Scratch（スクラッチ）で電子工作入門｜LED・センサーを動かす方法

01Scratchとは何か

Scratchは、無料のプログラミング学習ツールです（Scratch入門｜使い方・始め方を初心者向けにやさしく解説で当サイトでも詳細に解説しています。）。アメリカのMIT（マサチューセッツ工科大学）が開発しました。文字でコードを書く代わりに、何を使うでしょうか。色分けされたブロックを使います。画面上でドラッグして、ブロック同士をつなげます。「10歩動かす」「もし〜なら」「ずっと繰り返す」。こうした命令が、あらかじめブロックの形で用意されています。組み合わせる順番を間違えても、大きな問題は起きません。直感的に、試行錯誤しながら学べる設計になっています。

世界中で使われている理由

Scratchは、8歳前後の子ども向けに設計されました。しかし今では、事情が変わっています。世界中の学校教育で、プログラミング入門の定番として使われているのです。文字のコードを覚える前に、大切なことがあります。「順番に処理を進める」「条件によって分岐する」。こうした、プログラミングの根っこの考え方があります。この考え方を、遊びながら身につけられるからです。

02なぜ電子工作と組み合わせるのか

Scratch単体でも、楽しめることはあります。画面の中のネコを動かせます。簡単なゲームも作れます。しかし、画面の中だけで完結してしまいます。少し物足りなさを感じる方もいるでしょう。ここに、電子工作を組み合わせるとどうなるでしょうか。ブロックをつなげるだけで、目の前のLEDが実際に光ります。センサーに手をかざせば、どうなるでしょうか。画面の外にある現実の部品が反応します。「プログラムが、現実の世界に影響を与える」。この体験は、モチベーションを大きく高めてくれます。

033つの選択肢｜あなたに合うのはどれか

Scratchで電子工作をする方法には、複数の道があります。どれか1つが絶対的に正しい、というわけではありません。あなたが今持っている物によって、最適な選択は変わります。まずは、3つの選択肢を正直に比較してみましょう。

3つを並べて比較する

04必要なもの

Raspberry Piの場合

Raspberry Pi本体があれば、ソフトの準備は終わりです。電子工作をするなら、部品も必要です。LED、抵抗、ブレッドボード、ジャンパーワイヤです。

Arduino＋mBlockの場合

Arduino本体、USBケーブルが必要です。パソコンには、mBlockをインストールします。部品は、Raspberry Piの場合と同じです。

共通で使う部品

05始め方｜Raspberry Piの場合

Raspberry Pi OSが入った本体があれば、準備はほぼ終わっています。デスクトップ画面から、Scratchのアイコンを探しましょう。クリックするだけで起動します。ダウンロードも、インストールも必要ありません。

GPIOブロックを追加する

起動したら、画面右下あたりを見てみましょう。「拡張機能を追加」というボタンがあります。そこから「Raspberry Pi GPIO」を選びます。これで、電子部品を操作するブロックが使えるようになります。

06始め方｜Arduino＋mBlockの場合

ソフトを準備する

mBlockの公式サイトから、無料でダウンロードできます。パソコン用のアプリ版がおすすめです。接続の安定性が高いためです。

Arduinoとつなぐ

USBケーブルで、ArduinoとパソコンをつなげたらmBlockを起動しましょう。画面右下あたりにある「デバイス」の欄から、「Arduino Uno」を選びます。ケーブルがつながっていれば、自動的に認識されます。

07ブロックの基本操作

どちらのソフトを選んでも、基本操作はよく似ています。画面の左側に、ブロックの一覧が並んでいます。色ごとに、役割が分かれています。使いたいブロックを、ドラッグして移動させます。中央の作業スペースへ運びます。ブロック同士は、パズルのように、上下にカチッとはめ込んで連結します。

本記事での表記ルール

本記事では、ブロックの組み合わせを、次のような形式で紹介します。実際の画面では、これらは色付きのブロックとして表示されます。文章として読みやすくするための、表記上の工夫だとお考えください。

[緑の旗が押されたとき]
  ずっと
    [ピン 13(17) を 高(オン) にする]

ピン番号や表現は、ソフトによって少し異なります。カッコの中に、それぞれの表記の目安を添えています。左がArduino＋mBlock、右がRaspberry Pi（GPIO番号）です。

08実践1：LEDを光らせる

配線の考え方

LEDには、長い足と短い足があります。長い足（アノード）は、抵抗を経由してピンへつなぎます。短い足（カソード）は、GNDへつなぎます。この考え方は、どちらのハードウェアでも共通です。

