Arduinoはじめました

by K.I

2014/07/15〜2014/07/26

Index

概要
開発環境
- Arduino IDE
- IDEの起動
Arduino
- Arduino UNO
- ダヴィンチ32U
- Arduino Micro
Arduinoを使ってみる
- 書込んでみる
- 書込み時と動作時のポート番号が違う
- Blinkのプログラム
LCDを繋いでみよう
- LCDの接続方法
- LiquidCrystal
Analog入出力
- Analog入出力プログラム
- Analog入力
- Analog出力
Firmata
- Firmataを書き込む
- Processingのインストール
- Firmataのテスト
- srduino_outputのプログラム
加速度センサをつなぐ
- arduino_inputのプログラム
- Processingでアプリを作る
まとめ
- キットとか書籍

概要

いまさらながら、Arduinoを弄ってみようと思う。

他のマイコンでも同じようなことが出来るし、
ちょっと凝ったことをやろうと思うと意外と難しかったりするのであまり興味がなかった。

でも最近、Androidのプログラムを勉強してるんだけど、

Androidと、外部のハードウェアの接続で、Arduinoを使う例が非常に多い。
Arduinoは、ハードウェアがほぼ標準化され、開発環境も簡単、すぐに試せるのは良いかも、と思い直した

そんなわけで、Arduinoを始めてみました。

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開発環境

Arduino IDE

こちらから、Windows版のArduino IDEをダウンロード

最新の安定バージョンarduino-1.0.5-r2をインストール（140715現在）

Arduino USB driverもインストールされた

IDEの起動

デスクトップのArduinoのアイコンをダブルクリック

起動した画面をみると、Processingににている
というか、ヘルプのArduinoについてを見ると、Processingベースなのか。。

ファイル→環境設定で、スケッチブックの保存場所を、ワークディレクトリに設定しておく

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Arduino

Arduinoって、いろいろ種類があるけど、基本的には互換性がある

Arduino UNO

これが最もベーシックなものなので、一つ持っていても良いと思う

USBコネクタが、MiniでもMicroでもなく、標準なのでちょっと大きいのが難点

ダヴィンチ32U

StrowberryLinuxでArduino互換の、ダヴィンチ32Uを手に入れていたが、ずっとほうっていた。

この基板は、ダヴィンチというぐらいなので、Arduino LeonardoとかMicroに構成が近い様だが、
書込みは互換ではなくダヴィンチ用のボード設定が必要なので注意！

ダヴィンチ32Uの説明書

これは、Arduinoのブートローダーが書き込み済みのもので小型のもの

でも半田付けが必要で、基本のArduinoと違うところがいろいろあるので、
慣れてない人は、Arduino UNOをまず使ってみる方が間違いないと思う

まず、 Arduino-1.0.1/2/3Windows用ドライバとファームウェアをダウンロードして、解凍しておく

PCに接続しても認識しないので、デバイスマネージャーでドライバソフトウェアの更新...を行って、

da-vinci-32u.infを指定して、ドライバのインストール。これで、COMポートとして認識される

次に、Arduino IDEのインストールディレクトリの、\Arduino\hardware\arduinoフォルダにある

boards.txtをリネームして保存しておき、解凍した中にあるboards.txtと入れ替える。

ArduinoIDEを起動して、ツール→マイコンボード→Da Vinci 32Uを選択できることを確認する

ダヴィンチのファイルは、1.0.1〜3用のものだったが、1.0.5でも問題なさそうだ。

小さくて下向きにピンが出ているので、ブレッドボードで使う時に便利だ。

これはかなり前に出たもので、今はArduino Microがあるので、そちらの方が良いかもしれない

Arduino Micro

ブレッドボードで使う時に便利なので、これもおすすめ。

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Arduinoを使ってみる

最初は、やはりLEDを点滅させてみよう。

Arduinoは、いろいろあるけど、Pin13にはLEDが接続されている様なので、同じ様に出来るはず

書込んでみる

さっそく試しに、Arduinoに書き込んでみよう

ファイル→スケッチの例から→01.Basics→BlinkをOpenする

これは、LEDを１秒間隔で点滅させるもの

「マイコンボードに書き込む」ボタンを押すと、

プログラムがコンパイルされて、マイコンボードへの書込みが完了しました。と表示されたが、
LEDは全く反応せずに、以下のエラーが赤で出力された
```
avrdude: stk500_getsync(): not in sync: resp=0x00
```

