2 回路図

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課題研究報告書

Arduino を使った電子工作（フィーリングカップル）

1. テーマ設定の理由 課題研究を通して、工業祭で展示・実演を行い、学校を盛り上げたいというのが第一の理由である。また、課題研究を通して電子工作などの技術を高めるため、少し難易度の高そうな「フィーリングカップル」というテーマに設定した。 2. 実践内容 （１）制作方法 ① 使用部品・機材品名個数ノート PC 1 Arduino MEGA 1 抵抗（10kΩ） 10 抵抗（1kΩ） 20 抵抗（300Ω） 10 抵抗（200Ω） 10 抵抗（100Ω） 10 トグルスイッチ 50 パワーMOSFET 2SK2232 10 テープ LED 適量 AC アダプタ（12V） 1 ユニバーサル基板 13

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③ 制作手順（電子回路部分）上記回路図のように、ユニバーサル基板を利用して回路を作成する。そして、木工班の制作した土台へテープ LED を設置し、配線を行って装置の回路部分は完成となる。それから、フィーリングカップルの動作に必要なプログラムも制作する。 ④ 制作手順（プログラム部分） Arduino のプログラム作成・書き込み手順 1） Arduino IDE を起動してプログラムを記述する。

2）「ツール」メニュー → 「ボード」 → 「Arduino Mega or Mega 2560」を選択。 3）「ツール」メニュー → 「ポート」にて対象の Arduino を選択。 4）「ファイル」メニュー → 「マイコンボードに書き込む」を選択。（２）制作物の説明制作した電子回路では、どのスイッチが ON になっているかを電圧によって判断するため、 Arduino のアナログポートに各スイッチを接続している。フィーリングカップルの結果発表に利用する LED は、Arduino のデジタルポートからの出力によって制御し、パワーMOSFET の 2SK2232 を使って AC アダプタから電源供給を行う。続いて、プログラム部分の説明に移る（ソースコードは非常に長いため別紙参照）。今回制作したプログラムは２つあり、一つは Arduino 側のプログラムである。 Arduino 側のプログラムでは、スイッチの状態読み取り、LED の制御を行っている。また、PC とシリアル通信して、結果発表などを PC 上から操作できるようにし、BGM が流れるタイミングの制御もしている。もう一方は PC 側のプログラムで、言語は C#で作成した（図１）。 PC 側のプログラムでは、Arduino とシリアル通信をして、カップルの成立状態の確認、結果発表の操作を司会側できるようになっている。図１ PC 側のプログラム

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（３）制作物の評価スイッチが少し不安定ではあるものの、工業祭で実演にまで至ったため成功といっていいのではないだろうか。また、限られた時間の中で、当初実現したかった BGM の自動再生・シリアル通信も実装できたので上出来だと思う。 3. 感想・反省 1 年間課題研究をやってきて、自分で研究することの面白さや難しさ、チームワークの大切さを学ぶことができた。反省としては、スイッチの電源が１個であるため、分圧により、抵抗が他のスイッチの電圧まで下げてしまうために不安定になる所も改善したかった。具体的な改善策としては、スイッチ毎に電源を取る、アナログポートでなくデジタルポートを利用して入力するなどで実現できると思う。

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/* Arduino 側のプログラム */

int sw_a[5] = { -1, -1, -1, -1, -1 }; // スイッチ状態記憶用の配列(男側) int sw_b[5] = { -1, -1, -1, -1, -1 }; // スイッチ状態記憶用の配列(女側) int swa_count = sizeof(sw_a) / sizeof(sw_a[0]); // sw_a 配列の要素をカウント int swb_count = sizeof(sw_b) / sizeof(sw_b[0]); // sw_b 配列の要素をカウント void setup() { Serial.begin(57600); // シリアル通信を開始 delay(100); Serial.println(""); Serial.println(".<START>"); // シリアル開始のメッセージ // LED を点灯させるためにデジタルポート 2～11 を出力に設定 for (int port = 2; port <= 11; port++)

{ pinMode(port, OUTPUT); } for (;;) { // シリアルポートにデータが送られている場合 if (Serial.available()) {

int pin = Serial.read(); // データを変数に格納 int state = LOW;