ブロックを組んでみる

ブロックの構成イメージ（Arduino / Raspberry Pi）

[緑の旗が押されたとき]
  ずっと
    [ピン 13(17) を 高(オン) にする]
    [1 秒待つ]
    [ピン 13(17) を 低(オフ) にする]
    [1 秒待つ]

「高（HIGH）」または「オン」が、ピンをONにする命令です。「低（LOW）」または「オフ」が、OFFにする命令です。「1秒待つ」ブロックで、点滅のリズムを作っています。緑の旗を押すだけで、目の前のLEDが、実際に点滅を始めます。

独自アイデア：明るさを変化させる（Arduino＋mBlockの場合）

PWM対応のピン（3・5・6・9・10・11番）を使えば、明るさを滑らかに変化させることもできます。

[緑の旗が押されたとき]
  ずっと
    [変数 明るさ を 0 にする]
    [明るさ < 255 の間繰り返す]
      [アナログピン 9 に 明るさ を出力する]
      [変数 明るさ を 5 ずつ変える]
      [0.02 秒待つ]

09実践2：ボタンで操作する

次は、入力を扱ってみましょう。タクトスイッチが押されたときだけ、LEDを点灯させます。

ブロックの構成イメージ

[緑の旗が押されたとき]
  ずっと
    もし <ピン 2 を読む = 1> なら
      [ピン 13(17) を 高(オン) にする]
    でなければ
      [ピン 13(17) を 低(オフ) にする]

「もし〜なら」というブロックは、条件分岐の基本です。C++のif文と、まったく同じ役割を果たしています。

独自アイデア：押した回数をカウントする

[緑の旗が押されたとき]
  [変数 カウント を 0 にする]
  ずっと
    もし <ピン 2 を読む = 1> なら
      [変数 カウント を 1 ずつ変える]
      [(カウント) を 1 秒言う]
      [0.3 秒待つ]

ボタンが押されるたびに、カウントという変数が1つずつ増え、その数字が画面に表示されます。

10実践3：明るさセンサーで自動点灯

CdS光センサーという部品があります。明るさを感じる部品です。これを使い、暗くなったら自動でLEDを点灯させる仕組みを作ります。

ブロックの構成イメージ（Arduino＋mBlockの場合）

[緑の旗が押されたとき]
  ずっと
    もし <アナログピン A0 を読む < 300> なら
      [デジタルピン 13 を 高 にする]
    でなければ
      [デジタルピン 13 を 低 にする]

「アナログピンを読む」というブロックが、センサーの値を、0〜1023の数値として取得します。値が300より小さい（＝暗い）ときだけ、LEDを点灯させています。この「入力を感じ取る→判断する→出力で反応する」という流れは、電子工作全般に共通する、基本の型です。Raspberry Piでこの実践をしたい場合は、アナログ値を扱うための追加回路（AD変換IC）が必要になります。GPIOがデジタル入出力を主とする設計のためです。デジタルなON/OFFのセンサー（人感センサーなど）であれば、Raspberry Piでもそのまま扱えます。

11実践4：超音波距離センサーで反応させる

超音波距離センサー（HC-SR04）は、物との距離を測れるセンサーです。デジタル信号でやり取りするため、Raspberry Pi・Arduinoのどちらでも扱えます。mBlockには、このセンサー専用のブロックが用意されています。

ブロックの構成イメージ

[緑の旗が押されたとき]
  ずっと
    [変数 距離 を (超音波センサー Trig:12 Echo:11 の距離) にする]
    もし <距離 < 10> なら
      [ピン 13(17) を 高(オン) にする]
    でなければ
      [ピン 13(17) を 低(オフ) にする]

手を10cmより近づけると、LEDが点灯する仕組みです。「Trig」「Echo」という2本の信号線を使って、距離を測ります。

12次のステップ｜文字のコードへ進むには

Scratchのブロックに慣れてきたら、文字のコードにも挑戦してみましょう。mBlockには便利な機能があります。「Arduinoモード」に切り替えると、組んだブロックがC++のコードとして自動的に変換され、表示されるのです。

例えば、8章で組んだLED点滅のブロックは、次のようなコードに変換されます。

void setup() {
  pinMode(13, OUTPUT);
}

void loop() {
  digitalWrite(13, HIGH);
  delay(1000);
  digitalWrite(13, LOW);
  delay(1000);
}

ブロックと見比べてみましょう。「ピンを高にする」がdigitalWrite(13, HIGH)に、「1秒待つ」がdelay(1000)に対応しています。Raspberry Pi側では、Pythonという言語で、同様の処理を書けるようになります。どちらへ進んでも、Scratchで学んだ考え方は、そのまま活きてきます。

13よくあるトラブルと対処法

14よくある質問

基本のQ&A

応用のQ&A