これは、COMポートの設定、或いはボードの設定が間違っている場合に出るエラーらしい。

さっき設定したばかりなのに、間違うわけ無いじゃんと思って確認したら、ボードの設定が間違っていた。。

正しく設定してやり直したら、大丈夫でした。。。

書込み時と動作時のポート番号が違う

ArduinoIDEで、スケッチを書き込む時に、

デバイスマネージャーを開いたままにしておいたら、ちょっと面白いことに気が付いた。

どうも、書込み時はCOM8で接続され、

動作時は、COM7で接続されている

番号は、環境によって異なるものなので、この番号は自分の環境だけの話だが、

書込み時と動作時のポート番号は違うものを使うらしい。
こうすることで、接続中のポートをCloseすることなく書き込めるのかもしれない¹

でも、ArduinoIDEの設定は、COM7を設定していたんだけど、書込みのポート番号はどうやって決めてるんだろう？

もし例えばCOM8を、別のデバイスが占有していたら、COM9になるのかな？
その時、COM3が未使用だったら、どうなるんだろう

シリアルポートの設定は、あくまで動作時の設定であって、

書込み時は、空いているポートを適当に一時的に使うってことなのかな？

ちょっと気になるけど、まぁ、どうでも良いと言えば、良い話かもしれない。

書込みのポート番号は、IDEが勝手に決めても何の問題もないしね。

Blinkのプログラム

Blinkのプログラムを見てみる

int led = 13;

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

void loop() {
  digitalWrite(led, HIGH);   // turn the LED on (HIGH is the voltage level)
  delay(1000);               // wait for a second
  digitalWrite(led, LOW);    // turn the LED off by making the voltage LOW
  delay(1000);               // wait for a second
}

プログラムは、こんな感じ

まず、pin13を出力ポートに設定して、
pin13を、Hに設定
１秒待って、
pin13を、Lに設定
また１秒待って、
2に戻って繰り返す

ほとんど悩む必要がないくらい、分かり易い。

基本的には、C言語で書かれている様だ。

これを見て分かるのは、mainが無くて、setupとloopだけということ。

多分、setupは起動時のみ実行され、
loopは、繰り返し実行されるルーチンなんだろう

¹そういう理由じゃないかもしれないが。

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LCDを繋いでみよう

Arduinoには、キャラクタLCD用のライブラリ、LiquidCrystalがあるので、簡単にLCDを使うことが出来る

LCDの接続方法

LCDには、ピンが一直線に並んだタイプの、 SD1602HUを使用する

バックライト用のLEDが、とって付けたように右端に追加されているが、今回は接続しなかった

LCDは最低限、以下の10PINにピンヘッダを立てれば良い

LCD端子番号	14	13	12	11	10	9	8	7	6	5	4	3	2	1	16	15
LCD端子名	DB7	DB6	DB5	DB4	DB3	DB2	DB1	DB0	E	R/W	RS	Vo	Vdd	Vss	K	A
Arduino端子番号	2	3	4	5	‐	‐	‐	‐	10	11	12	抵抗でGNDに	13*	GND	‐	‐

4bitで設定するようにして、DB7,DB6,DB5,DB4とE,R/W,RS、そして電源をArduinoと接続²する

Voは、LCDのコントラスト調整用で、抵抗（見やすい様に調整）で、GNDに接続する（とりあえず手持ちの2.2kΩ使用）
Vddは、Arduinoの5Vに接続すべきだが、配線が面倒なのでPin13に接続して、Highを出力して電源代わり³とする

