第8章　アナログ入力とPWM出力

この章の目的

この章では、10kΩの可変抵抗を回した位置を連続的な電圧としてPico Wへ入力します。

GP26のADCで電圧を数値へ変換し、読み取った値に合わせてGP15のLEDの明るさを変化させます。

可変抵抗を回す
    ↓
電圧が変化する
    ↓
ADCで数値へ変換する
    ↓
PWMのデューティ比を変える
    ↓
LEDの明るさが変化する

デジタル入力・出力の0と1だけでは表しにくい、途中の大きさを扱う方法を確認します。

この章でできるようになること

デジタル値とアナログ値の違いを説明できる
可変抵抗の固定端子と中央端子の役割を説明できる
GP26をADC0として使用できる
read_u16()でアナログ入力を数値として取得できる
PWMの周波数とデューティ比を説明できる
duty_u16()でLEDの明るさを変化させられる
アナログ入力の値をPWM出力へ渡せる
入力、数値化、出力のつながりを説明できる

使用するもの

分類	使用するもの	数量
制御用ボード	ピンヘッダー実装済みのRaspberry Pi Pico WまたはPico WH	1
配線	ブレッドボード	1
入力部品	10kΩリニア可変抵抗（B10K、3端子）	1
出力回路	第5章で配線した赤色LEDと330Ω抵抗	1組
配線	ジャンパーワイヤー	3本程度を追加
PC接続	データ通信対応Micro USBケーブル	1

第6章・第7章のタクトスイッチ回路は、配線したままでも構いません。この章のプログラムではGP14を使用しません。

安全上の注意

配線を追加・変更するときは、Pico WからUSBケーブルを外します
可変抵抗の電源には3V3(OUT)を使用し、VBUSやVSYSへ接続しません
GP26へ3.3Vを超える電圧を入力しません
3V3(OUT)とAGNDをジャンパーワイヤーだけで直結しません
第5章のLEDには、引き続き330Ω抵抗を直列に使用します
可変抵抗の端子配置は、部品の資料またはテスターで確認します
配線後は講師または接続表による確認を行ってからUSB接続します

8-1　デジタル値とアナログ値

第5章から第7章では、GPIOの状態を0と1で扱いました。このように、決められた段階で表す値をデジタル値と呼びます。

一方、電圧、温度、明るさなどは、範囲の中で連続的に変化します。このような量をアナログ値と呼びます。

種類	例	Pico Wでの扱い
デジタル入力	スイッチを離す／押す	`1`または`0`
アナログ入力	可変抵抗の位置	電圧をADCで数値化
デジタル出力	LEDを消灯／点灯	LOWまたはHIGH
PWM出力	LEDの明るさ	HIGHの時間割合を変更

Pico WのGPIOは、すべてがアナログ入力に対応しているわけではありません。この章では、ADC0へ接続されたGP26を使用します。

8-2　ADCで電圧を数値化する

ADCは、Analog-to-Digital Converterの略で、アナログ電圧をデジタル値へ変換する回路です。

RP2040のADCは12ビットで変換します。 MicroPythonのread_u16()は、その結果を 0から65535の範囲へ拡大して返します。

GP26の入力電圧	`read_u16()`の目安
約0V	`0`付近
約1.65V	`32768`付近
約3.3V	`65535`付近

実際の値は、電源電圧、部品の誤差、配線、ノイズなどによって変動します。端まで回しても、必ず0または65535になるとは限りません。

ADC値から入力電圧の目安を求める式は次のとおりです。

voltage = adc_value * 3.3 / 65535

この計算結果は目安です。正確な電圧測定が必要な場合は、基準電圧や測定誤差も考慮します。

8-3　可変抵抗の端子

3端子の可変抵抗には、抵抗体の両端につながる2つの固定端子と、回転位置に応じて抵抗体上を移動する中央端子があります。中央端子を摺動端子またはワイパーと呼びます。

端子	この章での接続
固定端子1	`3V3(OUT)`
中央端子（ワイパー）	`GP26 / ADC0`
固定端子3	`AGND`

可変抵抗を回すと、中央端子の電圧が約0Vから約3.3Vの範囲で変化します。

外側の2端子を入れ替えても回路は動作しますが、明るくなる回転方向が反対になります。中央端子をGP26へ接続することが重要です。

部品を上から見た端子順や、つまみを回した方向は製品によって異なる場合があります。外観だけで決めず、部品資料またはテスターで確認します。

8-4　可変抵抗とLEDを配線する

第5章のGP15 LED回路を残し、可変抵抗を次のように追加します。

可変抵抗の接続

接続元	接続先	物理ピン
可変抵抗の固定端子1	Pico Wの`3V3(OUT)`	36
可変抵抗の中央端子	Pico Wの`GP26 / ADC0`	31
可変抵抗の固定端子3	Pico Wの`AGND`	33

