ラズベリーパイ(Raspberry Pi Zero WH)の電子工作で準備する電子部品

ラズベリーパイ（Raspberry Pi Zero WH）で電子工作を始めるには、本体や電源ケーブルだけでなく、LEDや抵抗、ブレッドボードなどの電子部品も必要になります。

この記事では、ラズベリーパイで電子工作を試すときに使う電子部品やパーツを、初心者向けに紹介します。

ラズベリーパイ本体、microSDカード、電源ケーブル、ケースなどの機材については、こちらの記事にまとめています。

まず用意したい電子部品

はじめて電子工作を試すなら、まずは次のあたりをそろえておくと進めやすいです。

• ブレッドボード
• ジャンパーワイヤー
• LED
• 抵抗
• タクトスイッチ
• RGBフルカラーLED

最初からたくさんの部品をそろえる必要はありません。

まずは、LEDを1つ光らせるために必要な部品から始めると、配線やGPIOの使い方を理解しやすいです。

パーツを一つずつ選ぶのが大変な場合は、初心者向けの電子工作キットを使うのも便利です。

ブレッドボード、LED、抵抗、ジャンパーワイヤーなどがまとめて入っているものなら、最初の実験に使いやすいです。

ブレッドボード

ブレッドボードは、はんだ付けをしなくても、穴に電子部品やジャンパーワイヤーを挿すだけで配線できるボードです。

電子工作では、いきなり部品をはんだ付けして固定するのではなく、まずブレッドボード上で動作を確認することが多いです。

配線を間違えても差し替えやすいので、初心者でも試しやすい道具です。

サンハヤトのブレッドボード

ブレッドボードは、品質が安定しているものを選ぶと安心です。

接触不良があると、プログラムや配線が正しくても動かないことがあります。そうなると、原因の切り分けがかなり大変です。

予算に余裕があれば、信頼できるメーカーのブレッドボードを選ぶと、余計なトラブルを減らしやすいです。

価格を抑えたブレッドボード

価格を抑えたブレッドボードもあります。

ただ、ものによっては接触が不安定だったり、内部でうまくつながっていなかったりすることがあります。

安いものを使う場合は、「断線しているかもしれない」「接触が甘いかもしれない」と考えながら確認すると安心です。

はじめはこちらを使っていましたが、途中から接触不良に……。

結局、上のサンハヤトのブレッドボードを買いなおしました。

ミニブレッドボード

もう一つ、小さな工作で便利なのが、このミニブレッドボードです。

小型で扱いやすく、LEDやセンサーを少し試すくらいなら十分使えます。

机の上でも場所を取りにくいので、ちょっとした確認や小さな回路に向いています。

ブレッドボード内の配線

ブレッドボードは、穴がただ並んでいるだけではありません。

内部では、同じ列や電源ラインがつながっています。

このつながりを理解しておくと、どこに部品を挿せばよいか、どこにジャンパーワイヤーをつなげばよいかがわかりやすくなります。

ブレッドボードの基本は、次の3つです。

• 上下の長いラインは、電源やGNDの配線に使う
• 中央のエリアは、同じ横列の穴が内部でつながっている
• 部品やラズベリーパイとは、ジャンパーワイヤーで接続する