ブレッドボードで配線すれば良いんだけど、面倒なのでこんな接続冶具を作ってみました

Arduinoのデジタルピンは、途中で半ピッチズレているので注意！⁴

こんな風に接続します

LiquidCrystal

ArduinoのキャラクタLCD表示用のライブラリ、LiquidCrystalを使う

ArdinoIDEを起動して、ファイル→スケッチの例→LiquidCrystal→HelloWorldを選択

R/Wを接続するようにピン設定を変更して、

最初に、Pin13にHigh出力して、LCDの電源代わりにする

#include <LiquidCrystal.h>

// RS,R/W,E,D4,D5,D6,D7の順にArduinoのピン設定
LiquidCrystal lcd(12, 11, 10, 5, 4, 3, 2);

void setup() {
  // Pin13にHigh出力して、LCDの電源代わりに
  pinMode(13, OUTPUT);     
  digitalWrite(13, HIGH);
  delay(100);   // 電源を入れてから、少し待つ

  lcd.begin(16, 2);
  lcd.print("hello, world!");
}

void loop() {
  lcd.setCursor(0, 1);
  lcd.print(millis()/1000);
}

ちゃんと動作しました

²Readしないならば、R/WをGNDに落として接続しないということも出来る。
³Pin13はLEDも接続されているので、ちょっと辛いんだけど、まぁ実験用なので良しとする。
⁴うまくズラして、電源ピンは少し曲げて半田付けする必要がある。

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Analog入出力

TIの温度センサ LM61を繋いで見る

出力電圧+300mV〜+1600mVで、-30℃〜+100℃に対応（+10mV/℃）

0℃で+600mV、25℃で+850mVが出力されるということらしい

LM61は、正面から向かって、+5V, Vout, GND となっているので、

LM61の真ん中の足を曲げて、両側の足を、Arduinoの+5VとGNDに挿して、
ブレッドボード用のオス‐メスワイヤを使って、真ん中のVoutをA0に接続する

Analog入出力プログラム

ArduinoIDEの、ファイル→スケッチの例→Analog→AnalogInOutSerialを選択

温度を表示するように、少しだけ手直ししたもの

const int analogInPin = A0;
const int analogOutPin = 9;

int sensorValue = 0;
int outputValue = 0;
int tempValue = 0;

void setup() {
  Serial.begin(9600); 
}

void loop() {
  sensorValue = analogRead(analogInPin);            
  outputValue = map(sensorValue, 0, 1023, 0, 255);
  tempValue = map(sensorValue, 0, 1023, -60, 440);
  analogWrite(analogOutPin, outputValue);           

  Serial.print("sensor = " );                       
  Serial.print(sensorValue);      
  Serial.print("\t temp = ");      
  Serial.println(tempValue);   

  delay(2);                     
}

スケッチを書き込んだら、PC側でTeraTerm等のターミナルソフトを起動すれば、

センサ出力値と、温度換算値が表示される

sensor = 177     temp = 26
sensor = 176     temp = 26
sensor = 175     temp = 25
        ：
        ：

一応温度表示が出来るけど、精度は悪いので

実用的にするには、ちょっと工夫が必要になるだろう

Analog入力

analogReadで、アナログピンを指定すると、

0V〜5V（電源電圧）の入力電圧に対して、0〜1023のデータが得られる
```
  sensorValue = analogRead(analogInPin);            
```

リニアに変化するデータならば、mapコマンドで、データを値に変換できる

例えば、0〜1023のデータを0〜255に変換する場合は、
```
  outputValue = map(sensorValue, 0, 1023, 0, 255);
```

温度センサLM61の場合、出力電圧+300mV〜+1600mVが、-30℃〜+100℃に対応するので、

仮に0V〜5V範囲では、-60℃〜+440℃に相当する（実際には測れないが）
```
  temptValue = map(sensorValue, 0, 1023, -60, 440);
```

Analog出力

analogWriteコマンドで、出力ピンと0〜255の値を指定すると、0〜5V（電源電圧）のアナログ出力可能

といっても、DACではないので、PWM出力となる

  analogWrite(analogOutPin, outputValue);

