はじめに
2021年1月にRaspberry Pi Picoが発表されました。例えば下記のショップで取り扱われています（品切れのときもあります）。後で述べるように、購入する場合は「Pico にピンヘッダを実装したもの」あるいは「Pico H (ピンヘッダ実装済のPico)」がお勧めです。- 秋月電子通商 (通常版／ Pico H、完成品)
- 千石電商 (通常版／Pico H, ピンヘッダ実装済)
- スイッチサイエンス (通常版／Pico H, ピンヘッダ実装済)
- KSY (通常版／ピンヘッダ実装版／Pico H, ピンヘッダ実装済)
- 秋月電子通商 (Pico W、Wifi対応 ／Pico WH、ピンヘッダ実装済)
- 千石電商 (Pico W、Wifi対応／Pico WH、ピンヘッダ実装済)
- スイッチサイエンス (Pico W、Wifi対応 ／Pico WH、ピンヘッダ実装済)
- KSY (Pico W、Wifi対応／Pico WH、ピンヘッダ実装済)
| コンピューター | Raspberry Pi Zero / 1 / 2 / 3 / 4 など |
| マイクロコントローラー | Arduino UNO、Raspberry Pi Pico など |
これは、Raspberry Pi Pico は Linux OS をインストールして利用するものではないということを意味します。また従来の Raspberry Pi ではできたことで、Raspberry Pi Pico にはできないことがたくさんあります。本書の範囲で言えば、カメラを利用する演習などです。
しかし、電子工作は Linux OS を用いる手法よりもマイクロコントローラーを用いて行う手法の方が歴史がありますし、Raspberry Pi Pico の方が優れている面もまたたくさんあります。例えば、出力できるハードウェアPWMが16個であることや、電源投入後すぐに回路が動き出すことなどです。
本書を購入された方は、秋月電子通商さんによるパーツセットなどの電子工作パーツを合わせて購入された方も多いでしょう。その電子工作パーツを Raspberry Pi Pico で利用してみると、電子工作の世界をより深く知ることができます。従来の Raspberry Pi と Raspberry Pi Pico の利点を知ることで、それぞれを適材適所で使い分けることもできるでしょう。
なお、Raspberry Pi 財団は、公式のキーボードやマウスを販売するなど、ユーザーが愛着を持てるようなブランド作りにこだわっているように筆者には思えます。従来のシリーズとは異なる Raspberry Pi Pico にも接することで、皆さんの Raspberry Pi シリーズへの愛着はさらに増すかもしれません。
そこで、本ページでは本書で用いた電子工作パーツを Raspberry Pi Pico でも用いる方法を紹介します。
下図は、本書4章で行ったLチカを Raspberry Pi Pico で実行している様子です。
Raspberry Pi Pico W を用いている方は、9章以降の Wifi 接続を必要とする演習も実行可能です。本ページで Raspberry Pi Pico の取り扱いに慣れてから以下のページに進むとよいでしょう。
初回のみ実行すればよい準備
さてここからは、Raspberry Pi Pico で電子工作するために、最初に一回だけ実行すればよい準備を行っていきます。ピンヘッダが取り付けられていない Raspberry Pi Pico を購入された方は、それをはんだ付けする必要があります。
はんだ付けをしたくない方には、あらかじめページ上部のリンクでピンヘッダ実装済のものを購入するのがお勧めです。
さて、Raspberry Pi Pico (Pico W 含む) に自分でピンヘッダをはんだ付けする場合、ピンヘッダとよばれるパーツを入手する必要があります。例えば秋月電子通商さんの下記のものがあります。 これは40ピンのピンヘッダですが、これをニッパで半分にカットして20ピンのものを2つ用意します。なお、ピンヘッダを2つにカットする際、ピンヘッダのプラスチック部が破損することがありますので、 ピンヘッダは複数購入するのが安全です。
ピンヘッダをはんだ付けする際、ピンヘッダと Raspberry Pi Pico のみでは固定するのに苦労します。下図のようにブレッドボードに差した状態ではんだ付けするのが簡単です。 はんだ付けのコツはp.162の図7-2をご覧ください。ピンとランドの両方を熱することが重要なのでした。
なお、手早く行わないとブレッドボードが溶けてきますので注意しましょう。ブレッドボードは安価なので、もし溶けてしまったとしても新しいものを購入することは比較的容易です。
