Arduino MegaでPWM制御：プッシュボタン付きLEDフェード制御チュートリアル

プロジェクト概要

ArduinoのPWM（パルス幅変調）機能を使ってLEDの明るさを滑らかに変化（フェード）させる手法を、段階的に3つのレベルで解説します。初心者でも理解しやすいよう、基本のフェード→ボタン連動→ボタン長押し中のみ動作する改良版へとステップアップします。

必要な部品

部品	数量	備考
Arduino Mega 2560	1	Uno/NanoでもPWMピンがあれば可
ブレッドボード	1
ジャンパーワイヤー	11本程度	配線方法による
LED（赤・黄・緑推奨）	各1	色は任意
タクトスイッチ 12mm	1
330Ω 抵抗	4	LED用3本＋ボタン用プルダウン1本

ソフトウェア

• Arduino IDE

ステップ1：基本のLEDフェード（信号灯パターン）

回路図

LEDのアノードを各PWMピン（D9, D6, D3）へ、カソードを330Ω抵抗経由でGNDへ接続。PWM対応ピンなら番号変更可能（コードも要修正）。

コード解説

int ledRed = 9;
int ledYellow = 6;
int ledGreen = 3;
const int fade = 10;  // フェード速度の共通定数

void setup() {
  pinMode(ledRed, OUTPUT);
  pinMode(ledYellow, OUTPUT);
  pinMode(ledGreen, OUTPUT);
}

void loop() {
  // 赤：フェードイン→フェードアウト
  for (int i = 0; i <= 255; i++) { analogWrite(ledRed, i); delay(fade); }
  for (int i = 255; i >= 0; i--) { analogWrite(ledRed, i); delay(fade); }
  // 黄：同上
  for (int i = 0; i <= 255; i++) { analogWrite(ledYellow, i); delay(fade); }
  for (int i = 255; i >= 0; i--) { analogWrite(ledYellow, i); delay(fade); }
  // 緑：同上
  for (int i = 0; i <= 255; i++) { analogWrite(ledGreen, i); delay(fade); }
  for (int i = 255; i >= 0; i--) { analogWrite(ledGreen, i); delay(fade); }
  // 黄：再度（信号灯サイクル完成）
  for (int i = 0; i <= 255; i++) { analogWrite(ledYellow, i); delay(fade); }
  for (int i = 255; i >= 0; i--) { analogWrite(ledYellow, i); delay(fade); }
}

ポイント：const int fadeで遅延時間を一元管理。変更時は1箇所修正するだけで全フェード速度が変わります。analogWrite(pin, 0-255)でPWMデューティ比を制御し、0=消灯、255=最大輝度。

ステップ2：プッシュボタンでフェード開始

回路追加

タクトスイッチの片足をD7へ、もう片足を5Vへ。D7とGND間に330Ω抵抗でプルダウン（押下時HIGH）。

コードの変更点

• fadeLights()関数を新設し、フェードシーケンスを分離
• loop()でボタン状態監視：押下検出→チャタリング対策15ms待機→再確認後fadeLights()呼出
• 非押下時は緑LED点灯（デフォルト状態）

int ledRed = 9, ledYellow = 6, ledGreen = 3;
int button = 7;
const int fade = 10;

void setup() {
  pinMode(ledRed, OUTPUT);
  pinMode(ledYellow, OUTPUT);
  pinMode(ledGreen, OUTPUT);
  pinMode(button, INPUT);
  digitalWrite(ledRed, LOW);
  digitalWrite(ledYellow, LOW);
  digitalWrite(ledGreen, HIGH);  // 起動時は緑点灯
}

void loop() {
  if (digitalRead(button) == HIGH) {
    delay(15);  // ソフトウェアチャタリング対策
    if (digitalRead(button) == HIGH) {
      fadeLights();  // ボタン押下中に1サイクル実行
    }
  } else {
    digitalWrite(ledRed, LOW);
    digitalWrite(ledYellow, LOW);
    digitalWrite(ledGreen, HIGH);
  }
}