最初は、短い配線で小さな回路を作ると確認しやすいです。

ジャンパーワイヤー

ジャンパーワイヤーは、ラズベリーパイ、ブレッドボード、電子部品をつなぐための配線です。

ラズベリーパイのGPIOピンとブレッドボードをつないだり、ブレッドボード上で部品同士をつないだりするときに使います。

20cmのジャンパーワイヤーセット

ラズベリーパイとブレッドボードをつなぐなら、少し長めのジャンパーワイヤーがあると便利です。

オス－メス、オス－オス、メス－メスのセットがあると、使える場面が増えます。

短いジャンパーワイヤーセット

ブレッドボード上の配線には、短いジャンパーワイヤーも便利です。

長い線ばかりだと、回路がごちゃごちゃして確認しにくくなります。

短い線を使うと、ブレッドボード上の配線がすっきりします。

LED

LED（発光ダイオード）は、電流を流すと光る部品です。

ラズベリーパイの電子工作では、最初に試しやすい部品のひとつです。

プログラムからGPIOを操作してLEDを点灯させると、「プログラムで電子部品を動かしている」ことが目で見てわかります。

LEDのプラスとマイナス

LEDには向きがあります。

長い足がプラス側のアノード、短い足がマイナス側のカソードです。

基本的には、プラス側から電流を入れて、マイナス側へ流します。

LED本体の平らな面がある側も、マイナス側を見分ける目印になります。

赤色LED

最初に試すなら、赤色LEDなどのシンプルなLEDで十分です。

本サイトでは、秋月電子通商で購入した3mmの赤色LEDを使っています。

LEDの色やサイズはいろいろありますが、まずは1色のLEDを使って、点灯・消灯を確認するところから始めるとわかりやすいです。

LEDは抵抗とセットで使う

LEDを直接つなぐと、電流が流れすぎてLEDやラズベリーパイを壊してしまう可能性があります。

そのため、LEDを使うときは抵抗も一緒に使うのが基本です。

電流の流れは、たとえば次のようになります。

GPIO → 抵抗 → LED → GND

抵抗を入れることで、LEDに流れる電流を制限できます。

最初は、LEDと抵抗をセットで使うと覚えておくと安心です。

LEDの足をカットする

LEDの足は長いので、そのままだと隣の部品や配線に触れてしまうことがあります。

ショートを防ぐためにも、必要に応じてニッパーでカットします。

カットするときは、プラス側とマイナス側がわからなくならないように、少しだけ長さを変えておくと見分けやすいです。

抵抗

抵抗は、電流を調整するために使う部品です。

LEDを光らせるときは、電流が流れすぎないように抵抗を入れます。

抵抗にはプラス・マイナスの向きはありません。

こちらもLEDと同様、長すぎる端子はカットして使用します。

抵抗値の見方

抵抗には色の帯が付いていて、この色で抵抗値がわかります。

色の帯を暗記する必要はありません。

さまざまな大きさの抵抗があり、回路によって計算して使い分けます。

最初のうちは、抵抗カラーコードの早見表や計算ツールを見ながら確認すれば大丈夫です。

抵抗は、1種類だけを大量に買うより、いくつかの抵抗値が入ったセットのほうが使いやすいと思います。

タクトスイッチ

タクトスイッチは、押している間だけONになる小さなスイッチです。

ボタンを押したらLEDを光らせる、ボタンを押したらプログラムを動かす、といった入力に使えます。

スイッチを使うと、ラズベリーパイに「人が操作した」という入力を送れるようになります。

初心者向けの実験では、LEDと並んでよく使う部品です。

タクトスイッチは、押していないときは回路が切れていて、押している間だけ内部がつながります。

ただし、足の向きやブレッドボードへの挿し方によって、つながり方が変わります。

うまく反応しないときは、プログラムだけでなく、スイッチの向きや配線も確認してみてください。

最初は、ブレッドボードの中央の溝をまたぐように置くと確認しやすいです。

RGBフルカラーLED

RGBフルカラーLEDは、1つのLEDの中に赤・緑・青のLEDチップが入っている部品です。

こちらの写真のLEDは、7色に光る5mmのフルカラーLEDです。

赤、緑、青の光を組み合わせることで、いろいろな色を表現できます。

こちらは、光の3原色です。

ON・OFFだけでも、赤、緑、青、黄色、水色、マゼンタ、白などを表現できます。

この図のようにON・OFFだけだと7色、中間色も出力できると、多くの色を表現することができます。

さらに明るさを細かく調整できると、より多くの色を作れます。

アノードコモンとカソードコモン

フルカラーLEDには、主に次の2種類があります。

• アノードコモン：プラス側が共通
• カソードコモン：マイナス側が共通

使うLEDがどちらのタイプかによって、GPIOからの制御方法が変わります。

カソードコモンの場合は、GPIOをHIGHにすると点灯します。
アノードコモンの場合は、GPIOをLOWにすると点灯します。

製品によってピンの並びも違うことがあるため、使う前にデータシートや商品ページを確認すると安心です。

LED光拡散キャップ

LEDに光拡散キャップをつけると、光がやわらかく広がって見えます。

そのままのLEDは光が一点に強く見えることがありますが、キャップを付けると見た目が少しやさしくなります。

フォトリフレクタ（反射型フォトセンサ）

フォトリフレクタは光の反射を使って、近くにある物の有無や位置、色などを検知できるセンサーです。

たとえば、ロボットが床の線を読む、物が近づいたことを検知する、といった使い方ができます。

詳しい使い方はこちらの記事で紹介しています。

7セグメントLED

7セグメントLEDは、数字を表示するための部品です。