このはんだ付けが、Raspberry Pi Picoを用いる上で最も難易度が高い作業だと個人的には思います。
PCとの接続には microUSB ケーブルを用います。microUSB ケーブルは、充電専用のものではなくPCと通信可能なものを用意してください。充電専用のケーブルでは以下の作業を実行できません。
そして、Raspberry Pi Pico の基板上の白い BOOTSEL ボタンを押しながら microUSB ケーブルをPCのUSBポートに接続します。BOOTSEL ボタンを押しながらPCに接続すると、Raspberry Pi Pico は PC からは USB メモリのようなストレージとして見えます。
私の Windows 10 では、下図のようなストレージとして表示されました。
執筆時には、Pico用の場合「rp2-pico-20221011-unstable-v1.19.1-543-gab317a0d6.uf2」という名称のファイルがダウンロードされました。 このファイルを、先ほどの Raspberry Pi Pico を表すストレージに直接ダウンロードするか、あるいはダウンロードされたファイルをストレージにコピーしましょう。 ストレージへのダウンロードまたはコピーが完了すると、Raspberry Pi Pico が自動的に再起動されます。
それにより、基板上の白い BOOTSEL ボタンを押さずに Raspberry Pi Pico に電源を入れたときと同じ状態になり、Raspberry Pi Pico で MicroPython が利用できるようになります。 Raspberry Pi Pico の次回以降の起動の際は、何も押さずに Raspberry Pi Pico と PC を microUSB ケーブルで接続するだけで OK です。
次に、Raspberry Pi Pico 上で MicroPython プログラムを実行するために、開発環境である Thonny をインストールします。 PC として Windows や macOS をお使いの場合、多くの方は Thonny をインストールしていないでしょうから、こちらから各 OS 用の Thonny をダウンロードし、インストールしてください。
PC として Raspberry Pi を用いる場合はインストール済の Thonny を用いて構いません。ただし、Raspberry Pi OS が古い場合、下記コマンドで Thonny を最新にした方が良いでしょう。
sudo apt update sudo apt install thonnyさて、インストールした Thonny を起動します。そのウインドウの右下に例えば「Python 3.7.9」のように Pythonのバージョンが書かれていますので、そこをマウスでクリックします。 すると、下図の状態になりますので、Configure Interpreter をクリックします。
4章のLチカを実行してみよう
さて、以上で準備は整いました。ここからは、本書4章以降で用いた電子工作パーツを Raspberry Pi Pico (Pico W 含む) で利用する方法を解説していきます。Raspberry Pi Pico のピン配置は以下のようになっています。このうちそれぞれの電子工作パーツに必要なピンを用いて回路を作成していきます。
Raspberry Pi Pico Datasheet の p.4 より引用
まず、4章で用いたLEDでLチカを行うための回路を以下に示します。
from machine import Pin
from time import sleep
led = Pin(16, Pin.OUT)
while True:
led.toggle()
sleep(0.5)
このプログラムをコピーして下図のように Thonny 上に貼り付けます。そして、貼り付けが終わったら緑色の実行ボタンをクリックしましょう。新しい Thonny を使っている場合、すぐにプログラムが実行され、 ブレッドボード上の LED が点滅すると思います。
さて、OKボタンをクリックすると、main.py が保存され、さらにそのプログラムが実行されます。
さて、以上の方法でプログラムを実行すれば、ブレッドボード上でLEDが点滅しているはずです。これをLチカと呼ぶのでした。
Lチカを確認できたら、Raspberry Pi Pico の電源を一旦切ってから入れ直し、Lチカプログラムが自動実行されることも確認してみましょう。ただし、上で述べたように Raspberry Pi Pico 上に main.py というファイル名でプログラムを保存しないと、この「電源投入と同時に行われるプログラム自動実行」は機能しませんのでご注意ください。
