【プログラミング自由研究】初心者キットで作る「自分仕様の信号機」｜LED3色をプログラムで動かす1日完結ガイド

画面の中だけじゃない、物理が動くプログラミングの自由研究

学校でScratchをやってるんだけど、自由研究では画面の中だけじゃなくて、もう少し本物っぽいプログラミングをやってみたいんだ。

いい目線だね。プログラムで物理を動かす体験は、Scratchから次のステップとして最高なんだ。今日は「自分仕様の信号機」を作るよ。LED3色を順番に光らせて、しかも時間配分は自分で自由に決められるんだ。

今回は、プログラミングを使った自由研究をやってみたい小中学生のお子さんに向けて、Arduino初心者キットだけで作れる「自分仕様の信号機」の作り方を紹介します。

赤・黄・緑のLED3色を、プログラムで決めたタイミングで光らせる装置です。本物の信号機の時間を測って同じように作ってもいいし、自分の家の前の通り用に短いサイクルにしてもOK。3つの時間設定を書き換えるだけで動きが変わる、自由研究にぴったりの題材です。

この記事で作るもの

赤・黄・緑のLEDが信号機の順番で光る
歩行者用ボタンを押すと、黄色を1秒挟んでから赤に切り替わる
時間配分は緑・黄・赤の3つの数字を変えるだけで調整できる
シリアルモニタで現在の状態が分かる

使う部品

部品	役割	個数
Arduino UNO R3	装置の頭脳	1
LED (赤、黄、緑)	信号3色	各1
抵抗330Ω	LEDを保護	3
タクトスイッチ	歩行者ボタン	1
ブレッドボード	配線をする台	1
ジャンパーワイヤー	つなぐ線	9〜10本

プログラミング自由研究としての見どころ

この作例は「プログラムを書き換えると、装置の動きが変わる」体験そのものが研究テーマになります。本物の信号機を観察して、同じ時間配分を再現する、という工程まで含めるとレポートが厚くなります。

研究の流れ

近所の信号機を観察して、赤・黄・緑の秒数を測る
その時間を、Arduinoのプログラムに書き込む
実物と並べて、同じ動きをするか比べる
もし違ったら、原因を考えて修正する

配線図 (ブレッドボード)

        a b c d e
       +─────────+
[+]rail| . . . . . | ← 5V (使わない)
[-]rail| . . . . . | ← GND (Arduino GND から)
       +─────────+
row 3  | X . . . . | ← SW 片足 (D2)
row 5  | X . . . . | ← SW 反対足 ([-]rail)
row 9  | X . . . . | ← 330Ω 上足 (D11 から)
row 10 | X . . . . | ← 330Ω 下足+赤LED アノード
row 12 | X . . . . | ← 赤LED カソード ([-]rail)
row 15 | X . . . . | ← 330Ω 上足 (D12 から)
row 16 | X . . . . | ← 330Ω 下足+黄LED アノード
row 18 | X . . . . | ← 黄LED カソード ([-]rail)
row 21 | X . . . . | ← 330Ω 上足 (D13 から)
row 22 | X . . . . | ← 330Ω 下足+緑LED アノード
row 24 | X . . . . | ← 緑LED カソード ([-]rail)
       +─────────+

部品同士のつながり

Arduino      役割
  D2  ←──   歩行者ボタン
  D11 ──→   330Ω → 赤LED → GND
  D12 ──→   330Ω → 黄LED → GND
  D13 ──→   330Ω → 緑LED → GND

歩行者ボタンは内蔵プルアップを使うので、片足をD2に、もう片足をGNDに繋ぐだけです。LEDは色が違っても回路の組み方は同じなので、3色とも同じパターンの配線になります。

プログラム

#define RED_PIN 11
#define YELLOW_PIN 12
#define GREEN_PIN 13
#define BUTTON_PIN 2

// 各色の点灯時間 (ミリ秒) — ここを変えて自分仕様に!
int greenTime = 5000;
int yellowTime = 2000;
int redTime = 5000;

void setup() {
  Serial.begin(9600);
  pinMode(RED_PIN, OUTPUT);
  pinMode(YELLOW_PIN, OUTPUT);
  pinMode(GREEN_PIN, OUTPUT);
  pinMode(BUTTON_PIN, INPUT_PULLUP);
  Serial.println("信号機 スタート!");
}

void loop() {
  showState("緑");
  digitalWrite(GREEN_PIN, HIGH);
  if (waitOrButton(greenTime)) { switchToRed(); return; }
  digitalWrite(GREEN_PIN, LOW);

  showState("黄");
  digitalWrite(YELLOW_PIN, HIGH);
  delay(yellowTime);
  digitalWrite(YELLOW_PIN, LOW);

  showState("赤");
  digitalWrite(RED_PIN, HIGH);
  delay(redTime);
  digitalWrite(RED_PIN, LOW);
}

// ボタンが押されたら true を返す (= 緊急で赤へ)
bool waitOrButton(int ms) {
  unsigned long start = millis();
  while (millis() - start < (unsigned long)ms) {
    if (digitalRead(BUTTON_PIN) == LOW) return true;
  }
  return false;
}

void switchToRed() {
  digitalWrite(GREEN_PIN, LOW);
  showState("黄 (歩行者ボタン)");
  digitalWrite(YELLOW_PIN, HIGH);
  delay(1000);
  digitalWrite(YELLOW_PIN, LOW);

  showState("赤 (歩行者ボタン)");
  digitalWrite(RED_PIN, HIGH);
  delay(redTime);
  digitalWrite(RED_PIN, LOW);
}

void showState(const char* state) {
  Serial.print("[状態] ");
  Serial.println(state);
}