void fadeLights() {
  // 緑フェードアウト→黄フェードイン/アウト→赤フェードイン/アウト→黄フェードイン/アウト→緑フェードイン
  for (int i = 255; i >= 0; i--) { analogWrite(ledGreen, i); delay(fade); }
  for (int i = 0; i <= 255; i++) { analogWrite(ledYellow, i); delay(fade); }
  for (int i = 255; i >= 0; i--) { analogWrite(ledYellow, i); delay(fade); }
  for (int i = 0; i <= 255; i++) { analogWrite(ledRed, i); delay(fade); }
  for (int i = 255; i >= 0; i--) { analogWrite(ledRed, i); delay(fade); }
  for (int i = 0; i <= 255; i++) { analogWrite(ledYellow, i); delay(fade); }
  for (int i = 255; i >= 0; i--) { analogWrite(ledYellow, i); delay(fade); }
  for (int i = 0; i <= 255; i++) { analogWrite(ledGreen, i); delay(fade); }
}

ステップ3：ボタン長押し中のみフェード（即時停止対応）

課題

ステップ2では、一度fadeLights()が始まるとボタンを離しても関数が終わるまで動作し続けます。これを「押している間だけ動く」ように改良します。

解決策：遅延ループ内でボタン監視

delay(fade)を、空ループ＋ボタンチェックに置き換えます。各フェードステップごとにボタン状態を確認し、離されていればreturnで即座に関数脱出。

void fadeLights() {
  // 緑フェードアウト
  for (int i = 255; i >= 0; i--) {
    analogWrite(ledGreen, i);
    for (int y = 0; y < 1000; y++) {  // 約10μs×1000=10ms相当の遅延
      if (digitalRead(button) == LOW) return;
    }
  }
  // 黄フェードイン
  for (int i = 0; i <= 255; i++) {
    analogWrite(ledYellow, i);
    for (int y = 0; y < 400; y++) {
      if (digitalRead(button) == LOW) return;
    }
  }
  // 黄フェードアウト
  for (int i = 255; i >= 0; i--) {
    analogWrite(ledYellow, i);
    for (int y = 0; y < 400; y++) {
      if (digitalRead(button) == LOW) return;
    }
  }
  // 赤フェードイン
  for (int i = 0; i <= 255; i++) {
    analogWrite(ledRed, i);
    for (int y = 0; y < 1000; y++) {
      if (digitalRead(button) == LOW) return;
    }
  }
  // 赤フェードアウト
  for (int i = 255; i >= 0; i--) {
    analogWrite(ledRed, i);
    for (int y = 0; y < 1000; y++) {
      if (digitalRead(button) == LOW) return;
    }
  }
  // 黄フェードイン/アウト（高速）
  for (int i = 0; i <= 255; i++) {
    analogWrite(ledYellow, i);
    for (int y = 0; y < 400; y++) {
      if (digitalRead(button) == LOW) return;
    }
  }
  for (int i = 255; i >= 0; i--) {
    analogWrite(ledYellow, i);
    for (int y = 0; y < 400; y++) {
      if (digitalRead(button) == LOW) return;
    }
  }
  // 緑フェードイン
  for (int i = 0; i <= 255; i++) {
    analogWrite(ledGreen, i);
    for (int y = 0; y < 1000; y++) {
      if (digitalRead(button) == LOW) return;
    }
  }
}

注意：空ループ回数（1000や400）は環境により調整必要。delayMicroseconds()やmillis()ベースの非ブロッキング実装の方がより正確ですが、学習用としてこの手法も理解しやすいです。

トラブルシューティング

• LEDが点かない：極性確認（アノード=長い足→PWMピン）、抵抗値確認、ピン番号とコードの一致確認
• 順序がおかしい：配線とコードのピン割り当て不一致
• ボタン反応が不安定：プルダウン抵抗未接続、またはチャタリング対策不足

発展アイデア

• ポテンショメーターでフェード速度を可変
• RGB LEDでフルカラーフェード
• millis()を使った非ブロッキング実装への書き換え
• 複数ボタンで異なるパターン選択