01｜なぜif文を足すだけでは困るのか

「ボタンを押したらLEDを5秒つける」という課題に、途中停止を追加したとします。さらに再開、完了表示、キャンセルを追加すると、isRunning、isPaused、isDoneなどのフラグが増えていきます。すると「動作中なのに一時停止中でもある」という矛盾した組み合わせを作れるようになります。

有限状態機械（FSM：Finite State Machine）は、現在の状況を限られた状態のうち1つで表し、入力や時間条件に応じて切り替える考え方です。enumで状態に名前を付け、switchでその状態の振る舞いを選びます。C++の特別な自動処理ではなく、動作の整理方法です。

millis()が答えるのは「どれだけ時間が経ったか」。状態が答えるのは「今、その入力をどう扱うか」です。両方を組み合わせると、同じボタンを開始にも再開にも使えます。millis()の基本記事を読んだ後の実践として進めてください。

02｜まず4つの状態と優先順位を決める

状態は4つです。LEDだけでは待機・一時停止・完了を区別できないため、シリアルモニタに状態名を表示します。出力が同じでも、その次の入力への反応が違うなら、別の状態にする意味があります。

ここでいう「同時」は、デバウンス後の入力を同じ更新周期で評価した場合です。物理的な押し始めが同じでも接点の揺れ方は違います。Bが確定するまでの間にAだけが先に確定する可能性はあります。この例のBは学習用キャンセルであり、危険な機械を止める非常停止回路ではありません。

03｜部品と配線：内蔵LED＋ボタン2個

USBを抜いてから配線します。各ボタンは入力ピンとGNDの間に接続します。INPUT_PULLUPを使うため、この構成では外付けプルアップ抵抗を追加する必要はありません。離しているとHIGH、押すとLOWです。Arduino公式：入力モードと内部プルアップも参照してください。

4本足のタクトスイッチは、押さなくても内部でつながっている端子の組があります。同じ組の端子にD2とGNDをつなぐと、常時押下として読まれます。部品のデータシートやテスターで「押したときだけ導通する2点」を確認してください。足の見た目だけで判断しないことが大切です。タクトスイッチの配線と入力の基本も併せて確認できます。

04｜ボタンは「レベル」と「イベント」を分ける

digitalRead(pin) == LOWは「今、押されている」というレベルです。これをそのまま開始・停止の切り替えに使うと、指を離す前にloop()が何度も回り、状態が高速に往復してしまいます。必要なのは、離されていた入力が押下に変わった瞬間のイベントです。

ただし機械式接点は、押した直後に短時間のON/OFFを繰り返すことがあります。これがチャタリングです。Arduino公式のDebounce例でも、時間を使って不要な変化を抑えています。本記事は「生の入力が最後に変化してから25ms以上変わらなければ確定」という方式です。25msはこの教材の初期値であり、すべてのスイッチに対する保証値ではありません。

rawは生の入力、stableは確定した入力、changedAtは生の入力が変わった時刻です。AはstableがLOWに変化した時だけtrueを返します。BはstableがLOWの間ずっとキャンセルを優先します。Bを押したままAを押しても、動作を開始させないためです。

押下だけでなく解放も25msの安定を確認します。短すぎる押下や短すぎる解放をはさんだ連打は、1回ずつ認識されない場合があります。起動時にAを押したままの場合も自動開始せず、一度離してから押し直す仕様です。

05｜コピーして動かす完成スケッチ

1. Arduino IDEで新しいスケッチを開き、下のコード全体に置き換えます。
2. ボードをArduino UNO、対象ポートを選択して書き込みます。
3. シリアルモニタを115200bpsで開きます。ボードが再起動した場合はIDLEから始まります。
4. Aで点灯し、再度Aで消灯して一時停止。さらにAで残り時間から点灯を再開します。
5. Bでキャンセルし、次のAで新しい5秒を始めます。

