MicroPythonとは？基本命令、REPL、最初のプログラム

MicroPythonは、マイコン向けにPython 3言語を小さく高速に再実装したものです。Raspberry Pi PicoやESP32などのボードにMicroPythonを書き込むと、ボードが単独でPythonコードを実行します。コンパイルの手順なしで命令を入力すると、すぐにLEDが点灯します。学校やパソコンでPythonを学んだことがあれば、同じ構文でピンの読み取り、モーターの駆動、センサーデータの収集、Wi-Fiへの接続ができます。

このガイドでは、MicroPythonと通常のPythonの違い、ボードとすぐにやり取りできるREPL、よく使うmachine.Pin、PWM、ADC、I2Cの各モジュールを、コード例とともに学びます。続いて、time.sleepとticks_msの違い、起動時に実行されるmain.pyとboot.py、Thonnyとmpremoteでのファイルの書き込み、mipによるライブラリの追加、PicoとESP32へのファームウェアの書き込みを説明します。最後に、MicroPythonとArduino C++を項目ごとに比較します。

MicroPythonとは？Pythonとの違い

MicroPythonは、Damien Georgeが2013年に小型ボード向けに始めたオープンソースのプロジェクトで、現在では数十種類のマイコンに対応しています。ボードに書き込むファームウェアには、Pythonのインタプリタ、基本モジュール、小さなファイルシステムが含まれています。コードはまずボード上でバイトコードに変換され、そのバイトコードをインタプリタが順番に実行します。パソコンのPython全体を数百KBのRAMに収めることはできないため、言語自体は同じでも、ほとんどのライブラリは機能が縮小されるか、そもそも含まれていません。その代わりに、デスクトップ版Pythonにはない、ハードウェアに直接アクセスするためのmachineモジュールが追加されています。

MicroPythonが動くボード

PicoとESP32にMicroPythonのファームウェアを書き込む

1. Pico：ボードのBOOTSELボタンを押したままUSBケーブルを接続し、その後ボタンを離します。パソコンにRPI-RP2というドライブが表示されます（Pico 2ではRP2350）。
2. MicroPythonの公式ダウンロードページから、ボードに合った.uf2ファイル（PicoはRPI_PICO、Pico WはRPI_PICO_W）をダウンロードし、そのドライブにドラッグします。
3. コピーが終わるとボードが自動的に再起動し、ドライブが消えます。これでMicroPythonのインストールは完了です。Thonnyの「ツール」>「オプション」>「インタプリタ」で、MicroPython (Raspberry Pi Pico)を選びます。
4. ESP32：パソコンにPythonがインストールされていれば、コマンドラインにpip install esptoolと入力します。ボードを接続し、ポートを確認します（例えばWindowsではCOM3、Linuxでは/dev/ttyUSB0）。
5. まずフラッシュを消去します。コマンドはesptool.py --chip esp32 --port COM3 erase_flashです。ボードに接続できない場合は、コマンドの実行中にBOOTボタンを押し続けてください。
6. ファームウェアを書き込みます。コマンドはesptool.py --chip esp32 --port COM3 --baud 460800 write_flash -z 0x1000 ESP32_GENERIC-....binです。ESP32-S3とESP32-C3では、アドレスは0x0です。Thonnyの「MicroPythonをインストールまたは更新（esptool）」でも、ウィンドウから同じ操作ができます。

REPL：ボードとその場でやり取りする

REPL（Read-Eval-Print Loop）は、ボードがシリアルポート経由で提供するコマンドラインです。Thonnyの下部にあるシェルウィンドウに表示される>>>プロンプトは、REPLが入力を待っていることを示します。1 + 1と入力するとボードが計算して2を返し、from machine import Pinに続けてPin("LED", Pin.OUT).value(1)と入力すると、その瞬間にPicoのLEDが点灯します。コンパイルや書き込みを待たずにセンサーの値を読んだり、ピンの配線が正しいか確かめたり、ライブラリの動作を調べたりするには、REPLが最も手早い方法です。

最初のプログラムとArduino C++での同等のコード

1# İlk program: dahili LED'i yakıp söndür / First program: blink the onboard LED
2from machine import Pin
3import time
4
5led = Pin("LED", Pin.OUT)        # Pico ve Pico W; ESP32'de Pin(2, Pin.OUT) / Pico and Pico W; Pin(2, Pin.OUT) on ESP32
6
7while True:
8    led.value(1)                 # yak / on
9    time.sleep(0.5)              # saniye cinsinden / in seconds
10    led.value(0)                 # söndür / off
11    time.sleep(0.5)