// シリアルポートにデータが送られてくるまでループ for (;;) { // シリアルポートにデータが送られている場合 if (Serial.available()) { state = Serial.read(); // データを変数に格納 break; // ループから抜ける } } // 1 バイト目が 0xFC、2 バイト目が 0xFF だった場合にスイッチの変更を受付終了 if (pin == 0xFC && state == 0xFF)

{

Serial.println("Switch read stop."); break;

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} } // スイッチ判定関数を呼び出し sw_scan(); delay(1200); } //LED 制御コマンド受付 for (;;) { // シリアルポートにデータが送られている場合 if (Serial.available()) {

int pin = Serial.read(); // データを変数に格納 int state = LOW;

// シリアルポートにデータが送られてくるまでループ for (;;) { // シリアルポートにデータが送られている場合 if (Serial.available()) { state = Serial.read(); // データを変数に格納 break; // ループから抜ける } } // 1 バイト～2 バイト目が 0xFE だった場合に LED をすべて消灯 if (pin == 0xFE && state == 0xFE)

{ LedAllOff(); } //カップル非成立の場合 else if (pin == 0xFD) { digitalWrite(state, HIGH);

for (int port = 35; port <= 39; port++) digitalWrite(port, HIGH);

delay(1000);

for (int port = 35; port <= 39; port++) digitalWrite(port, LOW);

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delay(2500); Serial.println(".<BGM>0"); digitalWrite(52, HIGH); delay(4000); LedAllOff(); delay(2000); Serial.println(".<BGM>STOP"); Serial.println(".<BTN_ENABLE>"); } //カップル成立の場合 else { digitalWrite(pin, HIGH);

for (int port = 35; port <= 39; port++) digitalWrite(port, HIGH);

delay(1000);

for (int port = 35; port <= 39; port++) digitalWrite(port, LOW); digitalWrite(state, HIGH); delay(1500); Serial.println(".<BGM>2"); delay(1200); digitalWrite(53, HIGH); delay(17500); LedAllOff(); delay(2000); Serial.println(".<BGM>STOP"); Serial.println(".<BTN_ENABLE>"); } } delay(1);

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} }

/* 全 LED を消灯させる関数 */ void LedAllOff()

{

for (int port = 30; port <= 39; port++) digitalWrite(port, LOW); digitalWrite(52, LOW); digitalWrite(53, LOW); } void loop() { } /* 電圧の値からスイッチを判定する関数 */ int sw_judge(int voltage)

{

if (voltage >= 0 && voltage <= 50) return 0;

else if (voltage >= 400 && voltage <= 515) return 1;

else if (voltage >= 976 && voltage <= 996) return 4; else return -1; } /* スイッチの判定結果を配列に格納する関数 */ void sw_scan() { /* アナログポート A0～A[swa_count]までを走査 */ Serial.print(".<A>");

for (int i = 0; i < swa_count; i++) {

int tmp = analogRead(i); sw_a[i] = sw_judge(tmp);

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Serial.print(sw_a[i]); if (i < swa_count - 1) Serial.print("/"); } Serial.println(""); /* アナログポート A[swa_count+1]～A[sw_bcount]までを走査 */ Serial.print(".<B>");

for (int i = 0; i < swb_count; i++) {

int tmp = analogRead(i + swa_count); sw_b[i] = sw_judge(tmp); Serial.print(sw_b[i]); if (i < swb_count - 1) Serial.print("/"); } Serial.println(""); }

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/* PC 側のプログラム(C# + .NET Framework 3.5 使用) */ using System; using System.Drawing; using System.Linq; using System.Windows.Forms; using System.Diagnostics; using System.IO.Ports; using System.Threading; using System.Text.RegularExpressions; using System.Media; namespace FeelingGUI {

public partial class Form1 : Form

{

string[] bgm = new string[] { "29-バツ.wav", "50-選択中.wav", "78-成立.wav" }; SoundPlayer sp = null;

int[] sw_a = null; int[] sw_b = null;

int[] line_a = new int[5]; int[] line_b = new int[5];

int start = 0;

