで求められます。
4. ボタン（Pushbutton）を、反対側の足が分かれるように、ブレッドボードの中央の溝をまたいで置きます。
5. 線を引くには、ピンか穴をクリックし、次に行き先をクリックします。途中で何もない場所をクリックすると線を曲げられます。抵抗の空いている端をD9に、LEDのカソードをGNDに、ボタンの片方の足をD2に、対角の足をGNDにつなぎます。
6. 線に色を付けましょう。電源を赤、GNDを黒にすると、トラブルの原因を探すのがずっと楽になります。それから下のコードを入力し、Start Simulationを押します。

コードを書く：ブロック、ブロック＋文字、文字のモード

右上のCode（コード）ボタンでコードのパネルが開きます。パネルの上のドロップダウンには3つのモードがあります。Blocks（ブロック）モードでは、Scratchのようなカラフルなブロックをドラッグしてつなげるので、セミコロンの付け忘れや打ち間違いは起きません。Blocks + Text（ブロック＋文字）モードでは、左にブロックが残ったまま、Tinkercadがそこから生成するArduinoのC++のコードが右にリアルタイムで表示されます。ブロックを変えると文字もすぐに変わります。このモードが、ブロックから本物のコードへの一番の橋渡しです。Text（文字）モードでは、Arduino IDEと同じようにC++を直接書きます。ブロックは色ごとに、出力、入力、表記、制御、算術、変数のグループに分かれています。

文字のコードで最初のプログラム：ボタン、LED、シリアルモニタ

1// Tinkercad ilk program: buton, LED ve Seri Monitör / First Tinkercad sketch: button, LED and Serial Monitor
2const int LED_PIN = 9;      // LED + 220 ohm direnç / LED + 220 ohm resistor
3const int BUTON_PIN = 2;    // butonun diğer ucu GND'de / other button leg goes to GND
4
5int basmaSayisi = 0;        // basma sayacı / press counter
6int oncekiDurum = HIGH;     // önceki buton durumu / previous button state
7bool ledAcik = false;       // LED durumu / LED state
8
9void setup() {
10  pinMode(LED_PIN, OUTPUT);
11  pinMode(BUTON_PIN, INPUT_PULLUP);   // basılınca LOW okunur / reads LOW when pressed
12  Serial.begin(9600);
13  Serial.println("Hazir / Ready");
14}
15
16void loop() {
17  int durum = digitalRead(BUTON_PIN);
18  if (durum != oncekiDurum) {                       // durum değişti / state changed
19    if (durum == LOW) {                             // yeni basış / new press
20      basmaSayisi++;
21      ledAcik = !ledAcik;                           // LED'i tersine çevir / toggle the LED
22      digitalWrite(LED_PIN, ledAcik ? HIGH : LOW);
23      Serial.print("Basma / Presses: ");
24      Serial.println(basmaSayisi);
25    }
26    delay(50);                                      // basma ve bırakmada debounce / debounce on press and release
27    oncekiDurum = durum;
28  }
29}

ボタンはINPUT_PULLUPで読みます。Arduinoの中にある約20〜50 kΩの抵抗がピンをHIGHに保ち、ボタンを押すとGNDに引っぱられてLOWになるので、追加の抵抗はいりません。プログラムはHIGHからLOWへの変化、つまり新しく押されたときだけに反応し、そのたびにLEDを切り替えます。シミュレーションを始めたら、コードのパネルの下にあるSerial Monitor（シリアルモニタ）ボタンをクリックし、マウスでボタンをクリックしてみましょう。押すたびにカウンターが1つ増えます。同じ回路を本物のボードで組む方法はArduinoに押しボタンをつなぐ方法で詳しく紹介しています。

シリアルモニタとグラフ：センサーのデータを見る

Tinkercadのセンサーの一番の魅力は、マウスで値を変えられることです。シミュレーション中にTMP36温度センサーをクリックするとスライダーが表示され、温度を−40〜125 °Cの間で設定できます。フォトレジスタの明るさや土壌水分センサーの水分も同じように変えられます。超音波距離センサーやPIR人感センサーでは、前に表示される対象をドラッグして、距離や動きをまねします。TMP36は0 °Cで0.5 Vを出力し、1度ごとに10 mV上がるので、25 °Cでは0.75 Vです。中央のピンをA1に、両端のピンを5VとGNDにつなぎます。下のコードはその電圧を読み、摂氏の温度に変換します。