PWMの出力波形を確認してみると、こんな感じ

→出力値によって、パルス幅が変わる

ATmega168、ATmega328を搭載しているArduinoの場合、PWM出力可能なピンは、

Digitalピンの 3, 5, 6, 9, 10, 11 となる

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Firmata

Firmata

PCから、マイコンを制御するための汎用プロトコルらしい
Arduinoに書き込むと、Processing等からI/Oを直接制御できるらしい

Firmataを書き込む

Arduinoに、FirmataのFirmwareを書き込む

ArduinoIDEを起動して、ファイル→スケッチの例→Firmata→StandardFirmataを選択

ツール→マイコンボードで、ボード名を指定
ツール→シリアルポートの設定を確認して、
マイコンボードに書き込むボタンを押すだけ

これで、Arduinoには、Firmataのファームウェアが書き込まれる

ソースを見ると、通信速度は57600の様だ
```
 Firmata.begin(57600);
```

Processingのインストール

Firmataのテストアプリ用にProcessingをインストールする

Processingをインストールする

Processingのページから、DownloadProcessingで、
Processing 2.2.1をダウンロード

インストーラはないので、解凍したフォルダを、ProgramFilesとかに入れておく

Firmataのテスト

Sketch→Import Library...→Add Library...で、

Arduino(Firmata)を選択して、Importする

File→Examples...で、Contributed Libraries→Arduino(Firmata)→arduino_outputをダブルクリック

読み込まれたら、Arduinoに書き込んだFirmataと通信速度が同じことを確認しておく
```
  arduino = new Arduino(this, Arduino.list()[0], 57600);
```

Runボタンを押すと、arduino_outputアプリが起動する

一番、左のボタンで、LEDがコントロールできる

srduino_outputのプログラム

このプログラムはどうなってるんだろう

とりあえず、ピン番号が表示されるように、ちょっと弄ってみた
コメントも追加したが、そうするまでも無くとても簡単で分かりやすい

import processing.serial.*;
import cc.arduino.*;

Arduino arduino;

color off = color(0,0,0);               // OFFの色
color on  = color(255,0,0);             // ONの色
color tcol = color(255,255,255);        // Textの色
color bcol = color(0,0,255);            // 背景の色

int[] values = { Arduino.LOW, Arduino.LOW, Arduino.LOW, Arduino.LOW,
 Arduino.LOW, Arduino.LOW, Arduino.LOW, Arduino.LOW, Arduino.LOW,
 Arduino.LOW, Arduino.LOW, Arduino.LOW, Arduino.LOW, Arduino.LOW };

void setup() {          // 初期設定
  size(470, 80);                // Windowサイズの設定
  
  println(Arduino.list());      // 接続可能なポートのリストを表示
  
  // このプログラムをリストの最初のポートに57600bpsで接続
  arduino = new Arduino(this, Arduino.list()[0], 57600);
  
  for (int i = 0; i <= 13; i++)
    arduino.pinMode(i, Arduino.OUTPUT); // pin0〜13を出力ポートに設定
}

void draw() {           // 描画ルーチン（自動的に繰り返し呼び出される）
  background(bcol);             // 背景色を設定
  stroke(tcol);                 // ストロークの色を設定
  
  for (int i = 0; i <= 13; i++) {       // pin0〜13について
    if (values[i] == Arduino.HIGH)      //   現在のpin状態がHighならば
      fill(on);                         //     ONの色に
    else                                //   それ以外（Low）ならば
      fill(off);                        //     OFFの色に
      
    rect(420 - i * 30, 30, 20, 20);     //   四角を描く

    fill(tcol);                         //   Textの色設定
    text(str(i),420-i*30,30);           //   pin番号表示
  }
}

void mousePressed()     // マウスがクリックされた時の処理
{
  int pin = (450 - mouseX) / 30;        // Mouse座標から、pin番号を求める
  
  if (values[pin] == Arduino.LOW) {             // 現在がLowならば
    arduino.digitalWrite(pin, Arduino.HIGH);    //   pin状態をHighに設定
    values[pin] = Arduino.HIGH;                 //   現在のpin状態を更新
  } else {                                      // それ以外（High）ならば
    arduino.digitalWrite(pin, Arduino.LOW);     //   pin状態をLowに設定
    values[pin] = Arduino.LOW;                  //   現在のpin状態を更新
  }
}