Regex regex = new Regex(@"-?[0-9]");

public Form1() {

InitializeComponent(); }

private void Form1_Load(object sender, EventArgs e) {

//利用可能COM番号を取得

foreach (string port in SerialPort.GetPortNames()) comboBox1.Items.Add(port);

if (comboBox1.Items.Count > 0) comboBox1.SelectedIndex = 0; else

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// シリアルポートの通信速度指定 sp1.BaudRate = 57600;

InitForm(); }

// ボタンなどの初期状態を設定 private void InitForm() {

button2.Enabled = false; button3.Enabled = false; ResultButtonDisable();

button4.ForeColor = Color.Red; button5.ForeColor = Color.Red; button6.ForeColor = Color.Red; button7.ForeColor = Color.Red; button8.ForeColor = Color.Red;

DrawImage(pictureBox1, 0); DrawImage(pictureBox2, 1); DrawImage(pictureBox3, 2); DrawImage(pictureBox4, 3); DrawImage(pictureBox5, 4);

sw_a = new int[] { -1, -1, -1, -1, -1 }; sw_b = new int[] { -1, -1, -1, -1, -1 }; }

// BGMを再生する

private void BGMPlay(string wav) {

sp = new SoundPlayer(wav); sp.PlayLooping();

}

// BGMを停止する private void BGMStop() {

sp.Stop(); }

private void button1_Click(object sender, EventArgs e) {

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sp1.PortName = comboBox1.Text; // ソフトウェアリセットON sp1.DtrEnable = true; // シリアルポートを開く sp1.Open(); if (sp1.IsOpen) { textBox1.Text = comboBox1.Text + "に接続しました。通信まで2秒待機します。";

this.Enabled = false; Thread.Sleep(2000); sp1.DtrEnable = false; this.Enabled = true;

this.sp1.DataReceived += new

SerialDataReceivedEventHandler(this.sp1_DataReceived);

textBox1.Text = "シリアル通信を開始します。"; button1.Enabled = false; button2.Enabled = true; button3.Enabled = true; // BGM再生 BGMPlay(bgm[1]); } }

sp1.Close(); if (!sp1.IsOpen) {

this.sp1.DataReceived -= new

textBox1.Text = sp1.PortName + "を切断しました。"; button1.Enabled = true;

button2.Enabled = false; button3.Enabled = false;

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start = 0; InitForm(); //BGM停止 BGMStop(); } }

private void sp1_DataReceived(object sender, SerialDataReceivedEventArgs e) {

// シリアルポートから受け取ったデータを変数に格納

string dat = sp1.ReadLine(); Console.WriteLine(dat); if (start != 0) { // 受け取ったデータによって処理を分岐する // .<A> : 男側のスイッチ状態を読み出して配列に格納 if (dat.IndexOf(".<A>") == 0) { string tmp = dat.Remove(0, 4); string[] tmp_array = tmp.Split('/');

if (tmp_array.Count() == sw_a.Count()) {

for (int i = 0; i < tmp_array.Count(); i++) {

if (regex.IsMatch(tmp_array[i]))

sw_a[i] = Int32.Parse(tmp_array[i]); } } } // .<B> : 女側のスイッチ状態を読み出して配列に格納 else if (dat.IndexOf(".<B>") == 0) { string tmp = dat.Remove(0, 4); string[] tmp_array = tmp.Split('/');

if (tmp_array.Count() == sw_b.Count()) {

for (int i = 0; i < tmp_array.Count(); i++) {

if (regex.IsMatch(tmp_array[i]))

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} }

}

else if (dat.IndexOf(".<BGM>STOP") == 0) BGMStop();

else if (dat.IndexOf(".<BGM>") == 0) {

string tmp = dat.Remove(0, 6); int b = Convert.ToInt32(tmp);

if (regex.IsMatch(tmp)) BGMPlay(bgm[b]); }

else if (dat.IndexOf(".<BTN_ENABLE>") == 0) ResultButtonEnable();

// カップルが成立したかどうかを判定し、表示領域に描画する for (int i = 0; i < sw_a.Count(); i++)