なお、Raspberry Pi Pico は従来の Linux OS をインストールする Raspberry Pi と異なり、いきなり USB ケーブルを抜いて電源を切っても構いません。
USBケーブルを接続して Raspberry Pi Pico に電源を入れなおすと、即座にLチカが始まったのではないでしょうか？ このように「プログラムの自動実行が容易であること」、「電源投入後にすぐに回路が動作すること」が Raspberry Pi Pico の特長です。
Linux OS をインストールする従来の Raspberry Pi ではプログラムの自動実行がそれなりに大変であり（本書での紹介はp.286～291）、回路が動作するまでには OS の起動を待たねばなりませんから 1 分程度の時間がかかるのでした。
さて、以上で Raspberry Pi Pico で電子工作パーツを動かす基本の解説は終わりです。以下では、残りの章で用いた電子工作パーツ用の回路図とプログラムを列挙していきます。
5章のタクトスイッチを使ってみよう
タクトスイッチを利用するための回路が下図です。タクトスイッチの状況に応じて点灯させるための LED も取り付けられています。
from machine import Pin
led = Pin(16, Pin.OUT)
switch = Pin(17, Pin.IN, Pin.PULL_DOWN)
while True:
if switch.value()==1:
led.value(1)
else:
led.value(0)
一方、「タクトスイッチを押すたびに LED の点灯/消灯が切り替わる」という動作のプログラムが以下です。本書のサンプルでは 05-03-sw-pd-event.py に相当します。
「一度イベントを検出したら 200ms の間は次のイベントを検出しない」という機能がライブラリになさそうなので、プログラム上で時間を計測して実現しています。
from machine import Pin
import time
def switch_pressed(p):
global prev_time, counter, led
pressed_time = time.ticks_ms()
if pressed_time < prev_time + 200 :
return
led.toggle()
prev_time = pressed_time
prev_time = time.ticks_ms()
led = Pin(16, Pin.OUT)
switch = Pin(17, Pin.IN, Pin.PULL_DOWN)
switch.irq(trigger=Pin.IRQ_RISING, handler=switch_pressed)
上記のどちらのプログラムも、Thonny に貼り付けて実行ボタンをクリックし、Raspberry Pi Pico 上に main.py という名称で保存して実行するのでした。
6章の半固定抵抗でアナログ値を使ってみよう
6章のAD変換によるアナログ値の利用をRaspberry Pi Picoでも実行してみましょう。書籍で用いた従来の Raspberry Pi と違うのは、 Raspberry Pi Pico には ADコンバータが内蔵されており、別途用意する必要がないことです。ピン配置図で ADC0～2 と書かれているピンでADコンバータを利用できます。早速試してみましょう。半固定抵抗を用いる回路図が以下です。これは本書p.144の図6-6に相当します。
from machine import ADC
from time import sleep
adc = ADC(26)
# Values in a range [272, 65535] were shown.
while True:
value = adc.read_u16()
print(value)
sleep(0.2)
Raspberry Pi Pico の ADコンバータを read_u16 関数で読み取ると、0～65535 の数値が読み取れます。ただし、私が試したところ、小さな値としては 272 程度までしか下がらず、
0という値は出力されませんでした。そのことがコメントとして書かれています。
次に、フォトレジスタ（CdSセル）により明るさを読み取り、暗ければLEDを点灯するという演習を試してみましょう。回路図は以下で、これは本書p.155の図6-9に相当します。
from machine import ADC, Pin
from time import sleep
adc = ADC(26)
led = Pin(16, Pin.OUT)