基本的には、setup（初期設定）と、draw（繰り返し呼び出される描画ルーチン）の２つの関数があれば良い様だ。

Arduinoでは、setupとloopだが、その方が実態に合った関数名じゃないかなぁ

スタンドアロン動作は出来ないが、PCを接続した状態でのアプリは簡単に作ることが出来そうだ。

またArduinoに接続した回路の動作確認には、とても役立つと思う。

Firmataのリファレンス →これぐらいしかなかったので、とりあえず

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加速度センサをつなぐ

3軸加速度センサ KXM52-1050モジュールを、Arduino UNOに接続してみる

以前、秋月で購入したが、今は扱ってないらしい。

同じピン配置の KXR94-2050モジュールがあるので、それでも良いと思う

→加速度センサの確認用に板に固定しておく

ブレッドボードの下に厚紙を置いて、Arduinoと高さを合わせておいて、

電源を接続、3軸の出力をA0〜A2に接続する

arduino_inputのプログラム

Processingを起動して、File→Examples...で、

Contributed Libraries→Arduino(Firmata)→arduino_inputを読み込む

import processing.serial.*;
import cc.arduino.*;

Arduino arduino;

color off = color(4, 79, 111);
color on = color(84, 145, 158);

void setup() {
  size(470, 280);

  println(Arduino.list());
  
  arduino = new Arduino(this, Arduino.list()[0], 57600);
  
  for (int i = 0; i <= 13; i++)
    arduino.pinMode(i, Arduino.INPUT);
}

void draw() {
  background(off);
  stroke(on);
  
  for (int i = 0; i <= 13; i++) {
    if (arduino.digitalRead(i) == Arduino.HIGH)
      fill(on);
    else
      fill(off);
      
    rect(420 - i * 30, 30, 20, 20);
  }

  noFill();
  for (int i = 0; i <= 5; i++) {
    ellipse(280 + i * 30, 240, arduino.analogRead(i) / 16, arduino.analogRead(i) / 16);
  }
}

Firmataを書き込み済みのArduinoを接続して、起動する

□でデジタルピンの値が、○の大きさでアナログピンの値を表している
デジタルピンは、フローティングなので、値がちらちら変動している

→けっこう面白いデモなのでおススメ！

一番左の○がZ軸、左から２番目の○がY軸、３番目の○がX軸の大きさを表している
- Z軸の○が大きいのは、通常状態で1G掛かっているからで、さかさまにすると小さくなる

Processingでアプリを作る

せっかくProcessingを使っているので、加速度センサの出力を表示する簡単なアプリを作ってみた。

XY軸を四角の板の傾きで表し、Z軸はボールの高さで表現する

Arduinoには、予めFirmata Standardを書き込んでおく

import processing.serial.*;
import cc.arduino.*;

Arduino arduino;

int x,y,z;
int xx,yy,zz;

void setup() {
  size(500,500,P3D);            // Processingの3Dレンダラを使う
  noStroke();

  println(Arduino.list());
  arduino = new Arduino(this, Arduino.list()[0], 57600);
}

void draw() {
  background(0);
  lights();                     // 3Dオブジェクトに光を当てる

  // 加速度センサの値を読む
  z = arduino.analogRead(0);
  y = arduino.analogRead(1);
  x = arduino.analogRead(2);
  
  // 画面上に値を表示（ここら辺は無くても動くけど）
  ellipse(400 + 2 * 30, 450, z / 16, z / 16);
  ellipse(400 + 1 * 30, 450, y / 16, y / 16);
  ellipse(400 + 0 * 30, 450, x / 16, x / 16);
  textAlign(CENTER);
  text(z, 400+2*30, 450);
  text(y, 400+1*30, 450);
  text(x, 400+0*30, 450);
  println(x,y,z);
  
  // A/D出力を傾き、高さに変換
  xx = (int)map(x, 0, 1023, 2000, -2000);
  yy = (int)map(y, 0, 1023, 2000, -2000);
  zz = (int)map(z, 0, 1023, 400, -400);

  translate(width/2,height/2+100);      // 中心から100下の位置で
  rotateX(yy/1000.);                    // X,Y軸の傾きに合わせて回転
  rotateZ(xx/1000.);
  box(200,10,200);                      // 四角い板を描画
  translate(0,-300-zz);                 // その上方300+Z軸による高さの位置に
  sphere(50);                           // 球を表示
}