情報とコンピュータ
プログラムによる計測と制御
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1時間目
•「コンピュータ」と「制御」の説明
•センサの反応の確認
•ソフトウェアの操作方法の説明
•順次処理の課題に挑戦
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「コンピュータ」と「制御」の説明
そもそも、「コンピュータ」とは・・・?
「①入力された情報から、②状況を判断して、
何かを③出力する仕事ができるもの」を言います。
例:エアコン
①部屋の室温を感知(計測)
②コンピュータで判断
③エアコンの働きを制御
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コンピュータで制御される機器の特徴
それぞれの要素を、別の言葉に置き換えると…
エアコンの場合…
①入
部屋の温度を感知
(①入力)
力
= センサ
状況を感知するもの
→温度センサ、光センサなど
②判断・命令 = コンピュータ
設定よりも暑いので
冷房を強めよう
(②判断・命令)
状況を判断し、命令を行うもの
③出
冷風を出す(強める)
(③出力)
力
= アクチュエータ
動作・仕事を行うもの
→クーラー、ヒーター、モーター
ブザー、LEDなど
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身の回りのコンピュータと制御
どんなものに「コンピュータ」が使われている?
センサ・コンピュータ・アクチュエータを持った機械を挙げてみましょう
• 自動ドア
– 人を感知し、扉の開閉を行ないます。
• デジタルカメラ
– センサで手ブレを補正したり、ピントを合わせたり
自動的にきれいな画像を撮影できます。
他に「自動車」「炊飯器」「冷蔵庫」「自動改札」など
→実生活にはコンピュータ制御機器があふれています。
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授業で用いる教材について
本教材にもコンピュータが使われています。
①セ ン サ
=加速度センサ
「傾ける」「振る」などの動きを調べます。
②コンピュータ
=PICマイコン
命令を覚えたり、行動を考えます。
③アクチュエータ=ブザー、LED
音を出します。点灯・点滅します。
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教材の動作確認
本体を動かす方法は二通りあります。
・PCと接続して動かす方法
電池不要。
・本体単体で動かす方法
電池が必要です。
単体で動かす場合は、次のスライド(2ページ分)を見て、
動作確認プログラムを動かしてみましょう。
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電池の入れ方
単体でプログラムを実行する場合、電池が必要です。
使用できる電池:単4アルカリ乾電池
または単4ニッケル水素充電池
①プラスドライバー(#2)で
ねじを緩め、カバーを開けます。
②向きを確認して電池を入れ、
カバーを戻します。
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教材の使い方
電源ボタンをONにして操作ボタンを押すと、
プログラムが開始します。
(USBケーブルで接続している場合、本体からUSBケーブルを抜いてください)
購入時の本体には動作確認用
プログラムが記録されています。
②操作ボタン
を押す
傾けた場合:
→常に上方向のLEDが光ります
操作ボタンを押した場合:
①電源ボタン
を押す
→ブザーが鳴ります。傾きに応じて
音の高さが変わります
すぐに電池がなくならないよう、使用しない場合は電源を切りましょう。
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ソフトウェア 「ビュートビルダーG」の導入
学校でビュートビルダーGを使うときは、「ZIP圧縮版」を使います。
1. ビュートビルダーG(ZIP圧縮版)をダウンロード
2. 右クリックし「すべて展開」をクリック
3. 展開してできたフォルダを、教室の全PCにコピー
フォルダの中にあるcl_edit_acc.exeをクリックして
ソフトを起動します。
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パソコンと本体の接続
②本体の電源
ボタンを押します。
①付属のUSBケーブルを
PCと本体に接続します。
③右上の表示が「未接続」から
「接続中」に変わります。
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センサの反応の確認
「センサエリア」でセンサの反応を確認しましょう。
加速度センサの数値や
操作ボタンのON/OFF
を表示
「3D」ボタンをクリックすると、
本体に合わせて動く3DCG
を表示します。
必ずケーブルを奥向き
にして持ってください
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教材のプログラミングについて
これから、制御を行なうためのプログラミングを学習していきます。
プログラミングは専用ソフトウェア「ビュートビルダーG」を用い、