LED回路の接続

接続元	接続先	物理ピン
Pico Wの`GP15`	330Ω抵抗	20
330Ω抵抗	LEDのアノード
LEDのカソード	Pico Wの`GND`	18

左側にB10K可変抵抗の固定端子と中央のワイパーを示し、固定端子をPico Wの3V3 OUTとAGND、ワイパーをGP26 ADC0へ接続する。右下にGP15から330Ω抵抗と赤色LEDを経由してGNDへ接続する回路を示す。

図8-1　GP26の可変抵抗入力とGP15のLED出力

次の順番で配線します。

Pico WからUSBケーブルを外します
第5章のLED回路を接続表と照合します
B10K可変抵抗の固定端子と中央端子を確認します
固定端子1を物理ピン36の3V3(OUT)へ接続します
中央端子を物理ピン31のGP26 / ADC0へ接続します
固定端子3を物理ピン33のAGNDへ接続します
GP26、AGND、3V3(OUT)を再確認します
講師の確認後、USBケーブルを接続します

8-5　ADC値を読み取る

次のプログラムをch08_01_adc_value.pyとしてPC側へ保存し、実行します。

1
from machine import ADC, Pin
2
import time
3

4
POT_PIN = 26
5

6
pot = ADC(Pin(POT_PIN))
7

8
while True:
9
    adc_value = pot.read_u16()
10
    print("ADC値:", adc_value)
11
    time.sleep(0.2)

可変抵抗を端から端までゆっくり回し、 Shellに表示される値が変化すれば成功です。

ADC値: 320
ADC値: 15872
ADC値: 32640
ADC値: 49120
ADC値: 65184

表示される値は実機ごとに異なります。つまみを止めていても、下位の桁が少し変動することがあります。

ADCオブジェクトを作成する

pot = ADC(Pin(POT_PIN))

Pin(26)でGP26を指定し、 ADC()でアナログ入力として準備します。

ADC値を読み取る

adc_value = pot.read_u16()

read_u16()は、その時点の入力電圧を測定し、 0から65535の整数として返します。

このプログラムは0.2秒ごとにADC値を読み取るため、第6章で学んだポーリングの例でもあります。

8-6　PWMでLEDの明るさを変える

GPIOはHIGHまたはLOWを出力するデジタル端子です。途中の電圧を連続的に出力しているわけではありません。

PWMは、Pulse Width Modulationの略で、 HIGHとLOWを高速に切り替え、 1周期の中でHIGHにする時間の割合を変える方式です。

HIGHになっている時間の割合をデューティ比と呼びます。

`duty_u16()`の値	デューティ比の目安	LED
`0`	0%	消灯
`16384`	約25%	暗め
`32768`	約50%	中間
`49151`	約75%	明るめ
`65535`	100%	点灯

LEDは高速に点滅していますが、人の目には平均的な明るさとして見えます。デューティ比と、人が感じる明るさは完全な比例関係ではありません。

8-7　ADC値をPWM出力へ渡す

次のプログラムをch08_02_adc_pwm.pyとしてPC側へ保存し、実行します。

1
from machine import ADC, Pin, PWM
2
import time
3

4
POT_PIN = 26
5
LED_PIN = 15
6
PWM_FREQ = 1000
7

8
pot = ADC(Pin(POT_PIN))
9
led_pwm = PWM(Pin(LED_PIN), freq=PWM_FREQ, duty_u16=0)
10

11
try:
12
    while True:
13
        adc_value = pot.read_u16()
14
        led_pwm.duty_u16(adc_value)
15
        print("ADC値:", adc_value)
16
        time.sleep(0.1)
17
finally:
18
    led_pwm.duty_u16(0)
19
    led_pwm.deinit()

可変抵抗を回すと、ADC値に合わせて外付けLEDの明るさが変化すれば成功です。

PWM出力を準備する

led_pwm = PWM(Pin(LED_PIN), freq=PWM_FREQ, duty_u16=0)