1// TMP36 ile sıcaklık: Seri Monitör ve grafik / Temperature with TMP36: Serial Monitor and graph
2const int TMP36_PIN = A1;   // TMP36 orta ucu (Vout) / TMP36 middle pin (Vout)
3
4void setup() {
5  Serial.begin(9600);
6}
7
8void loop() {
9  int ham = analogRead(TMP36_PIN);         // 0-1023 arası ham değer / raw value 0-1023
10  float volt = ham * 5.0 / 1023.0;         // gerilime çevir / convert to volts
11  float sicaklik = (volt - 0.5) * 100.0;   // 0,5 V = 0 °C ve 10 mV/°C / 0.5 V = 0 °C and 10 mV/°C
12  Serial.println(sicaklik, 1);             // yalnız sayı: grafik için / number only: for the graph
13  delay(500);
14}

シリアルモニタを開いたまま、パネルのグラフボタンを押すと、送られてくる数値が折れ線グラフで表示されます。センサーのスライダーを動かして、カーブが上がったり下がったりするのを見てみましょう。きれいなグラフにするには、各行に数値だけを表示します。「Temp: 24.5」のようなラベルを付けると、グラフが崩れたり、まったく描かれなかったりします。モニタの下の欄に文字を入力して送信し、コードでSerial.read()で読むこともできるので、キーボードでLEDを点けるプログラムも書けます。シリアル通信のすべてはArduinoのシリアルモニタをご覧ください。

仮想テスターで電圧、電流、抵抗を測る

TinkercadとArduino IDEの最大の違いは、回路を電気的に計算することです。そのため、本物のテスターと同じように測定できます。部品のパネルからMultimeter（マルチメーター）をドラッグします。下の2つの端子のうち、黒がCOM（−）、赤が測定用（+）の端子です。テスターをクリックすると開くパネルで測定モードを選び、シミュレーション中は画面に値が表示されます。

• 電圧：測りたい2点の間にテスト棒を並列につなぎます。たとえば赤をポテンショメーターのワイパーに、黒をGNDにつなぎます。
• 電流：回路を1か所で切り、テスターを直列に入れます。たとえばD9と抵抗の間です。電流モードのテスターを部品に並列につなぐとショートになります。
• 抵抗：測りたい部品を外すか電源を切った状態にして、2本の足にテスト棒をつなぎます。Tinkercadの抵抗には本物のカラーの帯が描かれているので、抵抗のカラーコードツールで読み方を練習できます。

1// Potansiyometre ile LED parlaklığı ve multimetre karşılaştırması
2// Potentiometer LED brightness and multimeter comparison
3const int POT_PIN = A0;   // potansiyometre orta ucu / potentiometer wiper
4const int LED_PIN = 9;    // PWM destekli pin / PWM-capable pin
5
6void setup() {
7  pinMode(LED_PIN, OUTPUT);
8  Serial.begin(9600);
9}
10
11void loop() {
12  int ham = analogRead(POT_PIN);                // 0-1023
13  float volt = ham * 5.0 / 1023.0;              // multimetreyle karşılaştır / compare with the multimeter
14  int parlaklik = map(ham, 0, 1023, 0, 255);    // PWM değeri / PWM value
15  analogWrite(LED_PIN, parlaklik);
16
17  Serial.print(ham);
18  Serial.print("  ");
19  Serial.print(volt, 2);
20  Serial.println(" V");
21  delay(300);
22}

この実験では、回路にポテンショメーターを追加します。両端のピンを5VとGNDに、ワイパーをA0につなぎます。つまみをちょうど真ん中にすると、テスターは2.50 Vを、シリアルモニタは511前後の生の値と2.50 Vを示します。2.5 / 5 × 1023 ≈ 511だからです。両方の値が一致するのを見るのは、analogReadが電圧を数値に変えるしくみを理解する一番の実験です。次に、テスターを電流モードにしてD9と抵抗の間に直列に入れ、ポテンショメーターをいっぱいまで回します。赤のLEDと220 Ωなら、およそ(5 − 2) / 220 ≈ 14 mAになります。同じ計算はオームの法則の計算ツールでもできます。中間の位置では、D9はオン・オフを繰り返すPWM信号を出します。それを見るにはオシロスコープを追加し、赤のプローブをD9に、黒のプローブをGNDにつなぎます。Unoの9番ピンのPWMの周波数は約490 Hzで、analogWrite(128)は半分の時間だけHIGHになる方形波を描きます。PWMの考え方はPWMとは？にあります。

デバッガでコードを1行ずつ実行する

コードがコンパイルできないと、Tinkercadはコードのパネルの下にエラーコンソールを自動で開き、問題の行を強調表示します。メッセージはArduino IDEのものと似ています。コンパイルはできても動きがおかしいなら、デバッガを使いましょう。文字モードで行番号をクリックしてブレークポイントを置き、シミュレーションを始めます。プログラムはその行に来ると止まり、変数にマウスを重ねると現在の値が表示されます。コードのパネルの上に表示されるボタンで、次の行に進んだり、プログラムを再開したりできます。ボタンが2回数えられる理由や、if文の中に入らない理由を探すなら、すべての行にSerial.printを足すよりずっと速く見つかります。よくあるコンパイラのメッセージの意味はArduinoのコンパイルエラーにまとめています。

