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初心者から始める電子工作
初めて電子工作に臨む前に、ここでは事前の知識として最低限知っておきたい知識について説明します。
声に反応してランプが光ったり、明るさに合わせてモノが動いたりとアイデアは思いつくのだけれど、何から手を付けて良いかわからない・・。知識や経験はないのだけどアイデアだけはある・・・
最初はみんなそうですよね！
電子工作では、はんだ付けや回路設計、プログラミングなどの雑多な知識が必要です。まずは、アイデアを整理してひとつひとつ進めていくことが大切となります。
電子工作の制作手順
- アイデアを分解して分類する
- 利用する電子パーツを決める
- マイコンを決める
- 各パーツを動作させてみる
- 電子パーツやプログラムを統合する
１.アイデアを分解して分類する
思いついたアイデアは機能や目的で大雑把に分類してみましょう。
その時、大切なのが「入力」・「出力」・「処理」を意識して分類すること。
これを事前に考えることで、作業の内容や分量を把握でき、作業手順を決めやすくなります。
「入力」とは、外部からマイコンボードに何かの情報を送ることを指します。たとえば、スイッチやボタンを操作する、温度センサーや明るさセンサーなどで周囲の状態を知る、メールを受けるなどです。
「出力」とは、マイコンボードから外部の電子パーツを制御することを指します。たとえば、LEDを点灯する、スピーカから音を鳴らす、モーターを回転させる、ディスプレイに文字や画像を表示するなどです。
「処理」とは、入力から得た情報を元に動きなどを決め、出力するといった行程です。一般的にプログラムを使ってどのように処理する手順を記述します。
２.利用する電子パーツを決める
分類した目的や機能を実現する電子パーツを探します。
ポイントとなるのは次の5点。
■機能面
色、音色、表示形式、動く方向、力の強さ・・・
■サイズ
作品に搭載できる大きさであるか、搭載する場所にスペースが十分確保できるか・・・
■価格
購入できる範囲の電子パーツであるか・・・
■電気的特性
動作電圧、流せる電流、必要な電子パーツ・・・
■接続方式
デジタル、アナログ、I2C、SPI、UART・・・
例えば..
「手元を光らせたい」
ランプで手元を明るく光らせることが大切。また、大きすぎると邪魔になるので比較的小さめだと利用しやすい。
明るさは？ → 結構明るく：手元をはっきりさせるには明るく照らすのが重要
大きさは？ → 直径10cmぐらい：大きすぎないサイズがよい
何個利用する？ → 4つぐらい：LEDを4つぐらい用意すると明るさを確保できる
接続方式は？ → デジタル出力：オン、オフを制御できるデジタル出力方式がよい
３.マイコンを決める
続いて電子工作に使うマイコンを決める際にチェックポイントとなる項目です。
- 目的の電子パーツが接続できるか？
- インタフェースの数は十分か？
- 電気的な特性は問題ないか？
- 電子パーツを動作させた実績があるか？
- ネットワーク接続が必要か？
- プログラムを動作させるのに十分な性能があるか？
- コスト面は問題ないか？
- サイズは問題ないか？
以上を踏まえたうえでマイコン選ぶことになりますが、使いたいモノや、慣れているマイコンを最初に決めて進める方法でも問題ありません。
以下には主なマイコンとその特徴をまとめてみました。
Arduino
➢ 初心者から上級者まで広く使われる
➢ アナログ入力が可能
➢ プログラムがわかりやすい
➢ たくさんのプログラム例を見つけやすい
➢ 比較的安価
➢ たくさんの種類がある
➢ 派生商品も存在する
➢ 専用の開発環境が提供されている
➢ 処理性能が乏しい
➢ メモリーが少ない
ESP-WROOM-02/32
➢ 単体でWi-Fi接続が可能
➢ 法的に日本で利用できる
➢ Arduinoの開発環境が利用できる
➢ 安価
Raspberry Pi
➢ パソコンのように使える
➢ ビジュアルプログラミングに対応
➢ サイズは2種類 ➢ ネットワーク接続が可能
➢ 処理性能が高い
➢ アナログ入力がない
➢ 少々高い（Zeroは安い）
➢ 起動が完了するまで時間がかかる
micro:bit
➢ 標準でたくさんのセンサーを搭載
➢ マトリクスLEDで表示できる
➢ ビジュアルプログラミングに対応
➢ 他のmicro:bitと簡単に通信できる
➢ メモリーが少ない
➢ 少々高い
例えば…
ボタンを押すとLEDが点灯
プログラムや接続する電子パーツが単純になることから、起動が早く安価なものを選ぶと良いでしょう。前述したマイコンボードでは比較的安価に購入でき、基本機能を搭載するArduinoが選択できます。
なお、LEDを点灯させるといった基本的な操作はどのマイコンボードでも実現できます。Arduino以外でも手元にあったり、使ってみたいマイコンボードを選択しても問題ありません。
カメラで撮影した画像から丸の数を数えて表示する
写真のファイルは大容量。また、画像解析の必要もあります。このため、画像が扱えないマイコンボードは選択肢からはずれます。スペックの高いRaspberry Piを選択するのが現実的となります。
4.各パーツを動作させてみる
各パーツ同士を接続する前にパーツ単体で動かすことができるか確認するようにしましょう。
パーツを組み込んだ後、作動に不具合がある場合はひとつひとつ切り分けて原因を探っていく必要があります。不具合の原因がパーツ不良だった・・ということもあるので、事前に以下の点に注意して確認しておくと作業がはかどります。
- 回路の繋げ方
- 別途必要なパーツ
- 電気的特性
- 動作プログラム
- その他挙動について
各パーツについてはWEB検索を使うと、同じような使い方をしている人のブログやつまづきポイント、組み合わせ例など役立つ情報を得ることができます。
電子部品の使い方を調べる方法
画像検索を併用することで実際の作業の様子や回路図など参考になるものを拾いやすくなります。
パーツの確認作業の鉄則
WEBや書籍、雑誌などで参考になるアイデアを見つけたらパーツの構成などは真似をしまくりましょう！
ただし、大切なことは何をしているかは極力理解すること。それがさらなるアイデアにつながります。
- 回路はまったく同じにつくる
- プログラムはコピペする
- うまくいかない場合は、紹介しているパーツに変える
5.電子パーツやプログラムを統合する
✓ プログラムはコピペ
✓ 一つずつパーツを追加していく
✓ 分からなくなったら一つ前に戻る
✓ 他の人に相談しよう！
◇問題が起きたら前の手順に戻って確認を繰り返し、うまく動いたら作品の完成を目指しましょう！
さいごに
ここでは、まったくの初心者が電子工作を始めるにあたってアイデアを形にしていく手順を紹介しました。
このブログでは、これから電子工作を始めてみたい方向けに各パーツのさらなる特徴や組み合わせ例などご紹介していく予定です。電子工作経験者だけでなく、親子で取り組んでみたい方にも、有用な情報を紹介します。