主な指定を確認します。

記述	意味
`Pin(LED_PIN)`	GP15を使用する
`freq=PWM_FREQ`	PWMの周波数を1000Hzにする
`duty_u16=0`	デューティ比を0%から開始する

ADC値をそのまま渡す

adc_value = pot.read_u16()
led_pwm.duty_u16(adc_value)

read_u16()とduty_u16()は、どちらも0から65535を扱います。このため、ADC値をPWMのデューティ比へそのまま渡せます。

停止時にPWMを終了する

finally:
    led_pwm.duty_u16(0)
    led_pwm.deinit()

tryの中でプログラムを実行し、通常の停止などでtryを抜けるとfinallyの処理へ進みます。

LEDを消灯してからdeinit()でPWM出力を終了します。停止後にLEDが最後の明るさのまま残ることを防ぎます。

8-8　入力から出力までを確認する

可変抵抗による0から3.3Vのアナログ電圧をADCが0から65535へ数値化し、その値をPWMのデューティ比へ渡してGP15のLEDの明るさを変える。0、約32768、65535の3段階でPWM波形とLEDの状態を比較する。

図8-2　アナログ入力を数値化し、PWM出力へ渡す流れ

この演習には、DXで使用するデータ活用の小さな流れがあります。

段階	この章で行うこと
現場の状態	可変抵抗の回転位置
取得	GP26の電圧をADCで測定
数値化	`0`から`65535`のADC値
判断・変換	ADC値をPWMデューティ比として使用
出力	LEDの明るさを変化
確認	ADC値とLEDの状態を観察

センサーを使用する章でも、物理的な状態を数値へ変換する考え方は同じです。

変更してみる

可変抵抗の回転方向とLEDの明るさの関係を反対にします。

次の行を探します。

led_pwm.duty_u16(adc_value)

次のように変更します。

led_pwm.duty_u16(65535 - adc_value)

ADC値が大きいほどPWM値が小さくなるため、明るくなる回転方向が反対になります。

確認後は、元のled_pwm.duty_u16(adc_value)へ戻します。

動作確認

B10K可変抵抗の固定端子と中央端子を確認できる
3V3(OUT)、GP26 / ADC0、AGNDへ接続できる
可変抵抗を回すとADC値が変化する
read_u16()が0から65535を返すことを説明できる
PWMの周波数とデューティ比を説明できる
可変抵抗を回すとLEDの明るさが変化する
ADC値をPWM値へそのまま渡せる理由を説明できる
PWM終了時にLEDが消灯することを確認できる

よくある問題と確認方法

状況	主な確認箇所
ADC値がほとんど変わらない	可変抵抗の中央端子、GP26、固定端子の3V3とAGND
ADC値が常に`0`付近	GP26または中央端子がAGNDへ直結していないか
ADC値が常に`65535`付近	GP26または中央端子が3V3へ直結していないか
ADC値が大きく変動する	中央端子の接触、AGND、ジャンパーワイヤー
LEDの明るさが変わらない	GP15、330Ω抵抗、LEDの向き、`duty_u16()`
内蔵LEDが反応する	`Pin("LED")`ではなく`Pin(15)`を使用しているか
回転方向が想定と反対	可変抵抗の外側2端子を入れ替えるか、値を`65535 - adc_value`へ変換
停止後もLEDが点灯する	`finally`、`duty_u16(0)`、`deinit()`を確認し、必要ならソフトリセット

配線を確認するときは、先にUSBケーブルを外します。原因が分からないまま別の電源端子へ接続しません。

まとめ

アナログ値は、範囲の中で連続的に変化する量です
ADCは、アナログ電圧をデジタル値へ変換します
GP26はADC0として使用できます
read_u16()はADC値を0から65535で返します
PWMは、HIGHとLOWを高速に切り替えて出力の時間割合を変えます
duty_u16()はデューティ比を0から65535で指定します
ADC値をPWM値へ渡すと、可変抵抗でLEDの明るさを制御できます
PWMは中間のアナログ電圧を直接出力しているわけではありません
入力を数値化し、処理して出力する流れは、センサーデータ活用の基本です

参考資料

次の章

次の第9章では、温湿度センサーから環境データを取得し、条件によって状態を判定します。

第8章 アナログ入力とPWM出力