{

for (int j = 0; j < sw_b.Count(); j++) {

if (sw_a[i] == j && sw_b[j] == i && sw_a[i] >= 0 && sw_b[j] >= 0) { line_a[i] = 1; line_b[j] = 1; } } if (i == 0) DrawImage(pictureBox1, i); else if (i == 1) DrawImage(pictureBox2, i); else if (i == 2) DrawImage(pictureBox3, i); else if (i == 3) DrawImage(pictureBox4, i); else if (i == 4) DrawImage(pictureBox5, i); line_a = new int[5];

line_b = new int[5]; }

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}

else if (dat.IndexOf(".<START>") == 0) {

start = 1; }

}

private void button3_Click(object sender, EventArgs e) { ino_sendCommand(0xFC, 0xFF); BGMStop(); button3.Enabled = false; ResultButtonEnable(); } // 表示領域にカップル成立の状態を表示する private void DrawImage(PictureBox p, int id) {

Bitmap bmp = new Bitmap(p.Width, p.Height); Graphics g = Graphics.FromImage(bmp);

g.FillRectangle(Brushes.White, 0, 0, p.Width, p.Height);

g.FillRectangle(Brushes.DarkBlue, 0, 0, p.Width, 16);

g.DrawString((id + 1).ToString(), newFont("MS UI Gothic", 9), Brushes.White,

new Point(2, 2));

for (int i = 0; i < 5; i++) {

g.DrawString((i + 1).ToString(), new Font("MS UI Gothic", 9),

Brushes.Blue, new Point(10 + (32 * i), 20));

g.DrawString((i + 1).ToString(), new Font("MS UI Gothic", 9),

Brushes.Red, new Point(10 + (32 * i), 120));

DrawLine(line_a, i, g, newPoint(15 + (32 * i), 37), newPoint(79, 75)); DrawLine(line_b, i, g, newPoint(15 + (32 * i), 115), newPoint(79, 75)); }

p.Image = bmp; }

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// 線を描く

private void DrawLine(int[] line, int id, Graphics g, Point p0, Point p1) {

if (line[id] == 0)

g.DrawLine(Pens.WhiteSmoke, p0, p1); else

g.DrawLine(Pens.Red, p0, p1); } // 特殊コマンド // FC FF : スイッチの受付終了 // FD xx : xx番の結果発表 // FF xx : delay(0.1秒単位) // 結果発表を行う

private void ViewResult(int id, Button btn) {

int margin = 30; int match = 0;

btn.ForeColor = Color.Black;

ResultButtonDisable();

for (int j = 0; j < sw_b.Count(); j++) {

if (sw_a[id] == j && sw_b[j] == id && sw_a[id] >= 0 && sw_b[j] >= 0) {

match = 1;

byte port = (byte)(id + margin);

byte port2 = (byte)(j + sw_a.Count() + margin); ino_sendCommand(port, port2); } } if (match != 1) {

byte port = (byte)(id + margin);

ResultButtonDisable();

ino_sendCommand((byte)0xFD, port); }

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}

// 結果発表のボタンを無効化する private void ResultButtonDisable() { button4.Enabled = false; button5.Enabled = false; button6.Enabled = false; button7.Enabled = false; button8.Enabled = false; } // 結果発表のボタンを有効化する

private delegate void _DButtonEnabled(Button btn, bool enabled);

private void ResultButtonEnable() {

this.Invoke(new _DButtonEnabled(DButtonEnabled), new object[] { button4,

true });

true }); }

private void DButtonEnabled(Button btn, bool enabled) {

btn.Enabled = enabled; }

//シリアルポートに引数の2バイト送信する

private void ino_sendCommand(byte cmd0, byte cmd1) {

byte[] b = new byte[] { cmd0, cmd1 }; sp1.Write(b, 0, b.GetLength(0)); }

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}

ViewResult(1, (Button)sender); }

private void Form1_FormClosed(object sender, FormClosedEventArgs e) {

BGMStop();

sp1.DataReceived -= new

if (sp1.IsOpen) sp1.Close(); Application.Exit(); }

private void comboBox1_TextChanged(object sender, EventArgs e) { if (comboBox1.Text.Length != 0) button1.Enabled = true; } } }