情報処理演習 II 第二回目

情報処理演習II

本日の講義内容

•

本校講義の概要

•

インタラクティブ・デバイスについて

• Arduino

について

•

前回の復習

•

ブレッドボードの理解

•

演習1

–タクトスイッチでLEDを点灯させる

•

演習2

–タクトスイッチでLEDを点灯させる

•

課題

–タクトスイッチにより2個のLEDを交互に点灯させよ

情報処理演習IIの目標

•

マイクロコンピュータのハードウェアを直接操作するプログラム

を記述することにより，プログラミング手法とコンピュータ

アーキテクチャについて理解を深めます．

–独自のインタラクティブ・デバイスの「中身」を作る技術を学ぶ

•

電子回路

•

マイクロコントローラ（マイコン）プログラミング

•

独自のデバイス（の中身）を作る

•

本講義の予習・復習などは以下のサイトを参照すること

–

http://hope.c.fun.ac.jp/course/view.php?id=458

•

以下のサイトも参考に

–

http://www.musashinodenpa.com/wiki/

製品開発と情報処理演習IIの関連

• 製品のデザインプロセス

–コンセプト設定

• 市場調査，

顧客要求，

顕在ニーズ，

潜在ニーズの分析

–ユーザの観察,ユーザの設定ペルソナ作成(ユーザモデル)

–ブレーンストーミング， アイデア生成

–プロトタイピング

• ペーパプロトタイピング，

インタフェースモデリング

•

ワーキングプロトタイプ

， 3Dプロトタイピング

–評価

• プロトタイプを使って評価，問題を発見，新機能を発想

モックアップの作成

•

製品評価に重要な役割

•

実際に使用して判明

•

反応が実感できるシステム

–センサ(ボタン，加速度センサ)

–表示装置(LED, Display)

–アクチュエータ

•

マイコンボード， I/Oボードを用いる

–いくつかのバリエーションを経験する

•

この技術をもっていれば，なにかと

有利

–C/C++ ベースにより実際に動くものを制作

•

センサやカメラなどからの情報取得，ロボットや計測システムなどの

組み込みシステムの制御などに応用可能

情報処理演習

Ⅱでは

Arduinoを使用

インタラクティブ・デバイスとは

•

情報処理機能／入出力機能を備えた

単体動作するハードウェア

–ユーザと直接インタラクションが可能

iPhone

Fitbit Ultra

Wifi Body Scale

インタラクティブ・デバイスの構成要素

•

「情報」「電子回路」「構造」の3要素

•

情報: 演算機能（コンピュータ）

•

電子回路: 入出力機能（センサ／アクチュエータ）

インタラクティブ・デバイスの構成要素

•

「情報」「電子回路」「構造」の3要素

•

情報: 演算機能（コンピュータ）

•

電子回路: 入出力機能（センサ／アクチュエータ）

•

構造: 筐体／機構機能（外装）

ハードウェア

ソフトウェア

製品例: iPhone 5

•

情報: CPU(ARM)，OS(iOS6 or iOS7)

•

電子: 静電式タッチパネル，ディスプレイ，マイク，

スピーカー，振動モーター，カメラ，

各種センサ（後述）

•

構造: アルミニウム（嵌め合せ，特殊ネジ）

製品例:

iPhone

のセンサ（加速度）

• 3

軸加速度センサ

–機能: 重力加速度／加速度の取得

–用途: 画面縦横反転／行動認識

製品例:

iPhone

のセンサ（ジャイロ）

• 3

軸ジャイロセンサ

–機能: 角速度の取得

–用途: 回転動作を利用したゲームコントローラ

製品例: iPhoneのセンサ（位置/方位）

• GPS

＆地磁気センサ

–機能: 絶対位置/方位取得

講義の目的

•

独自のインタラクティブ・デバイスを作る

– ユーザがインタラクティブに操作可能

– 筐体に組み込み，単体動作

iPhone

ではアプリは作れても

新しいデバイスは難しい

Arduinoで独自のインタラクティブ・

デバイスを作る

Arduino

とは

•

情報/電子回路をまたぐプロトタイピングを支援する

プラットフォーム

• Arduino

デバイスとPC上のプログラミング環境から構成

–Atmel AVR マイコン、入出力ポートを備えた基盤

• AVR

マイコン: ATmega328P

用語定義

• Arduino

デバイス → Arduino

• Arudino

IDE →

開発環境 or IDE

–（スケッチ → プログラム）

デバイス構成（メイン）

入出力ピン

USB

コネクタ

デバイス構成（メイン）

入出力ピン

USB

コネクタ

電源コネクタ

PC

に接続

電源に接続

電子回路に接続

デバイス構成（サブ）

LED(

電源)