検証範囲：掲載スケッチをホストC++環境の模擬入出力で検査。Arduino IDEでのAVR向けビルド、実機配線、接点ノイズ、実測タイミングは未検証です。

#include <Arduino.h>
#include <stdint.h>

const uint8_t ACTION_PIN = 2;
const uint8_t CANCEL_PIN = 3;
const uint32_t DEBOUNCE_MS = 25;
const uint32_t RUN_MS = 5000;

enum State { IDLE, RUNNING, PAUSED, DONE };
State state = IDLE;
uint32_t usedMs = 0;
uint32_t runStarted = 0;

struct Button {
  uint8_t pin;
  bool raw;
  bool stable;
  uint32_t changedAt;

  void begin(uint8_t p) {
    pin = p;
    pinMode(pin, INPUT_PULLUP);
    raw = stable = digitalRead(pin);
    changedAt = (uint32_t)millis();
  }

  bool update(uint32_t now) {
    bool sample = digitalRead(pin);

    if (sample != raw) {
      raw = sample;
      changedAt = now;
    }

    if (raw != stable &&
        (uint32_t)(now - changedAt) >= DEBOUNCE_MS) {
      stable = raw;
      return stable == LOW;
    }

    return false;
  }
};

Button actionButton, cancelButton;

void enterState(State next) {
  if (state == next) return;

  state = next;
  Serial.print(F("STATE="));

  switch (state) {
    case IDLE:
      Serial.println(F("IDLE"));
      break;

    case RUNNING:
      Serial.println(F("RUNNING"));
      break;

    case PAUSED:
      Serial.println(F("PAUSED"));
      break;

    case DONE:
      Serial.println(F("DONE"));
      break;
  }
}

void control(uint32_t now, bool actionPressed, bool cancelHeld) {
  // Priority: cancel > completion > action.
  if (cancelHeld) {
    usedMs = 0;
    enterState(IDLE);
    return;
  }

  if (state == RUNNING) {
    uint32_t segment = (uint32_t)(now - runStarted);

    if (segment >= RUN_MS - usedMs) {
      usedMs = RUN_MS;
      enterState(DONE);
      return;
    }
  }

  if (!actionPressed) return;

  switch (state) {
    case IDLE:
    case DONE:
      usedMs = 0;
      runStarted = now;
      enterState(RUNNING);
      break;

    case RUNNING:
      usedMs += (uint32_t)(now - runStarted);
      enterState(PAUSED);
      break;

    case PAUSED:
      runStarted = now;
      enterState(RUNNING);
      break;
  }
}

void setup() {
  pinMode(LED_BUILTIN, OUTPUT);
  digitalWrite(LED_BUILTIN, LOW);

  Serial.begin(115200);

  actionButton.begin(ACTION_PIN);
  cancelButton.begin(CANCEL_PIN);

  Serial.println(F("STATE=IDLE"));
}

void loop() {
  uint32_t now = (uint32_t)millis();

  bool actionPressed = actionButton.update(now);
  cancelButton.update(now);

  control(now, actionPressed, cancelButton.stable == LOW);

  digitalWrite(LED_BUILTIN, state == RUNNING ? HIGH : LOW);
}

06｜一時停止しても残り時間を失わない仕組み

覚える値は、すでに動いた合計時間usedMsと、今回動き始めた時刻runStartedの2つです。動作中の今回の経過時間はnow - runStartedで求めます。一時停止した瞬間だけ、この差をusedMsへ加えます。

これは説明用の例で、計測結果ではありません。実際の一時停止時刻は入力が確定した周期になります。完了判定を先に行うため、通常の制御経路ではusedMsがRUN_MSを超えません。残り時間はRUN_MS - usedMsで計算でき、加算した合計値のオーバーフローを避けて比較できます。

出力を1か所に集める理由

LEDの点灯条件を「RUNNINGのときだけ」とloop()の最後に書いています。各分岐にHIGH/LOWを分散させると、新しい状態を追加したとき消灯処理を書き忘れやすくなります。状態を決める処理と、状態をピン出力に反映する処理を分ければ、対応表と照合しやすくなります。

ログは状態が変わったときだけ

enterState()は状態が変わったときだけ表示します。毎周期の大量出力は送信バッファが埋まったときに待ち時間を生むことがあります。ログを絞ることも、操作への反応を保つ設計の一部です。シリアルモニタでのデバッグ方法へ進むと観察の手順を広げられます。