命令のブロックを並べることで行ないます。
これは、左右傾けた方の
LEDを光らせるプログラム
です。
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プログラミングの構造
プログラムは、次の三つの構造でできています。
① 順次
② 繰り返し
③ 分岐
【順次】
【繰り返し】
開始
繰り返し
仕事1
【分岐】
分岐
仕事1
YES
仕事2
仕事2
仕事3
仕事3
終了
繰り返し
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仕事A
NO
仕事B
順次処理のプログラム
開始
仕事1
仕事2
仕事を順番に並べ、一つずつ
実行するようなプログラムを
「順次」のプログラムといいます。
仕事3
プログラムの構造の中では、
もっとも単純なものです。
終了
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順次のプログラミング 「ドレミ」と鳴らす
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使用するブロック(命令)の追加
最初に、プログラムで使うブロックを選びます。
クリックすると
ブロックを追加
クリックで選択
同じブロックを三つ作りましょう。
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ブロック(命令)の実行順序の設定
続いて、追加したブロックを矢印でつなぎます。
矢印の根元を
ドラッグします
マウスカーソルを
ブロックに重ねます
マウスのボタンを
離して接続完了
全てのブロックに矢印を
つないでみましょう。
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ブロック(命令)の設定の変更
最後に、それぞれの音程を変更します。
①クリックします
ブロックごとに命令の設定を
変えることが出来ます
ブロックをクリックすると、
左下の設定エリアで内容
を変えられます。
②表示が切り
替わります
2、3番目のブロックを
「レ」「ミ」の音に変えましょう。
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プログラムの書き込み・実行①
プログラムができたので実行してみましょう。
「実行」ボタンを
クリック
「はい」をクリック
書き込みが終わる
まで待ちます
青いメーターが一瞬で右端まで届き、画面が消えたら書き込み終了です。
※書き込みに10秒以上かかる場合は失敗しているので、「中断」をクリックし、一度ケーブル
を抜き差しして書き込みなおしてください。
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プログラムの書き込み・実行②
書き込みが終わると、自動的にプログラムを実行します。
プログラムの実行中は、青い
枠で実行中のブロックが囲まれ
ます。
青い枠の流れを見て、思った
通りのプログラムが実行されて
いるか確認しましょう。
現在の命令は
青い枠で囲まれます
一度実行したプログラムは、「単独で動かす」(8~9ページ)の手順で、
単体でも実行できます。
※本体にプログラムを書き込むと、既に書き込まれていたプログラムが消えます。
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ブロックの整列
ブロックをドラッグすると位置
を動かせるので、ブロックを
整列して、見やすいプログラ
ムを作成しましょう。
矢印がつながったブロックを近づけると、矢印
が△印に省略されます。
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ブロックの削除
不要なブロックは、次の操作で削除しましょう。
①マウスカーソルを
ドラッグ
①右クリック
②クリック
②Deleteキーを押します
削除するブロックを右クリックし、
メニューの「削除」を選択します。
プログラムエリアでカーソルをドラッグすると
複数のブロックを選択することができます。
選択後、Deleteボタンを押すとブロックを
削除することができます。
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プログラムファイルの保存
作成したプログラムはファイルに保存できます。
「ファイル」→
「名前をつけて保存」を
選択します。
①ファイル名を記入
②「保存」をクリック
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その他便利な機能
・操作を間違えた場合:「戻す」「進む」でやり直せます。
・プログラムを新しく作り直す場合: 「新規」で作成できます。
新しいプログラムを
作り始めます
手順を
一つ戻す。
戻した手順を
進める。
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課題1 ドレミファソラシド(高)と鳴らすプログラム
プログラムをスタートしたら、ドレミファソラシド(高)となる
プログラムを作りましょう。(四分音符を使用します。)
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課題1 解答例