LED(

通信)

リセットボタン

LED(

テスト)

マイコン

入出力コネクタの構成

デジタル入力／出力

アナログ入力

GND

GND

VCC

Arduino

の使い方（情報）

• PC

上でプログラム作成

–C/C++ ベース

• PC

とUSBケーブルで接続してプログラム書き込み

PC (Win/Mac)

Arduino

前回の復習

•

演習

–総合開発環境の(IDE)のインストール

–Arduinoの基盤のLEDを点滅させる

Arduino

の使い方（電子回路）

•

ブレッドボード上にセンサ／電子部品を配置

Arduino

の基盤のLEDを点滅させる

&

Arduino

にLEDを取り付けて点滅させる

Arduino

の基盤のLEDを点滅させる

&

Arduino

にLEDを取り付けて点滅させる

void setup() {

pinMode(

13

, OUTPUT);

}

void loop() {

digitalWrite(

13

, HIGH);

delay(500);

digitalWrite(

13

, LOW);

delay(500);

}

デジタル入出力[0-13]

setup()

， loop()の説明

• Arduino

のプログラムは必ずsetup()とloop()という2つの特別

な関数を持っている

–Setup()はスタート時に1度だけ呼び出される

•

ピンモードやライブラリの初期化といった処理に使用

–Loop()関数はプログラムの心臓部であり、繰り返し実行

•

内部に無限の繰り返しを入れないこと

– for(;;)やwhile(1)

_{int main()}

{

init();

setup();

for(;;)

loop();

return 0;

}

ブレッドボード（ソルダーレス・ブレッドボード）とは

•

はんだ付けが不要な，実験，評価，試作に用いる基板

–各種電子部品やジャンパ線を差し込むだけで電子回路を組める

•

ボード内部に導体が埋め込まれている

ブレッドボード（ソルダーレス・ブレッドボード）とは

•

はんだ付けが不要な，実験，評価，試作に用いる基板

–各種電子部品やジャンパ線を差し込むだけで電子回路を組める

•

ボード内部に導体が埋め込まれている

ブレッドボードの仕組み

•

ブレッドボードはどの穴とどの穴が

繋がるという仕組みが決まっている

•

両側の赤線/青線の穴は

縦一直線

に全部つながっている

–2本の赤線同士はつながっていない

–2本の青線同士もつながっていない

•

中央の1~30の穴は

横一直線

に

繋がっている

–ただし，中央の溝を挟んで

左側／右側で分かれる

•

各数字のa~eとf~jの

5

穴ずつ

（デジタル）テスタとは

•

電気的な測定値をディスプレイに数字で

表示する計測器

–ディスプレイ／各種スイッチ／リードから構成

–アナログ-デジタル(A/D)変換回路を利用

•

電圧 / 電流 / 抵抗の測定

•

ブザーにより通電状態を確認

ブレッドボードの通電確認

•

両側の赤線／青線の穴の通電

チェック

–赤線／青線縦一列

–左右の赤線同士は未接続

•

中央の1～30の穴の通電チェック

–a～eとf～jの

5

穴

ずつ

–中央の溝を挟むと未接続

演習1:タクトスイッチでLEDを点灯させる

•

ブレッドボード上にタクトスイッチを配置

• Arduino

の入出力ピンとブレッドボードを接続

–ミニマムなインタラクティブ・デバイス

1-1

ブレッドボード

1-2

プログラム

1-3

コンパイル＆

アップロード

1-4

動作確認

入出力ピンはこれ

入出力ピンの詳細

デジタル入出力

アナログ入力

GND

GND

VCC

1-1

ブレッドボードに部品を挿す

•

プッシュスイッチを

中央の溝に沿って配置

–

向きに注意！

•

足が届く方向に．

• Arduino

に接続

–7番ピンとGNDピン

1-2:

プログラムを書く

const int SW = 7;

// Pushbutton Pin

const int LED = 13;

// LED Pin

int state = 0;

void

setup()

{

pinMode(LED, OUTPUT);

pinMode(SW , INPUT);

digitalWrite(SW, HIGH);

//おまじない

}

void

loop()

{

state = digitalRead(SW);

if (state == HIGH) {

digitalWrite(LED, HIGH);

}

else {

digitalWrite(LED, LOW);

}

}

定数・変数

条件分岐

（if文）

const: constant (

定数）

int: integer (

整数）

1-3:

コンパイル＆アップロード

•

エラーが出たら，エラー箇所を修正

–分からない場合はTAに質問すること

コンパイル中

成功

失敗

コンパイル中

アップロード中

成功

1-4:

動作確認

•

ボタンを押している間だけLEDが光るように

–下記部分を修正

state = digitalRead(SW);

if (state ==

LOW

) {

digitalWrite(LED, HIGH);

}

else {

digitalWrite(LED, LOW);

}

参考: プログラムの説明

const int SW = 7; //タクトスイッチはデジタルピン7に接続 const int LED = 13; //LEDはデジタルピン13に接続

int state = 0; //スイッチの状態を格納する変数 void setup() {

pinMode(LED, OUTPUT); // LEDのピンを「出力」に設定 pinMode(SW , INPUT); // スイッチのピンを「入力」に設定 digitalWrite(SW, HIGH); //おまじない

}

void loop() {

state = digitalRead(SW); //スイッチの状態を「state」に格納 if (state == HIGH) { //スイッチの入力がHIGHの時

digitalWrite(LED, HIGH); //LEDを点灯 }

else { //スイッチの入力がLOWの時 digitalWrite(LED, LOW); //LEDを消灯

} }

参考: 関数リファレンス(1)

• pinMode(pin, mode)

–ピンの動作を入力か出力に設定

– pin: 設定したいピンの番号

– value: INPUTかOUTPUT

• digitalWrite(pin, value)

–HIGHかLOWを指定したピンに出力

– pin: 出力するピンの番号

– value: HIGHかLOW

参考: 関数リファレンス(2)

• delay(ms)

–プログラムを指定した時間だけ止める

• [

パラメータ]

• digitalRead(pin)

–指定したピンの値を読み込む．結果は

• [

パラメータ]

• [

戻り値]

参考: 回路図

LED

演習2:抵抗によるLEDの輝度の制限

• LED

をブレッドボード上に配置する

–LEDには抵抗をセットでつける

•

電流制限（明るさ抑制）用

–GNDを両端の穴を使って共通化

• Arduino

とブレッドボード間の配線を減らす

抵抗の値の読み方

•

カラーコード(4本の線）で値を表す

•

判別しにくく，覚えにくい

–「抵抗 カラーコード」で検索する

–テスターで調べる

数値 位取り 誤差

抵抗の理解

•

キット内の抵抗を付け替えてみる

–270Ω抵抗(赤紫茶金) x 1

–330Ω抵抗(橙橙茶金) x 1

–1kΩ抵抗(茶黒赤金) x 3

–10kΩ抵抗(茶黒橙金 ) x 2

•

キット内のLEDも付け替えてみる

参考: オームの法則

•

𝐼𝐼 =

𝑉𝑉

𝑅𝑅

※I

_{＝電流 (A)，V= 電圧(V)，R=抵抗（Ω)}

– 抵抗が高くなると，流れる電流が減る

– 流れる電流が減ると，LEDが暗くなる

•

状態提示用途では通常10～20mA程度

参考: 回路図

LED

プッシュスイッチ

演習2: トグル機能の実装

•

タクトスイッチを「押すたび」にLEDの点灯／消灯を切り替える

トグルのソースコード

（簡易版）

const int SW = 7; const int LED = 13;

boolean state = 0; boolean ledState = 0; void setup() { pinMode(LED, OUTPUT); pinMode(SW, INPUT); digitalWrite(SW, HIGH); //おまじない } void loop(){ state = digitalRead(SW); if (!state) { ledState = !(ledState); } if (ledState) { digitalWrite(LED, HIGH); } else { digitalWrite(LED, LOW); } }

int: Integer

（整数）

boolean: (

真偽値，1 or 0)