Tinkercadにある部品とない部品

ライブラリを追加するには、コードのパネルのライブラリボタン（ファイルボックスのアイコン）を押します。リストにある約11個のライブラリから1つを選ぶと、コードの先頭に#includeの行が追加されます。DHT.hのようにリストにないライブラリを書くと、コンパイラはファイルが見つからないと報告します。Tinkercadに外部のライブラリをアップロードすることはできません。小さなライブラリなら.hと.cppファイルの中身をコードに直接貼り付けられますが、Tinkercadにないハードウェア用のライブラリはその方法でも動きません。もう1つ大切な点として、例ではTinkercadのI2C LCDはAdafruit_LiquidCrystalライブラリで動かしますが、市販のPCF8574を使ったモジュールはふつうLiquidCrystal_I2Cライブラリと0x27か0x3Fのアドレスで動きます。本物のボードに移るときはその行を変える必要があります。詳しくはI2C LCDディスプレイをご覧ください。

シミュレーションの限界：本物の回路との違い

• タイミング：シミュレーションはブラウザの中で動くので、部品の多い回路や遅いパソコンでは、実際の時間より遅く動くことがあります。その場合、画面上ではdelay(1000)が1秒より長くかかり、millis()はシミュレーション自体の時計を数えます。
• 理想的な部品：Tinkercadのボタンはチャタリングせず、線が外れることもなく、アナログの値も本物の回路ほどノイズがありません。本物のボードでは、チャタリング対策と何回かの読み取りの平均が必要です。
• 電源の限界：シミュレーションでは問題なく動くモーターや多くのLEDも、本物のArduinoではリセットやレギュレーターの過熱の原因になることがあります。ピンから約20 mAを超えて取り出さないこと、モーターは別の電源から給電することをルールにしましょう。
• つながって見えても、つながっているとは限らない：足がブレッドボードの穴にきちんと入っていないと、線はつながって見えても回路は動きません。穴にマウスを重ね、同じ列のつながった穴が強調表示されるか確認しましょう。
• ファイルは1つ、ライブラリは少ない：コードは1つのタブに収まり、外部のライブラリも追加できないので、大きなプロジェクトは整理しにくくなります。
• 特殊な文字：シリアルモニタはUTF-8に完全には対応していないので、アクセント付きの文字や英語以外の文字（日本語など）は文字化けすることがあります。シリアル出力は半角英数字（ASCII）だけにするのが最も安全です。
• 無線なし：Wi-Fi、Bluetooth、インターネットはシミュレーションされないので、TinkercadはIoT（モノのインターネット）のプロジェクトには向いていません。

教員向けのTinkercad Classrooms

1. 登録時かプロフィールの設定で、役割を教員にします。クラスの機能は教員アカウントで使えます。
2. 上のメニューからClasses（クラス）のページに行き、Create new class（新しいクラスを作成）でクラスを作ります。クラス名、年齢か学年、教科を入力します。
3. Add Students（生徒を追加）で生徒の名前を入力します。Tinkercadは各生徒に、クラス内で重ならないニックネームを作ります。長いリストは1人ずつ入力する代わりに貼り付けられます。1クラスには最大250人まで入れます。
4. Class Code（クラスコード）ボタンで、クラスのコードとクラスのリンクを表示します。生徒はリンクを開いてニックネームを入力するか、tinkercad.comのJoin Classでコードを入力して参加します。メールアドレスもパスワードも必要ありません。
5. クラスのページのDesigns（デザイン）タブで生徒の作品を確認します。生徒の名前をクリックすると、その生徒のデザインを開いて編集できます。

クラスは初期設定でSafe Mode（セーフモード）で開きます。生徒はデザインを公開できず、ギャラリーを検索できず、コメントも見られません。授業の準備には、TinkercadのLearnのセクションにある対話型のArduinoのレッスンやStartersの回路が使えます。よくあるやり方は、先生が例の回路を共有し、生徒がそれをコピーして変えていく方法です。教室に実物のキットがあるなら、まずTinkercadで回路を組み、それから本物の部品で繰り返すと、LEDの逆差しやボードへの間違った給電が目に見えて減ります。

Tinkercadから本物のArduinoに移る

1. コードのパネルのダウンロードボタンで、コードを.inoファイルとしてパソコンに保存するか、文字をコピーします。
2. Arduino IDEでファイルを開きます。同じ名前のフォルダに移すか聞かれたら、了承します。IDEをまだインストールしていなければ、Arduino IDEのインストールのガイドをご覧ください。
3. 「ツール」>「ボード」でArduino Unoを、「ポート」でボードのポートを選び、「書き込み」をクリックします。書き込みに失敗したら、Arduinoにコードが書き込めないときの手順に沿って確認しましょう。
4. Tinkercadの図を見ながら、同じピンで回路を組みます。2つ目の画面に回路図の表示を開いておくと楽になります。
5. シミュレーションではわからない違いを直します。ボタンにソフトウェアのチャタリング対策を加え、I2C LCDのライブラリとアドレスを変え、TMP36の代わりにDHT11のような別のセンサーを使うなら、それに合わせてコードを書き換えます。