# Values in a range [272, 65535] were shown.
while True:
value = adc.read_u16()
if value < 50000:
led.value(1)
else:
led.value(0)
print(value)
sleep(0.2)
7章のI2Cデバイスを使ってみよう
次に、7章で用いたI2Cデバイスである温度センサと LCD を利用してみましょう。温度センサを用いる回路図は以下です。本書p.164の図7-4に相当します。なお、I2C用のプルアップ抵抗ですが、RP2040 内部の 50～80kΩ のプルアップ抵抗が有効にされるようで、本ページの演習は全てI2C用のプルアップ抵抗なしで動作します（参考）。 50～80kΩ では大きすぎる、という場合に数 kΩのプルアップ抵抗を別途追加すると良いでしょう。
from machine import Pin, I2C
from time import sleep
def read_adt7410():
word_data = int.from_bytes(i2c.readfrom_mem(address_adt7410, register_adt7410, 2), 'little', False)
data = (word_data & 0xff00)>>8 | (word_data & 0xff)<<8
data = data>>3 # 13ビットデータ
if data & 0x1000 == 0: # 温度が正または0の場合
temperature = data*0.0625
else: # 温度が負の場合、 絶対値を取ってからマイナスをかける
temperature = ( (~data&0x1fff) + 1)*-0.0625
return temperature
i2c = I2C(0, scl=Pin(5), sda=Pin(4), freq=400000)
i2c.scan()
address_adt7410 = 0x48
register_adt7410 = 0x00
while True:
inputValue = read_adt7410()
print(inputValue)
sleep(0.5)
次に、温度センサとLCDを同時に用いる回路は以下です。これは、本書p.171の図7-6に相当します。
from machine import Pin, I2C
from time import sleep
def setup_st7032():
c_lower = (contrast & 0xf)
c_upper = (contrast & 0x30)>>4
i2c.writeto_mem(address_st7032, register_setting, bytes([0x38, 0x39, 0x14, 0x70|c_lower, 0x54|c_upper, 0x6c]))
sleep(0.2)
i2c.writeto_mem(address_st7032, register_setting, bytes([0x38, 0x0d, 0x01]))
sleep(0.001)
def clear():
global position
global line
position = 0
line = 0
i2c.writeto_mem(address_st7032, register_setting, bytes([0x01]))
sleep(0.001)
def newline():
global position
global line
if line == display_lines-1:
clear()
else:
line += 1
position = chars_per_line*line
i2c.writeto_mem(address_st7032, register_setting, bytes([0xc0]))
sleep(0.001)
def write_string(s):
for c in list(s):
write_char(ord(c))
def write_char(c):
global position
byte_data = check_writable(c)
if position == display_chars:
clear()
elif position == chars_per_line*(line+1):
newline()
i2c.writeto_mem(address_st7032, register_display, bytes([byte_data]))
position += 1
def check_writable(c):
if c >= 0x06 and c <= 0xff :
return c
else:
return 0x20 # 空白文字
i2c = I2C(0, scl=Pin(5), sda=Pin(4), freq=400000)
i2c.scan()
address_st7032 = 0x3e
register_setting = 0x00
register_display = 0x40
contrast = 32 # 0から63のコントラスト。30から40程度を推奨
chars_per_line = 8 # LCDの横方向の文字数
display_lines = 2 # LCDの行数
display_chars = chars_per_line*display_lines
position = 0
line = 0
setup_st7032()
write_string('Hello World')
# カタカナや特殊記号は文字コードを一文字ずつ入力
# 以下は「ラズベリー パイ」と表示する例
#s = chr(0xd7)+chr(0xbd)+chr(0xde)+chr(0xcd)+chr(0xde)+chr(0xd8)+chr(0xb0)+' '+chr(0xca)+chr(0xdf)+chr(0xb2)
#write_string(s)
また、温度センサの値をLCDに表示するためのプログラムは以下です。本書のサンプルでは 07-03-LCD-temp.py に相当します。
なお、古いバージョンの MicroPython では、温度センサで値を読み取り、LCDに結果を表示する際、間に「i2c.scan()」という命令を実行しないとエラーが出ていましたので、そのことがコメント文で記されています。
from machine import Pin, I2C
from time import sleep