ドレミファソラシド(高)と鳴らすプログラム
高い「ド」に設定します。
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【まとめ1】
開始
仕事1
仕事2
仕事3
終了
身の回りにはコンピュータで制御
されている機器がたくさんあります。
それらの機器は、
・センサ
・コンピュータ
・アクチュエータ
という要素を持っています。
制御のためのプログラムで仕事を
順番に並べ、一つずつ実行するよう
なプログラムを、
「順次」プログラムといいます。
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2時間目
【順次】
•繰り返しを使うプログラム
• LEDを使うプログラム
仕事1
【繰り返し】
繰り返し
仕事1
仕事2
仕事2
仕事3
仕事3
仕事4
繰り返し
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LEDの命令ブロックについて
LEDの命令ブロックでLEDの点灯を制御することが
出来ます。
それぞれ点灯
すべて点灯
左上 右上
左下 右下
LED命令ブロック
チェックを付けた
場所が点灯
すべて消灯
1秒間点灯
点灯時間を設定可能
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1.5秒間点灯
LEDのプログラム
LEDを時計回りで点灯するプログラムを作成しましょう。
各ブロックを
矢印で接続
それぞれの位置に
チェック
プログラムが完成したら、
書き込んで実行してみましょう。
チェック
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LEDの時間の設定
LEDブロックは点灯時間を設定できます。
点灯時間を使う場合:
LEDを設定した時間光らせ、次の命令に
進むときにLEDを消します。
点灯時間を使わない場合:
LEDを光らせたらすぐに次の命令に進み
ます(LEDはつけっぱなし)。
点灯時間を使わない設定は、LEDとブザーやセンサを同時に使うときや、
各LEDのON/OFF状態だけを変えたいときに選びます。
点灯時間を使わない設定は、後の分岐のプログラムで行います。
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課題2 反時計回りで点滅する(各2秒)プログラム
プログラムをスタートしたら、LEDを反時計回りに点灯する
プログラムを作りましょう。LEDは、一つに付き2秒光らせましょう。
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課題2 解答例
LEDを反時計回りに点灯するプログラム
・時間の設定を忘れずに行いましたか?
・点灯の順番は正しかったですか?
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繰り返しのプログラム
LEDを時計回りで5周光らせるプログラムを作成しましょう。
一回目
同じ命令を5回分並べると作成できますが、
手間がかかりプログラムも見づらくなります。
また、10回繰り返したい場合は、更に手間が
かかります。
このように同じ命令を何度も実行する場合は、
「繰り返し」を使います。
二回目
5回目まで続く…
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繰り返しブロックの使い方
繰り返しブロックは、「繰り返しの始まり」と
「終わり」の二つがセットになっており、
繰り返す回数を自由に設定できます。
繰り返し回数を設定
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繰り返しのプログラム
時計回りを5回
繰り返すプログラム
時計回りにLEDを光らせるプログラムに、
繰り返しブロックを追加します。
繰り返しは
5回に設定
繰り返しの命令を活用すると、効率よく
プログラミングできます。
同じような命令がいくつも出てくる場合
は、共通する部分を繰り返しの命令で
うまくまとめましょう。
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繰り返しプログラムの応用
「繰り返し」の中に「繰り返し」を使うという
ような複雑な構造もできます。
繰り返しの中で繰り返
しを使うプログラム例
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繰り返し命令の注意点
繰り返し命令は、「繰り返しの始まり」から「終わり」に
正しくつなげないと、おかしな動作になります。
一度も繰り返さず
に終了します
繰り返しのはじめが
おかしくなります
繰り返しの途中で
止まります
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課題3 ドレミファソラシドを5回繰り返すプログラム
ドレミファソラシド(課題1)を5回繰り返すプログラムを
作成しましょう。繰り返しブロックを1つ使用します。
×5回
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課題3 解答例
ドレミファソラシド(課題1)を5回繰り返すプログラム
繰り返し回数を
5回に設定します