プルアップ抵抗・プルダウン抵抗

•

マイコンの入力にHIGHかLOW信号を確実に伝える為に

取り付ける

•

抵抗がない場合はHIGH/LOWの状態が不安定となる

–HIGHなのにLOWとなったり、LOWなのにHIGHとなったりして

マイコンが誤動作を起こす

Aruduino

でのプルアップ抵抗

•

プルアップ抵抗を有効にする

–pinMode(SW, INPUT_PULLUP);

•

次でも同様の効果

–pinMode(SW, INPUT);

–digitalWrite(SW, HIGH);

スイッチ入力の安定化

•

前回の回路の復元

–スイッチを押したときの通電箇所をテスターでチェック

330Ω

13

7

簡易版トグルの問題点

• LED

の状態が不安定

–プッシュスイッチの機構の問題

•

スイッチを押してから，接点が

安定するまでに時間がかかる

–マイコンの動作速度はかなり高速

• 16MHz = 1

命令 62.5 ns

– 1sec = 1000msec = 1000000usec

10～50 μsec

チャタリング

•

スイッチの接点がバウンドする

現象

トグルのソースコード 1

const int SW = 7; const int LED = 13; boolean state = 0; boolean statePre = 0; boolean ledState = 0; void setup() { pinMode(LED, OUTPUT); pinMode(SW, INPUT_PULLUP); } void loop(){ state = digitalRead(SW); if (state && !(statePre)) {

ledState = !(ledState); delay(10); } statePre = state; if (ledState) { digitalWrite(LED, HIGH); } else { digitalWrite(LED, LOW); } }

pinMode(SW , INPUT);

digitalWrite(SW, HIGH);

pinMode(SW, INPUT_PULLUP);

キー処理

•

押している間の処理

–if (!state)

•

押した瞬間の処理

•

チャタリングによる誤動作の防止

–簡単なフィルタ処理

チャタリングの処理

SW_OFF

SW_ON

ledState = !(ledState);

delay(10);

}

フラグを使用したキー処理

if (!state) {

if (!flag) {

処理を記述

}

flag = 1;

}

else

flag = 0;

トグルのソースコード 2

const int SW = 7; const int LED = 13; boolean state = 0; boolean flag = 0; boolean ledState = 0; void setup() { pinMode(LED, OUTPUT); pinMode(SW, INPUT_PULLUP); } void loop(){ state = digitalRead(SW); if (!state){ if (! flag ){ if (ledState ){ ledState = 0; } else{ ledState = 1; } flag = 1; } } else{ flag = 0; } if (ledState) { digitalWrite(LED, HIGH); } else { digitalWrite(LED, LOW); } }

トグルのソースコード 2

const int SW = 7; const int LED = 13; boolean state = 0; boolean flag = 0; boolean ledState = 0; void setup() { pinMode(LED, OUTPUT); pinMode(SW, INPUT_PULLUP); } void loop(){ state = digitalRead(SW); if (!state){ if (! flag ){ if (ledState ) ledState = 0; else ledState = 1; flag = 1; } } else flag = 0; if (ledState) digitalWrite(LED, HIGH); else digitalWrite(LED, LOW); }

•

チャタリングによる誤動作の防止

–簡単なフィルタ処理

チャタリングの処理

SW_OFF

SW_ON

SW_OFF

SW_ON

トグルのソースコード 3

const int SW = 7; const int LED = 13; boolean state = 0; int flag = 0; boolean ledState = 0; void setup() { pinMode(LED, OUTPUT); pinMode(SW, INPUT_PULLUP); } void loop(){ state = digitalRead(SW); if (!state){ if ( flag < 250 ) flag ++; if ( flag = = 200 ){ if (ledState ) ledState = 0; else ledState = 1; } } else flag = 0; if (ledState) digitalWrite(LED, HIGH); else digitalWrite(LED, LOW); }

課題

•

タクトスイッチにより2個のLEDを交互に点灯させよ