1// Aynı program Arduino C++ ile / The same program in Arduino C++
2void setup() {
3  pinMode(LED_BUILTIN, OUTPUT);
4}
5
6void loop() {
7  digitalWrite(LED_BUILTIN, HIGH);
8  delay(500);                    // milisaniye cinsinden / in milliseconds
9  digitalWrite(LED_BUILTIN, LOW);
10  delay(500);
11}

2つのプログラムは同じ動作をしますが、構成が異なります。MicroPythonにはsetup()やloop()がありません。ファイルを上から下まで1回実行し、無限ループはwhile True:で自分で作ります。波かっこやセミコロンの代わりにインデントを使い、ループ内の各行は同じ幅（通常はスペース4個）だけ字下げする必要があります。待ち時間の単位も異なります。time.sleep(0.5)は秒単位、Arduinoのdelay(500)はミリ秒単位です。MicroPythonでは、ミリ秒にはtime.sleep_ms()、マイクロ秒にはtime.sleep_us()を使います。Arduino側の基本は、Arduinoプログラミングの基本で説明しています。

machine.Pin：デジタル入出力

time.sleepとticks_ms：処理を止めずに時間を測る

time.sleep()はボードの処理を完全に待機させます。その間はボタンの読み取りもセンサーの確認も行われません。複数の処理を並行して進めるには、Arduinoのmillis()と同じ考え方をMicroPythonでも使います。time.ticks_ms()で起動からのミリ秒数を取得し、time.ticks_diff(new, old)で2つの時点の差を計算します。単純な引き算ではなく、ticks_diffで差を求めることが重要です。カウンターは一定の値に達すると折り返すため、その時点で単純に引き算すると結果が正しくなくなります。下のコードは処理を止めずにLEDを点滅させながら、割り込み（IRQ）でボタン入力を監視します。押すたびに点滅速度が変わります。

1# delay kullanmadan iki iş: LED yanıp söner, buton kesmeyle modu değiştirir
2# Two jobs without blocking: the LED blinks, a button interrupt switches the mode
3from machine import Pin
4import time
5
6led = Pin(15, Pin.OUT)                       # LED + 220 Ω, GP15
7buton = Pin(14, Pin.IN, Pin.PULL_UP)         # buton GP14 ile GND arasında / button between GP14 and GND
8
9hizli = False
10son_basma = 0
11son_degisim = time.ticks_ms()
12
13def buton_kesme(pin):                        # kesme fonksiyonu kısa olmalı / keep the handler short
14    global hizli, son_basma
15    simdi = time.ticks_ms()
16    if time.ticks_diff(simdi, son_basma) > 200:   # 200 ms debounce / 200 ms debounce
17        son_basma = simdi
18        hizli = not hizli
19
20buton.irq(trigger=Pin.IRQ_FALLING, handler=buton_kesme)   # basınca HIGH'dan LOW'a iner / goes HIGH to LOW when pressed
21
22while True:
23    aralik = 100 if hizli else 500
24    if time.ticks_diff(time.ticks_ms(), son_degisim) >= aralik:   # taşmaya karşı güvenli / safe against wrap-around
25        son_degisim = time.ticks_ms()
26        led.value(not led.value())
27    # burada başka işler yapılabilir / other work can run here

PWM：明るさ、サーボ、音

1# PWM: LED parlaklığı ve servo açısı / PWM: LED brightness and servo angle
2from machine import Pin, PWM
3import time
4
5led = PWM(Pin(15))
6led.freq(1000)                               # 1 kHz: titreme görünmez / no visible flicker
7
8for d in range(0, 65536, 2048):              # duty_u16: 0 (kapalı) ... 65535 (tam) / 0 (off) ... 65535 (full)
9    led.duty_u16(d)
10    time.sleep_ms(20)
11led.duty_u16(0)
12
13servo = PWM(Pin(16))
14servo.freq(50)                               # servolar 50 Hz (20 ms) ister / servos expect 50 Hz (20 ms)
15
16def servo_aci(derece):
17    us = 500 + derece * 2000 // 180          # 0° = 0,5 ms, 180° = 2,5 ms; servona göre ayarla / tune for your servo
18    servo.duty_ns(us * 1000)
19
20for a in (0, 90, 180, 90):
21    servo_aci(a)
22    time.sleep(1)