def read_adt7410():
word_data = int.from_bytes(i2c.readfrom_mem(address_adt7410, register_adt7410, 2), 'little', False)
data = (word_data & 0xff00)>>8 | (word_data & 0xff)<<8
data = data>>3 # 13ビットデータ
if data & 0x1000 == 0: # 温度が正または0の場合
temperature = data*0.0625
else: # 温度が負の場合、 絶対値を取ってからマイナスをかける
temperature = ( (~data&0x1fff) + 1)*-0.0625
return temperature
def setup_st7032():
c_lower = (contrast & 0xf)
c_upper = (contrast & 0x30)>>4
i2c.writeto_mem(address_st7032, register_setting, bytes([0x38, 0x39, 0x14, 0x70|c_lower, 0x54|c_upper, 0x6c]))
sleep(0.2)
i2c.writeto_mem(address_st7032, register_setting, bytes([0x38, 0x0d, 0x01]))
sleep(0.001)
def clear():
global position
global line
position = 0
line = 0
i2c.writeto_mem(address_st7032, register_setting, bytes([0x01]))
sleep(0.001)
def newline():
global position
global line
if line == display_lines-1:
clear()
else:
line += 1
position = chars_per_line*line
i2c.writeto_mem(address_st7032, register_setting, bytes([0xc0]))
sleep(0.001)
def write_string(s):
for c in list(s):
write_char(ord(c))
def write_char(c):
global position
byte_data = check_writable(c)
if position == display_chars:
clear()
elif position == chars_per_line*(line+1):
newline()
i2c.writeto_mem(address_st7032, register_display, bytes([byte_data]))
position += 1
def check_writable(c):
if c >= 0x06 and c <= 0xff :
return c
else:
return 0x20 # 空白文字
i2c = I2C(0, scl=Pin(5), sda=Pin(4), freq=400000)
i2c.scan()
address_adt7410 = 0x48
register_adt7410 = 0x00
address_st7032 = 0x3e
register_setting = 0x00
register_display = 0x40
contrast = 32 # 0から63のコントラスト。30から40程度を推奨
chars_per_line = 8 # LCDの横方向の文字数
display_lines = 2 # LCDの行数
display_chars = chars_per_line*display_lines
position = 0
line = 0
setup_st7032()
while True:
inputValue = read_adt7410()
#i2c.scan() # 古い MicroPython ではデバイス切り替え時に必要だった
clear()
s = str(inputValue)
write_string(s)
sleep(1)
8章で学んだPWMを使ってみよう
最後に8章で学んだ PWM を Raspberry Pi Pico でも利用してみましょう。 Raspberry Pi Pico ではハードウェア PWM を 16 個出力できます。これは従来の Raspberry Pi の 2 個に比べると大きな利点です。本ページでは解説しませんが、従来の Raspberry Pi と Raspberry Pi Pico を接続し、お互いの利点を活かす方法もあります（希望があれば接続方法を解説するかもしれません）。さて、PWMにより LED の明るさを変更するための回路は以下です。これは、本書p.194の図8-6に相当します。
from machine import Pin, ADC, PWM
from time import sleep
adc = ADC(26)
pwm = PWM(Pin(16))
pwm.freq(100)
# Values in a range [272, 65535] were shown.
adc_min = 272
adc_max = 65535
while True:
value = adc.read_u16()
print(value)
duty = (value-adc_min)/(adc_max-adc_min)
if duty < 0:
duty = 0
pwm.duty_u16(int(65535*duty))
sleep(0.2)
次に、3つのPWMにより RGBフルカラーLED の色を変更するための回路は以下です。これは、本書p.200の図8-8に相当します。半固定抵抗を3つ並べる際にスペースが必要となりますので、この回路は大きめのブレッドボードがないと実現できませんのでご注意ください。
from machine import Pin, ADC, PWM
from time import sleep
adc1 = ADC(26)
adc2 = ADC(27)
adc3 = ADC(28)
pwm1 = PWM(Pin(16))
pwm2 = PWM(Pin(17))
pwm3 = PWM(Pin(18))
pwm1.freq(100)
pwm2.freq(100)
pwm3.freq(100)
