Arduinoで可変抵抗を読む｜analogReadと分圧のしくみ、map()でLEDの明るさを変えるまで

値のふらつきを抑える

最後の桁が揺れるのは普通のこと

可変抵抗を止めた状態でシリアルモニタを見ていると、値が「511、512、511、513」のように1〜2ずつ揺れることがあります。これは故障ではありません。USB電源のわずかな揺れや、周りの配線から入る雑音、A/D変換そのものの誤差によって、約5mV刻みの最後の段階がどちらかに転ぶためです。

LEDの明るさのように、少し揺れても見た目に分からない用途なら、気にしなくてかまいません。困るのは、値を数字で表示する、段階の境目でモードを切り替える、といった用途です。境目のすぐそばでつまみを止めると、表示がちらついたり、モードが行ったり来たりしたりします。

平均を取る

いちばん手軽な対策は、何回か読んで平均を取ることです。

int readAverage(int pin) {
  long sum = 0;
  for (int i = 0; i < 16; i++) {
    sum += analogRead(pin);
  }
  return sum / 16;
}

16回読んでも数ミリ秒で終わるので、つまみの操作が遅く感じることはありません。回数を増やすほど揺れは小さくなりますが、つまみを動かしたときの反応は少しずつ遅くなります。入門では8〜16回程度が扱いやすい目安です。

変化が小さいときは無視する

もう一つの方法は、前回の値から一定以上変わったときだけ値を更新するやり方です。

int lastValue = 0;

void loop() {
  int value = analogRead(A0);
  if (abs(value - lastValue) >= 4) {
    lastValue = value;
    Serial.println(lastValue);
  }
}

この例では、4以上変わったときだけ新しい値として扱います。止めているときの小さな揺れは無視され、手で回したときにはきちんと反応します。段階を切り替える用途では、上がるときと下がるときで境目を少しずらしておく（ヒステリシスを持たせる）と、境目でのちらつきがさらに起きにくくなります。

配線とハードウェアでの対策

スケッチで抑えきれない大きな揺れがあるときは、配線を見直します。

• 接触を確かめる：可変抵抗の足がブレッドボードの奥まで入っていないと、触るたびに値が飛びます。挿し直すか、導線をはんだ付けした可変抵抗を使います。
• 配線を短くする：ジャンパー線が長いと雑音を拾いやすくなります。可変抵抗とボードの距離はなるべく短くします。
• コンデンサーを入れる：真ん中の端子とGNDのあいだに0.1μF程度のセラミックコンデンサーを入れると、速い雑音がならされます。ただし、つまみを速く回したときの反応がわずかに遅れます。
• 抵抗値の大きすぎる部品を避ける：Unoのマイコンのアナログ入力は、つなぐ回路の抵抗値が10kΩ程度以下で正確に読めるよう作られています。100kΩのような可変抵抗では値が安定しにくくなります。

複数のアナログ入力を続けて読む場合に、前に読んだ端子の電圧に引っ張られた値が出ることがあります。そのときは同じ端子を2回続けて読み、1回目を捨てて2回目を使うと落ち着くことが多いです。

うまく読めないときの確認順

症状から原因を絞る

値がおかしいときは、症状によって疑う場所が変わります。次の表を手がかりにすると、闇雲に配線を触らずにすみます。

「値が勝手に揺れる」症状は、A0が何にもつながっていない、浮いた状態のときによく起きます。入力端子が浮くとどうなるかは、Arduinoでタクトスイッチを読むで詳しく説明しています。デジタル入力でもアナログ入力でも、つながっていない端子の値は決まらない、という点は同じです。

段階を分けて確かめる

原因が分からないときは、次の順で一つずつ確かめると切り分けやすくなります。

1. スケッチを、A0の値をそのまま表示するだけのものに戻す。
2. 可変抵抗を外し、A0をジャンパー線でGNDにつなぐ。0付近が出ればボードとスケッチは正常。
3. A0を3.3Vの端子につなぐ。675前後が出れば、アナログ入力が電圧を読めている。
4. 可変抵抗を戻し、テスターで真ん中の足とGNDのあいだの電圧を測りながら回す。0〜5Vで変われば部品と配線は正常。
5. それでも表示がおかしければ、ジャンパー線を新しいものに替える。

2と3の確認で、ジャンパー線は必ずA0とGND、A0と3.3Vの組み合わせだけにします。5VとGNDを直接つながないよう、配線を変えるたびにUSBを抜いておくと安全です。

一歩進んだ使い方：つまみを設定に使う

ほかの作例と組み合わせる

可変抵抗は「値を設定するつまみ」として、ほかの作例と組み合わせると便利です。例えば、点滅の間隔をつまみで変えるなら、map(value, 0, 1023, 100, 1000) で100〜1000ミリ秒に写し、その時間だけ待つようにします。ブザーの音の高さを変えるなら、map() で周波数の範囲に写して tone() に渡します。ブザーの鳴らし方はArduinoでブザーを鳴らすで紹介しています。

段階で使う方法もあります。値を256ずつに区切れば4つのモードを切り替えるダイヤルになり、ボタンを押したときのモードを可変抵抗で選ぶ、といった組み立てもできます。この場合は、前に説明したヒステリシスを入れておくと、境目でモードがちらつきません。

半固定抵抗で「調整用のつまみ」を作る

作品が完成した後で変えたくなる値、例えば「暗くなったらLEDを点ける」ときの暗さの基準などは、スケッチに数値を書き込む代わりに、半固定抵抗で調整できるようにしておくと便利です。スケッチを書き直さなくても、ドライバーで回すだけで基準を変えられます。センサーの値と可変抵抗の値を比べ、センサーのほうが小さければ点ける、という書き方になります。

読む間隔と処理の組み立て

ここまでのスケッチは、loop の中で毎回 analogRead していました。可変抵抗の操作は人の手によるものなので、実際には数十ミリ秒に1回読めば十分です。ほかの処理と組み合わせるときは、millis() で経過時間を測り、一定の間隔ごとに読むようにすると、delay で処理全体が止まるのを避けられます。表示の更新やモードの判定もこの間隔に合わせておくと、動きの落ち着いたスケッチになります。

まとめ

可変抵抗は、両端の2本を5VとGNDに、真ん中の1本をアナログ入力につなぐだけで使える部品です。つまみを回すと分圧の割合が変わり、真ん中の端子の電圧が0Vから5Vまで連続して変わります。その電圧を analogRead が0〜1023の数値に変え、map() で使いたい範囲に写せば、明るさや間隔、音の高さなど、さまざまな値をつまみで決められるようになります。

最初の一歩として、B10Kの可変抵抗を1つ用意し、値をシリアルモニタに表示するスケッチを書き込んで、つまみを端から端まで回してみてください。0から1023まで値が変わることを確かめたら、次にLEDを1つ加えて明るさを変えてみると、「読む」から「動かす」までの流れがひと通りつながります。