こちらの写真の小型３桁青色７セグメントＬＥＤ表示器 7mm高 アノードコモン アノード共通接続 は、きれいな色で数字が表現できる表示器です。

7つのバーと小数点用のLEDを組み合わせて、数字を表現します。

たとえば、数字の「3」を表示する場合は、A、B、C、D、Gを点灯させます。

ピンの配列は、部品によって決まっています（6番のピンはとんでいてありません）。

内部の配線は、次のようになっています。

3桁の7セグメントLEDをそのまま表示すると、3桁とも同じ数字が出てしまいます。

そこで、1桁ずつ違う数字を高速に切り替えて表示し、人の目には3桁が同時に表示されているように見せます。

この方法を、ダイナミック点灯といいます。

7セグメントLEDにも、アノードコモンとカソードコモンがあります。

使用する部品に合わせて、点灯条件や配線を確認してください。

６回路シュミットトリガインバータ 74HC14

74HC14は、インバーターが6個入っているICです。

インバーターは、HIGHをLOWに、LOWをHIGHに変える回路です。

そのため、74HC14を通した信号は、入力と出力が反対になります。

この「信号が逆転する」点には注意が必要ですが、ゆらぎのある信号をHIGH/LOWのはっきりしたデジタル信号に整えることができます。

ただし、ADコンバータのようにアナログ値を数値として読み取る部品ではありません。

明るさや距離などの細かい変化を数値として扱いたい場合は、ADコンバータを使います。

センサーの信号が不安定なときや、入力を安定させたいときに役立ちます。

74HC14のピン配列はこちらです。インバーター6個の接続が分かります。

詳細はデータシートを参照してください。

ICは向きがあるので、切り欠きや印を確認して差し込みます。

動作が不安定になってしまうときは、しっかり奥までささっているか確認してください。

ADコンバータ MCP3002

ADコンバータは、アナログ信号をデジタル信号に変換するためのICです。

ラズベリーパイのGPIOは、基本的にデジタル信号を扱います。

そのため、明るさや距離など、連続的に変化するアナログ信号を読みたいときは、ADコンバータを使います。

ADコンバータを使うときは、Raspberry PiのSPI通信を利用します。

SPI（Serial Paripheral Interface）とは、少ない信号線で高速にデータの送受信ができる規格です。

ラズベリーパイでSPI通信を利用するには、以下のいずれかの方法でSPIを有効に設定する必要があります。

設定方法は環境によって変わることがあるため、実際に作業するときは使っているOSの画面や公式情報も確認してください。

MCP3002のピン配列はこちらです。

各ピンの名前とRaspberry Pi Zero WHへの接続先です。

SPI通信を利用する場合、ラズベリーパイに接続するGPIO番号が決まっています。

No.	名称	接続先
1	CS/SHDN チップ・セレクト/CS	GPIO8(24) / GPIO7(26)
2	CH0	アナログ信号入力1
3	CH1	アナログ信号入力2
4	Vss	GND
5	Din データ出力 MOSI Master Out Slave In	GPIO10(19)
6	Dout データ入力 MISO Master In Slave Out	GPIO9(21)
7	CLK クロック SCLK Serial CLocK	GPIO11(23)
8	Vdd/Vref	電源3.3V

8ビットシフトレジスタ 74HC595

8ビットシフトレジスタは、少ないGPIOピンで複数の出力を扱うために使えるICです。

これを利用することでGPIOを節約することができます。

シリアルデータ入力をパラレル出力（1つのピンに入力した信号を、8つのピンに出力）することができます。

たとえば、1本道を走ってきた8台の車が、

8本のコースの位置について、Go！で一斉に走り出すようなイメージです。

ピン配列はこちらです。

各ピンの名称と役割です。

1~7, 15	QA~QH	パラレル出力
8	GND	グランド
9	QH*	直列に74HC595を接続する際に次の74HC595のSER端子に接続
10	SRCLR	shift register clear  Loのままクロックを送信すると、シフトレジスタの中身が全て０になる
11	SRCLK	shift register clock  シフトレジスタクロック  LOWからHIGHになるときに内部シフトレジスタをシフトし、最下位ビットにSERの内容を追加
12	RCLK	strage register clock  ラッチクロック ストレージレジスタのクロック信号 内部のシフトレジスタを実際に外の端子に出力
13	OE	output enable  出力の有効化 GNDに接続する
14	SER	serial input   シリアルデータ入力
16	Vcc	3.3V電源

使用方法は、出力したい８ビットのデータを上位ビットからSERに入力します。

具体的には、SERにHIGH(1) or LOW(0)を入力し、SRCLKをLOW(0)からHIGH(1)に切り替えることで、1ビットのデータを入力できます。

これを8回繰り返します(8ビットのデータを送信)。

最後にRCLKを LOW(0)からHIGH(1)に切り替えると、1ビットずつQA~QHのピンに出力されます。

温湿度センサ DHT11

温湿度センサ（DHT11）は、温度と湿度を同時に測ることができるセンサーです。

DHT11には4本のピンがあります。

その構成は、左から

① VDD(3.3V～5.5Vの電圧を供給する)

② DATA(データ　4.7kΩのプルアップ抵抗が必要)