# Values in a range [272, 65535] were shown.
adc_min = 272
adc_max = 65535
while True:
value1 = adc1.read_u16()
value2 = adc2.read_u16()
value3 = adc3.read_u16()
duty1 = (value1-adc_min)/(adc_max-adc_min)
duty2 = (value2-adc_min)/(adc_max-adc_min)
duty3 = (value3-adc_min)/(adc_max-adc_min)
if duty1 < 0:
duty1 = 0
if duty2 < 0:
duty2 = 0
if duty3 < 0:
duty3 = 0
# アノードコモンの場合、下記の3行を有効に
#duty1 = 1 - duty1
#duty2 = 1 - duty2
#duty3 = 1 - duty3
pwm1.duty_u16(int(65535*duty1))
pwm2.duty_u16(int(65535*duty2))
pwm3.duty_u16(int(65535*duty3))
sleep(0.2)
次に、PWMにより DC モーターを制御するための回路は以下です。これは、本書p.208の図8-11に相当します。モータードライバーと半固定抵抗の配置が窮屈になっていますので、大きめのブレッドボードをお持ちの方は、そちらで余裕をもって配置すると良いでしょう。
from machine import Pin, ADC, PWM
from time import sleep
adc = ADC(26)
pwm1 = PWM(Pin(16))
pwm2 = PWM(Pin(17))
pwm1.freq(100)
pwm2.freq(100)
# Values in a range [272, 65535] were shown.
adc_min = 272
adc_max = 65535
adc_mid = (adc_min + adc_max)/2
duty_max = 0.7
while True:
inputVal = adc.read_u16()
if inputVal < adc_mid:
pwm2.duty_u16(0)
duty = (adc_mid-inputVal)/(adc_mid-adc_min)
if duty > 1:
duty = 1
duty *= duty_max
pwm1.duty_u16(int(65535*duty))
else:
pwm1.duty_u16(0)
duty = (inputVal-adc_mid)/(adc_max-adc_mid)
if duty > 1:
duty = 1
duty *= duty_max
pwm2.duty_u16(int(65535*duty))
sleep(0.5)
最後に、PWMにより RC サーボモーターを制御するための回路は以下です。これは、本書p.215の図8-13に相当します。
from machine import Pin, ADC, PWM
from time import sleep
def servo_duty_hwpwm(val):
val_min = 272
val_max = 65535
servo_min = 0.035 # 最小デューティ比3.5%
servo_max = 0.1 # 最大デューティ比10%
if val < val_min:
val = val_min
duty = (servo_min-servo_max)*(val-val_min)/(val_max-val_min) + servo_max
# 一般的なサーボモーターはこちらを有効に
#duty = (servo_max-servo_min)*(val-val_min)/(val_max-val_min) + servo_min
return duty
adc = ADC(26)
pwm = PWM(Pin(16))
pwm.freq(50)
while True:
value = adc.read_u16()
duty = servo_duty_hwpwm(value)
pwm.duty_u16(int(65535*duty))
sleep(0.2)
おわりに
以上、本書で実行した 1 章から 8 章の演習のうち、Raspberry Pi Pico でも実行可能なものを紹介しました。9章以降の Wifi 接続を必要とする演習は、2023年3月に日本発売された、Wifi機能付きの Raspberry Pi Pico W を用いればおおむね動作させることができます（機能の制限はありますが）。その方法を示したのが下記のページです。 一方、本書の続編である「実例で学ぶRaspberry Pi電子工作」で紹介した、インターネットに接続する演習や画像処理を行う演習、「Raspberry Piではじめる機械学習」で紹介した、機械学習やディープラーニングを行う演習も、従来の Raspberry Pi の得意分野と言えるでしょう。
本ページをきっかけに、Raspberry Pi を用いた電子工作に対する皆さんのアイディアがさらに膨らむと幸いです。
ラズベリーパイの価格を上昇してしまい、なかなか手を出しずらい状況が続いています。
返信削除価格が安いpicoを使用した「本書（ラズパイ4対応 カラー図解 最新 Raspberry Piで学ぶ電子工作）の電子工作パーツをRaspberry Pi Picoで利用する」は大変興味深い内容でした。
数年前に「実例で学ぶRaspberry Pi電子工作」を参考に電子工作を行わせていただきましたが、この第３章・第４章・第５章の内容をRaspberry Pi Picoで実行するプログラムの公開もしていただけるとうれしいのですが、ご検討よろしくお願い致します。
「実例で学ぶRaspberry Pi電子工作」は9年前の書籍であり、
返信削除（少なくとも現時点では）改訂版が出る予定はありません。
最新機種でも動作するようメンテナンスは続けていますが、
新規のコンテンツを追加するのは難しいです。ご容赦ください。
よろしくお願いします。