PWMオブジェクトはピンを非常に高速にオン・オフし、平均電力を調整します。freq()で1秒あたりの繰り返し回数を設定し、duty_u16()でオンになっている時間の割合を0〜65535の値で設定します。32768は約50%を意味します。この範囲では、ArduinoのanalogWriteの0〜255よりもはるかに細かく調整できます。サーボは50 Hzの信号と0.5〜2.5 msのパルス幅を必要とします。duty_ns()ならパルス幅をナノ秒単位で直接指定できるため、サーボのコードを大幅に簡単にできます。パッシブブザーに異なるfreq()の値を与えれば、音階も鳴らせます。デューティ比と周波数の詳しい説明は、PWMとは？を参照してください。

ADC：アナログ値の読み取り

1# ADC: potansiyometre ve Pico'nun dahili sıcaklık sensörü
2# ADC: a potentiometer and the Pico's internal temperature sensor
3from machine import ADC, Pin
4import time
5
6pot = ADC(Pin(26))                           # GP26 = ADC0; ESP32'de ADC(Pin(34)) / ADC(Pin(34)) on ESP32
7yonga = ADC(4)                               # 4. kanal: dahili sıcaklık / channel 4: internal temperature
8
9def ortalama(adc, n=16):                     # gürültüyü azalt / reduce noise
10    toplam = 0
11    for _ in range(n):
12        toplam += adc.read_u16()
13    return toplam // n
14
15while True:
16    ham = ortalama(pot)                      # 0-65535 (12 bit ölçüm 16 bite ölçeklenir) / 12-bit reading scaled to 16 bits
17    volt = ham * 3.3 / 65535
18    v_t = ortalama(yonga) * 3.3 / 65535
19    derece = 27 - (v_t - 0.706) / 0.001721   # RP2040 veri sayfasındaki formül / formula from the RP2040 datasheet
20    print("Pot: {} ({:.2f} V)  Yonga / chip: {:.1f} C".format(ham, volt, derece))
21    time.sleep(1)

read_u16()はどのボードでも0〜65535の値を返すため、同じコードをPicoとESP32で使えます。PicoのADCは実際には12ビットで、読み取り値を16ビットに拡大しています。Picoで外部から使えるアナログピンは、GP26（ADC0）、GP27（ADC1）、GP28（ADC2）の3本です。4番目のチャンネルはチップ内部の温度センサーで、室温ではなくチップの温度を測ります。ESP32で0〜3.3 Vの全範囲を読むには、adc.atten(ADC.ATTN_11DB)が必要です。また、Wi-Fi使用中はADC2のピンが使えないため、GPIO 32〜39のADC1のピンを選んでください。コード内で16回の測定値を平均すると、ADCのノイズを目に見えて減らせます。分解能や基準電圧などの考え方は、ADCとは？で説明しています。

I2C：センサーやディスプレイを接続する

1# I2C: hattı tara ve SSD1306 OLED'e yaz / I2C: scan the bus and write to an SSD1306 OLED
2from machine import Pin, I2C
3import ssd1306                               # önce: mpremote mip install ssd1306 / first: mpremote mip install ssd1306
4
5i2c = I2C(0, sda=Pin(4), scl=Pin(5), freq=400000)   # Pico; ESP32'de I2C(0, sda=Pin(21), scl=Pin(22))
6adresler = i2c.scan()
7print("Bulunan / found:", [hex(a) for a in adresler])   # OLED genelde 0x3c / OLED is usually 0x3c
8
9if 0x3C in adresler:
10    oled = ssd1306.SSD1306_I2C(128, 64, i2c)
11    oled.fill(0)
12    oled.text("MicroPython", 0, 0)
13    oled.text("I2C: " + hex(adresler[0]), 0, 16)
14    oled.show()