③ NC（Non-Connected = 非接続）

④ GND(グラウンドにつなぐ)

となっています。

プルアップ抵抗とは

信号入力がHIGHでもLOWでもない不安定な状態になると、誤動作の原因になることがあります。

プルアップ抵抗は、信号を電源側に引き上げて、OFFのときでも状態を安定させるために使います。

抵抗を入れずに電源とGNDが直接つながると、ショートしてしまいます。

そのため、プルアップ抵抗を入れて安全に信号を安定させます。

GND側に抵抗を入れて、信号をLOW側に安定させる方法は、プルダウン抵抗といいます。

モータードライバー TA7291P

モータードライバーは、モーターの回転方向や回転速度を制御するためのICです。

モーターは、ラズベリーパイのGPIOから直接動かすには大きな電流が必要です。

そのため、モーターを動かすときは、モータードライバーを使って、外部電源からモーターに電力を供給します。

モータードライバーを使うと、

• モーターを正転させる
• モーターを逆転させる
• 回転速度を調整する
• ラズベリーパイとは別の電源でモーターを動かす

といったことができます。

各ピンの名称と役割です。

TA7291P側	Raspberry Pi側
（1）GND	GND（Raspberry Piと外部電源共通）
（2）OUT1	モーターの片方に接続
（3）NC	非接続
（4）Vref	制御電源 （使わない場合、10kΩの抵抗を経由して8ピンに接続）
（5）IN1	GPIO (ON or PWM モーター正転)
（6）IN2	GPIO (ON or PWM モーター反転)
（7）Vcc	ロジック側電源4.5～20V (外部電源のプラス)
（8）Vs	モーター用電源0～20V (外部電源のプラス)
（9）NC	非接続
（10）OUT2	モータのもう一方に接続

モーターを扱うときは、ラズベリーパイ本体に大きな電流を流さないように注意します。

ラズベリーパイ用カメラモジュール

ラズベリーパイ用のカメラモジュールを使うと、写真や動画を撮影できます。

ロボットに取り付けると、ロボット目線の映像を確認できるようになります。

2592 x 1944ピクセルの静止画像、1080p / 30 fps といった動画撮影をサポート。画像・画質も十分で、接続用のコードも付属されています。

透明のアクリルケースホルダーは、こちらのYoutube動画を参考にしたら、簡単に組み立てられました。

コスパ◎で、とってもおすすめです。

カメラモジュールは、ロボットをスマホから操作する工作でも使用しています。

チェーンプログラムロボット

チェーンプログラムロボットは、プラモデルのように組み立てて動かせるロボットです。

電池を入れて動かします。

付属のグレーのチェーンを組み合わせることで、「前進」、「右カーブ」、「左カーブ」といった動きをプログラムできます。

規則的に小さな穴が開いていて、パーツの組み換えも簡単なので、必要に応じたカスタマイズができます。

このロボットを使って、ラズベリーパイから操作する工作に使っています。

ユニバーサルプレート

ユニバーサルプレートは、ロボットや電子部品を取り付ける土台として使える工作用プレートです。

穴がたくさん開いているので、ねじやパーツを取り付けやすく、工作の幅が広がります。

好きな大きさでカットできるのに丈夫で、接続用のパーツもあるユニバーサルプレートは、簡単に工作ができるのでとても便利です。

上で紹介したチェーンプログラムロボットをカスタマイズするときにも使っています。

こちらの商品は透明なので他のパーツと色が喧嘩しないので、使いやすいです。

タミヤ 特別企画商品 透明 ユニバーサルプレートセット

こちらもおすすめです。

まとめ

ラズベリーパイで電子工作を始めるときは、まず基本の電子部品からそろえると進めやすいです。

最初に用意したいのは、次のような部品です。

• ブレッドボード
• ジャンパーワイヤー
• LED
• 抵抗
• タクトスイッチ
• RGBフルカラーLED

このあたりがあれば、LEDを光らせたり、ボタン入力を試したり、簡単な回路を作ったりできます。

慣れてきたら、センサー、7セグメントLED、ADコンバータ、シフトレジスタ、モータードライバーなどを使うことで、できることが広がっていきます。

電子部品は、最初は少し難しく見えるかもしれません。

でも、1つずつ役割を確認しながら使っていくと、少しずつ回路の意味が見えてきます。

まずは、ブレッドボードにLEDと抵抗を挿して、1つ光らせるところから始めるのがおすすめです。

ラズベリーパイ本体や電源ケーブルなど、電子工作に必要な機材はこちらの記事にまとめています。

次は、Raspberry Pi Zero WHを使えるように初期設定をしていきます。

ラズベリーパイの概要はこちらです。

制作ノート全体はこちらです。