ESP32とRaspberry Pi Pico：TinkercadかWokwiか？

TinkercadにはESP32もRaspberry Pi Picoもなく、Wi-FiやMicroPythonもシミュレーションされません。これらのボードには、ブラウザで動く別のシミュレーターのWokwiが使えます。WokwiはArduino Uno、Mega、Nanoに加えてESP32ファミリーとPicoに対応し、ESP32を仮想のWi-Fiネットワークにつなぎ、Arduinoのライブラリマネージャのほとんどのライブラリを使えます。一方、Wokwiは回路を電気的に計算しません。抵抗の値を変えてもLEDの電流は変わらず、電圧と電流を測るテスターの代わりに、デジタル信号用のロジックアナライザーがあります。まとめると、電子工作の基本はTinkercadで学び、ESP32とPicoのコードはWokwiで試すのが最も効率的です。詳しい使い方はWokwiシミュレーターをご覧ください。

下は、Raspberry Pi Pico用のボタンとLEDのプログラムのMicroPython版です。ピンの表のGP14とGP2の接続で、WokwiでもThonnyを使った本物のPicoでも動かせます。ESP32ではArduinoのコードをそのまま使い、LED_PINを18に、BUTON_PINを4にするだけです。Picoを始めるにはRaspberry Pi Picoとは？を、ESP32についてはESP32とは？をご覧ください。

1# Aynı program Raspberry Pi Pico'da (MicroPython) / The same program on Raspberry Pi Pico (MicroPython)
2from machine import Pin
3import time
4
5led = Pin(14, Pin.OUT)                  # LED + 220 ohm direnç / LED + 220 ohm resistor
6buton = Pin(2, Pin.IN, Pin.PULL_UP)     # butonun diğer ucu GND'de / other button leg goes to GND
7
8basma = 0                               # basma sayacı / press counter
9onceki = 1                              # önceki buton durumu / previous button state
10
11while True:
12    durum = buton.value()
13    if durum != onceki:                 # durum değişti / state changed
14        if durum == 0:                  # yeni basış / new press
15            basma += 1
16            led.toggle()                # LED'i tersine çevir / toggle the LED
17            print("Basma / Presses:", basma)
18        time.sleep_ms(50)               # basma ve bırakmada debounce / debounce on press and release
19        onceki = durum
20    time.sleep_ms(5)

Tinkercadで試せるプロジェクトのアイデア

• 信号機：LED 3個と歩行者用ボタンの交差点です。ステップごとの作り方はArduinoで信号機にあります。
• ナイトライト：暗くなると点くLEDです。本物のボードでのフォトレジスタの使い方はLDR光センサーで紹介しています。
• 駐車センサー：超音波センサーと、近づくほど速く鳴る圧電ブザーです。測定の原理はHC-SR04距離センサーで解説しています。
• サーボの制御：ポテンショメーターでサーボの角度を決めます。サーボモーターのコードはTinkercadでも動きます。
• 暗証番号ロック：4x4キーパッド、LCD、サーボを使ったドアロックです。キーパッドの記事で使っているKeypadライブラリはTinkercadにもあります。
• 少ないピンで多くのLED：74HC595シフトレジスタで、3本のピンから8個のLEDを動かします。詳しくは74HC595をご覧ください。
• 2台のArduinoの会話：2台のUnoのTXとRXの線を交差させてつなぎ、片方からもう片方へメッセージを送ります。Tinkercadは複数のボードを同時にシミュレーションできます。
• 555の点滅回路：マイコンなしで点滅するLEDを作り、オシロスコープで周波数を測ります。計算は555タイマーにあります。

よくある失敗と対処法

Tinkercadは、無料で危険なくArduinoを学び始めるのに最適な場所です。回路を組み、測定し、コードを1行ずつ追い、準備ができたら同じコードを本物のボードに書き込めます。仮想の世界で動かせた回路が増えるほど、机の上での最初の挑戦も楽になります。BlueGraysアプリには、LEDの点灯や信号機から、ボタンとLDRのプロジェクト、HC-SR04での距離の測定、2台のArduinoの通信まで、ステップごとの回路図とコード付きのプロジェクトがたくさんあり、Tinkercadで組んだ回路を本物の部品で再現できます。もっとアイデアがほしいなら、Arduinoのプロジェクトのアイデアのリストを見てみましょう。