I2C(0, sda=..., scl=...)は、選んだピンでハードウェアI2Cユニットを起動します。scan()は、バス上で応答したすべてのデバイスのアドレスをリストで返します。センサーが動かないときは、まずこのスキャンを行ってください。リストが空なら配線に問題があり、予想と違うアドレスが見つかったらコード内のアドレスを修正します。Picoでは、各I2Cユニットに使えるピンが決まっています。例えばI2C0ではGP0-GP1、GP4-GP5、GP8-GP9の組み合わせが使え、間違った組み合わせを選ぶとValueErrorになります。ESP32では、ほぼどのピンにもI2Cを割り当てられます。ディスプレイの詳細はOLEDディスプレイ、通信方式自体はI2Cとは？で説明しています。

main.pyとboot.py：起動時に実行されるコード

Thonnyで「実行」を押しただけでは、コードはボードに保存されず、その場で実行されるだけです。USBを抜くと失われます。ボードの起動時に毎回自動で実行するには、ファイルをボード上にmain.pyという名前で保存する必要があります。起動時はboot.pyが先に実行され、続いてmain.pyが実行されます。boot.pyはWi-Fiへの接続や時計の設定など、最初に1回だけ行う準備のためのファイルです。ESP32のファームウェアは自動的にこのファイルを作りますが、Picoには通常存在しません。実際のプログラムは常にmain.pyに記述します。別のファイルに書いた関数はimportでmain.pyに読み込めます。また、open()で測定値をボードのファイルシステムに保存できます。

1# main.py: kart her açıldığında otomatik çalışır / runs automatically every time the board starts
2import time
3from machine import Pin
4
5time.sleep(3)                                # Ctrl+C ile durdurmak için güvenlik payı / a safety window for Ctrl+C
6led = Pin("LED", Pin.OUT)
7sayac = 0
8
9try:
10    while True:
11        sayac += 1
12        led.value(sayac % 2)
13        print("Calisiyor / running", sayac)
14        time.sleep(1)
15except KeyboardInterrupt:                    # Thonny'de Stop ya da Ctrl+C / Stop in Thonny or Ctrl+C
16    led.value(0)
17    print("Durduruldu / stopped")

ファイルの書き込み：Thonnyとmpremote

初めてならThonnyが最も簡単です。コードを書き、「ファイル」>「名前を付けて保存」を選びます。開いたウィンドウでRaspberry Pi PicoまたはMicroPythonデバイスを選び、ファイル名をmain.pyにします。「表示」>「ファイル」を開くと、パソコンとボードのファイルを並べて表示でき、右クリックで一方からもう一方へコピーできます。コマンドラインを好み、VS Codeなどのエディターを使う場合は、公式ツールのmpremoteが使えます。pip install mpremoteでインストールすると、最初に見つかったMicroPythonボードに自動接続します。

ライブラリの追加：mip

MicroPythonにはpipがなく、代わりに小さなパッケージマネージャのmipを使います。Pico WやESP32のようにインターネットに接続できるボードでは、まずWi-Fiに接続し、REPLにimport mip、続いてmip.install("ssd1306")と入力します。公式のmicropython-libリポジトリからパッケージがダウンロードされ、ボードの/libフォルダーに配置されます。mip.install("github:user/repo")でGitHubからドライバをインストールすることもできます。Wi-FiのないPicoでは、パソコンからmpremote mip install命令か、Thonnyの「ツール」>「パッケージを管理」メニューで同じ操作を行います。単一ファイルのドライバ（例えばセンサー用に書かれた.pyファイル）をボードにコピーする方法も使えます。ルートまたは/libにファイルがあれば、importで読み込めます。Wi-Fiへの接続手順は、Pico WのWi-Fiで説明しています。

MicroPythonとArduino C++、どちらを選ぶ？

実際には、プロジェクトの内容で決まります。センサーを読んでWi-Fiでデータを送る、Webページを提供する、ディスプレイを動かすといった用途は、MicroPythonなら少ない行数で手早く実装できます。マイクロ秒の精度で信号を生成する、数百個のLEDを非常に高速に更新する、Unoのような小型ボードしか使えないといった場合は、C++が有利です。遅い関数は@micropython.nativeデコレーターで高速化できます。また、ループ内で新しいリストや文字列を作らないようにすると、ガベージコレクターによる停止を減らせます。ボード選びについては、ArduinoとESP32の違いは？も参照してください。

よくあるエラーと対処法

すでにPythonを知っているなら、MicroPythonはマイコンの世界への最短の入り口です。REPLでピンを試すとその場で結果が分かり、数行でセンサーの読み取りやWi-Fiへの接続ができます。基本モジュール、main.pyの役割、ticks_msを使った処理を止めない時間管理を学べば、プロジェクトをどんどん発展させられます。BlueGraysアプリには、LED、信号機、ボタン、PWMを使うRaspberry Pi Picoのプロジェクトがあり、手順ごとの配線図とMicroPythonコードを掲載しています。