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【まとめ2】
【繰り返し】
繰り返し
仕事1
仕事2
同じ命令を何度も繰り返して実行する
プログラムを「繰り返し」のプログラム
といいます。
繰り返しは便利な命令ですが、矢印
をつなぎ間違えると、正しくプログラム
が動かないため注意が必要です。
仕事3
繰り返し
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3時間目
•加速度センサ
•デジタルとアナログ
•分岐のプログラム
•センサ値の記録
分岐
YES
仕事A
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NO
仕事B
加速度センサについて
本体に搭載している加速度センサは「加速度」を
調べられます。
加速度とは・・・? 一言で表すと「加速の大きさ」
加速度の例
①重力(重力加速度)
物体の向きに関わらず、常に下方向へ
加速度が発生。
②物体の移動・振動
動いた方向に対して加速度が発生。
加速度センサが使われている機器:
スマートフォンやゲームのコントローラなどの最新電子機器
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分岐のプログラム
センサを使って、状態によって動きが変わる
プログラムを作りましょう。
条件によって処理の内容を変えたい場合に、
「分岐」を使います。
分岐
YES
仕事A
NO
仕事B
例えば、自動ドアで は、センサで感知して
・ドアの前に人がいる場合、「開く(仕事A)」
・ドアの前に人がいない場合、「閉じる(仕事B)」
という処理が行なわれています。
本体を左右に傾けたら、傾けた方向のLEDが
光るプログラムを作りましょう。
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センサ値の計測
パソコンに接続するとセンサ値が
センサエリアに表示されます。
センサエリア
左右に傾けたときの反応を確かめましょう。
・左に傾けると、「X軸」はいくつになるでしょうか?
・右に傾けると、「X軸」はいくつになるでしょうか?
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分岐ブロック 【しきい値の決定方法について】
左と右に傾けたときの状態を区別するには?
・左に傾ける:X軸=0より小さい
・右に傾ける:X軸=0より大きい
左右に傾いた状態が切り替わる
境目は、X軸が「0」の時です。
このように、二つの状態を分ける数値を
「しきい値」と言います。
しきい値
→分岐の条件を、図のように
『X軸』 が 『0』 『より小さい?』
にしましょう。
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分岐の先の命令を接続
条件は「X軸が0より小さい?」です。
0より小さい→「はい」
0より大きい→「いいえ」
つまり・・・
→左に傾いたら「はい」、右に傾いたら「いいえ」に進みます。
図に従って、分岐の先にLEDブロックをつないで設定しましょう。
※LEDの点灯時間は使わないようにしましょう。
左に傾いた場合は、
左のLEDを光らせる
右に傾いた場合は、
右のLEDを光らせる
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加速度センサを用いた分岐のプログラム
最後に繰り返しを入れましょう。
繰り返しが無いと・・・
→分岐を1回だけして終わってしまいます。
繰り返し(無限)を入れると
→何度も戻って分岐を実行します。
プログラムができたら実行してみましょう。
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課題4 加速度センサを用いた分岐のプログラム
本体を前後に傾けて、傾けた方向のLEDを光らせるプログラムを作りま
しょう。
加速度センサのY軸を調べます
前に傾けた場合
後ろに傾けた場合
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課題4 解答例
「ずっと繰り返す」に設定
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課題5 分岐を使った複雑なプログラム①
本体を前後左右に傾けて、傾けた方向のLEDを光らせるプログラム
を作りましょう。
前後左右の区別は、X軸・Y軸を組み合わせます。
①
②
センサの値を確認
①左前に傾けた場合:
X<0 & Y≧0
②右前に傾けた場合:
X≧0 & Y≧0
③
④
③左後ろに傾けた場合:
X<0 & Y<0
④右後ろに傾けた場合:
X≧0 & Y<0
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課題5 分岐を使った複雑なプログラム②
分岐を重ねることで、複雑な分岐を作ることができます。
分岐を重ねると、複数の条件を
使ったプログラムが可能です。
前ページの図も参考に、
傾けた方向のLEDを光らせる
プログラムを作りましょう。
X軸 < 0
&
Y軸 < 0
の場合
X軸 < 0
&
Y軸 ≧ 0
の場合
X軸 ≧ 0
&
Y軸 < 0
の場合
X軸 ≧ 0
&
Y軸 ≧ 0
の場合