07｜時間判定とmillis()の周回を理解する

millis()を使うだけで並列処理になるわけではありません。loop()を短い処理で回し、各条件を順番に確認する協調的な構成です。delay()を取り除いても、長いwhile、応答待ちの通信、大量の表示があれば入力の確認は遅れます。

UNO R3ではmillis()の時刻は32ビットの符号なし値として扱われ、2³²ms、計算上約49.71日で周回します。本コードはuint32_tで差を計算します。例えば前回が4,294,967,280、現在が20なら、32ビットの符号なし減算の結果は36msです。

uint32_t elapsed = (uint32_t)(now - started);

if (elapsed >= duration) {
  // 経過時間が到達した
}

now >= started + durationという期限の大小比較は、加算結果が周回したとき意図を外すことがあります。差分方式でも、同じタイマを一周以上更新せず放置した場合の経過時間までは復元できません。本例は短い5秒タイマを通常どおり繰り返し確認する前提です。

delay()は通常のスケッチの進行を待たせますが、すべてのハードウェア機能や割り込みが完全に停止するという意味ではありません。また、millis()は精密な計測器の代替ではありません。ここで得たいのは、ボタンを確認し続けながら時間条件を扱う構造です。

08｜正常系より先に、境界の動作を試す

ホスト環境のテストでは時刻と入力を人工的に与え、開始・完了、一時停止からの再開、キャンセル優先、完了優先、押下の安定化、時刻周回を確認します。これは実機のノイズや配線を再現するものではありません。机上のロジック検査と実機での確認を分けると、「コードは整っているが配線が違う」という問題を見つけやすくなります。

09｜動かないときの切り分け

10｜センサーやモーターへ広げる設計

この設計をセンサーへ広げる場合、センサー値そのものを状態の代わりにしないことがポイントです。「しきい値を超えている」は入力条件、「測定中」「待機中」は装置の状態です。別々に持つと、測定値が変わっても操作の意味を保てます。

モーターをGPIOへ直結せず、適切な駆動回路・電源を用います。人や物に危険を与える機構では、ソフトウェアの入力監視とは独立した安全設計が必要です。本記事の停止ボタンはその代用にはなりません。

拡張するときの設計メモ

「この状態でその入力が来たらどうするか」を表の1行として追加します。未定義の入力は無視するのか、異常にするのか。電源を入れ直したら再開するのか、待機するのか。時間切れと操作が同時ならどちらが勝つのか。コードを書く前に、この3点を決めるだけでも矛盾が減ります。

11｜よくある質問

12｜関連する実践記事と一次資料

次に読む内部リンク

• 時間判定を復習：millis()でdelayを使わない方法
• 入力を復習：タクトスイッチの配線とコード
• 観察する：シリアルモニタのデバッグ活用
• 制作例を増やす：Arduinoコード20選
• 待ち処理を見直す：for文・while文の基本
• 変化を可視化：Pythonでリアルタイムグラフ
• 入力を追加する：センサー30選
• 導入で迷ったら：Arduino IDEのインストール

仕様確認に使う外部リンク・一次資料

• Arduino：Blink Without Delay — 時刻比較で待ち時間を扱う
• Arduino：Debounce — 接点の不要な変化を抑える
• Arduino：INPUT / INPUT_PULLUP / OUTPUT — 入力回路と論理
• Arduino：UNO R3 Blink — 内蔵LEDの操作
• Arduino：millis() — 時刻APIのリファレンス
• Arduino：delay() — 待ち処理のリファレンス
• Arduino AVRコア：wiring.c — millis()の実装
• Arduino：UNO R3 — ボードの公式資料

資料確認日：2026年11月8日。25msのデバウンス、5秒の動作時間、4状態、競合時の優先順位は本教材の設計です。公式の推奨設定や実測結果ではありません。イラスト（接続の概念図を含む）はAI生成の概念図です。端子位置や回路の正確さは本文の接続表を優先してください。