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課題5 解答例
「ずっと繰り返す」に設定
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課題6 裏返すとLEDがすべて消えるプログラム
課題5のプログラムを使用して、前後左右に傾けた方のLEDが光り、本体を
裏返すとLEDがすべて消えるプログラムを作りましょう。
表向きの場合
更に前後左右の
4通りの場合に分岐
裏表はZ軸を
調べます
裏向きの場合
「LEDを全て消す」
の1通りだけ
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課題6 裏返すとLEDがすべて消えるプログラム
分岐ブロックを3つ連続で使用します(分岐ブロック自体は合計4個)。
・1つ目の分岐
→ 表向きか裏向きか
・2つ目の分岐
→ 左向きか右向きか
・3つ目の分岐
→後ろ向きか前向きか
Z軸 < 0
X軸 < 0
Y軸 < 0
Z軸 < 0
X軸 < 0
Y軸 ≧ 0
Z軸 < 0
X軸 ≧ 0
Y軸 < 0
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Z軸 < 0
X軸 ≧ 0
Y軸 ≧ 0
Z軸 ≧ 0
課題6 解答例
「ずっと繰り返す」に設定
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【まとめ3】
【分岐】
決められた条件に応じて処理を切り替える
プログラムを「分岐」のプログラムと言います。
二つの状態の境目を表す数値を「しきい値」といい、
これを使って「条件」を作ります。
分岐
YES
仕事A
NO
仕事B
分岐を使うときは、次の三つを考えて正しく組み合わ
せる必要があります。
① 分岐の条件は何?(加速度センサ、赤外線センサなど)
② その条件で、それぞれどんな場合に
「はい」、「いいえ」に振り分けるか
① 「はい」「いいえ」に進んだ先に、どんな命令を
つなげるか
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センサの情報をパソコンに記録①
パソコンと本体を接続すれば、センサ値の記録が可能です。
センサ値のグラフが表示されます
1. クリック
記録データというフォルダが作成され、
データ*(ファイル名は変更可能)という
ファイルに一定時間毎にセンサ値が
記録されます。
2.記録開始をクリック
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3.記録の終了
センサの情報をパソコンに記録②
ビュートビルダーGのフォルダ内に記録データが
保存されています。
1.フォルダが作成されている。
ダブルクリックします。
2.データファイルを開きます。
Excelで開くことが出来ます。
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センサの情報をパソコンに記録③
記録データには、記録年月日/時刻と、加速度センサの
数値が保存されています。
グラフ化も可能です。
20
15
10
5
0
-5
X軸
0
50
100
-10
-15
-20
-25
-30
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150
200
Y軸
Z軸
センサの情報をパソコンに記録④
加速度の計測で、どのようなことができるでしょうか?
【人の動き】
本体を持つなどして、体操してみましょう。
→ どんな動きが取れるでしょうか?
※USBケーブルを無理に引っ張ったり、抜けないように注意して下さい。
【振り子・ヨーヨー・落下】
本体ケースの穴にひもを通して、振り子のように動かしたり、穴にゴムを通して
弾ませてみましょう。
→きれいな波が現れるでしょうか?
※ひもは短めにして、ぶつけたり落としたりしないように注意してください。
【乗り物の動き】
車などに乗ってデータを記録してみましょう(ノートPCなどを利用)。
→アクセル・ブレーキ・カーブなどに合わせて数値が変化するでしょうか?
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備考:センサとインターフェースについて
アナログ信号とデジタル信号について
センサ・アクチュエータの多くは、「アナログ信号」 (電圧など)を使います。
一方、コンピュータは「デジタル信号」しか使えません。
そこで、間にデジタルとアナログを変換する仕組みを挟みます。
1.5
1.5
A/D変換
1
1
0.5
0.5
0
0
0
10
20
30
40
50
1 4 7 10 13 16 19 22 25 28 31 34 37 40 43
-0.5
-0.5
-1
-1
-1.5
-1.5
【アナログ信号】
【デジタル信号】
センサのアナログ信号
→ A/D変換 → デジタル信号
コンピュータのデジタル信号 → D/A変換 → アナログ信号
コンピュータには、このように間で仲介を行う「インターフェース」を挟みます。
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【メモ】
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計測と制御