第 11 章　スイッチ入力¶

ボタンやタクトスイッチで マイコンに入力を渡す 回路を扱います。LED（第 10 章）が最も壊しやすい出力なら、スイッチは 最も誤動作しやすい入力 です。抵抗 1 本を省略するだけで挙動が不安定になる、配線上は地味ですが重要な章です。

代表ボード：Arduino Uno R3

この章で壊しやすい・失敗しやすいもの

マイコンの GPIO（オープン入力で誤動作、最悪 ESD で破壊）
スイッチの読み取り（チャタリング＝スイッチの接点が押下の瞬間に数 ms だけ急速に ON/OFF を繰り返す物理現象。1 回押したのに 3 回反応してしまう原因になる。詳しくは §6）
誤配線による即座のショート（スイッチで VCC と GND を直結してしまう）

この章のゴール¶

プルアップ／プルダウン抵抗 がなぜ必要かを第 3 章 §4 の V_IH / V_IL から説明できる
内蔵プルアップ（INPUT_PULLUP）の使い方を押さえる
チャタリング をソフトとハードの両方で対策できる

1. 動機：スイッチだけでは「押していない状態」が決まらない¶

LED と違って、スイッチは 「電気的に 2 状態のある部品」ではない。ボタンが押されていないときに、GPIO が何 V になるかは 抵抗が決める のです。

ボタンを押す = 2 点の端子が導通
ボタンを押さない = 2 点の端子が 電気的に切り離されただけ（GPIO は "浮いた"（floating）状態）

浮いた GPIO 入力 が何を読むかは、周囲の電磁ノイズ・手の湿度・近くの配線の電位で決まります。まったく予測不能です。

2. 素朴な（NG）回路：スイッチだけで GPIO と GND を繋ぐ¶

NG 例¶

Arduino Uno の D2 ピンとタクトスイッチの一方、スイッチのもう一方を GND に接続。抵抗なし。

    D2 ─── [スイッチ] ─── GND

NG コード¶

void setup() {
  pinMode(2, INPUT);        // ← 内蔵プルアップを有効化していない
  Serial.begin(9600);
}

void loop() {
  int state = digitalRead(2);
  Serial.println(state);
  delay(100);
}

何が起きるか¶

スイッチを押した瞬間：D2 が GND に繋がる → digitalRead は LOW を返す（これは正しい）
スイッチを押していないとき：D2 はどこにも繋がっていない（浮き）→ digitalRead は HIGH か LOW かランダムに返す（正しくない）

シリアルモニタには、スイッチに触っていないのに 0 と 1 が揺れ動く表示が出ます。

3. なぜダメか：V_IH / V_IL の不定領域¶

3.1 デジタル入力のしきい値（第 3 章 §4 再掲）¶

ATmega328P（VCC = 5V）での入力判定:

V_IL max. = 1.5 V（これ以下なら LOW と判定）
V_IH min. = 3.0 V（これ以上なら HIGH と判定）
1.5〜3.0 V の範囲は「不定領域」 — HIGH と LOW のどちらに読まれるか保証されない

3.2 浮き入力の危険性¶

配線されていない GPIO は、周囲の電磁ノイズを拾って 1.5〜3.0 V の不定領域を彷徨います。結果:

読み値がランダムに 0/1 を切り替わる
内部で HIGH/LOW の判定が揺れ 、貫通電流による発熱が発生（消費電流が増える）
人の手が近づいただけで電位が変わる（人体がアンテナになる）

これを防ぐために、スイッチが開いているときに GPIO を 5V または 0V に確実に引っ張る抵抗 が必要です。

4. 正しい回路：プルアップ or プルダウン¶

プルアップ抵抗とプルダウン抵抗

4.1 プルアップ方式（推奨）¶

スイッチ未押下：GPIO は HIGH（抵抗経由で VCC に繋がっている）
スイッチ押下：GPIO は LOW（スイッチが GND に直接繋ぐ）

4.2 プルダウン方式¶

スイッチ未押下：GPIO は LOW
スイッチ押下：GPIO は HIGH

どちらも機能的には等価ですが、プルアップが業界標準 です。理由は:

CMOS 入力は 1 が「浮いた」電位に近いので、GND に引くほうがノイズマージンが大きい
多くのマイコンに内蔵プルアップがあり、外付け抵抗が省ける
スイッチの信号コード規約で LOW = アクティブが慣用

4.3 抵抗値の選び方¶

プルアップ／プルダウンとも、10 kΩ が定番です。理由:

大きすぎる（100 kΩ 以上） → ノイズ感受性が上がる、反応が遅くなる
小さすぎる（1 kΩ 以下） → スイッチ押下時の電流（5V / 1kΩ = 5mA）が過剰、電力の無駄
10 kΩ は両者のバランス良し、電流は 0.5 mA 程度で負担小

5. 内蔵プルアップを使う（Arduino のおすすめ）¶

Arduino Uno（ATmega328P）は すべての GPIO に内蔵プルアップ抵抗（約 20〜50 kΩ） を持っています。INPUT_PULLUP モードで有効化できます。

5.1 正しいコード（内蔵プルアップ使用）¶

// 配線：D2 ─── [スイッチ] ─── GND
//       （外付け抵抗なし、マイコン内蔵プルアップを使う）

const int BUTTON_PIN = 2;
const int LED_PIN = 13;

void setup() {
  pinMode(BUTTON_PIN, INPUT_PULLUP);  // 内蔵プルアップ有効
  pinMode(LED_PIN, OUTPUT);
  Serial.begin(9600);
}

void loop() {
  int state = digitalRead(BUTTON_PIN);
  // INPUT_PULLUP なので、押下 = LOW / 未押下 = HIGH
  digitalWrite(LED_PIN, state == LOW ? HIGH : LOW);
  Serial.println(state);
  delay(50);
}

5.2 メリット¶

外付け抵抗が不要 — 配線がシンプル
ブレッドボード上のジャンパが 2 本減る — 組立ミスが減る
どんなマイコンでも使える一般的な機能（ESP32、RP2040 など）

まず INPUT_PULLUP を試す

外付け抵抗にこだわる理由は通常ありません。Arduino 系ではまず INPUT_PULLUP を使い、問題があれば外付けに変える のが実用的です。ノイズが多い環境や、内蔵プルアップが弱すぎて 5V まで上がらない ようなときだけ外付けを検討します。

6. チャタリング（バウンス）対策¶

6.1 チャタリングとは¶

機械的なスイッチの接点は、押下時に 数 ms〜数十 ms のあいだ、急速に ON/OFF を繰り返します。これが チャタリング（bounce） です。デジタル入力としては、1 回押したのに複数回反応する トラブルの原因になります。

6.2 ソフトウェアでのチャタリング対策（推奨）¶

delay() を使う素朴な方法よりも、millis() で時間経過を管理する ほうが他の処理を止めないので実用的です。

const int BUTTON_PIN = 2;
const int LED_PIN = 13;

int lastButtonState = HIGH;       // 前回の読み値
int buttonState = HIGH;           // 確定した状態
unsigned long lastDebounceTime = 0;
const unsigned long DEBOUNCE_MS = 20;   // 20 ms 安定したら確定

bool ledOn = false;

void setup() {
  pinMode(BUTTON_PIN, INPUT_PULLUP);
  pinMode(LED_PIN, OUTPUT);
  Serial.begin(9600);
}

void loop() {
  int reading = digitalRead(BUTTON_PIN);

  // 前回と違う値を読んだらタイマ開始
  if (reading != lastButtonState) {
    lastDebounceTime = millis();
  }

  // 20 ms 変化がなければ確定
  if ((millis() - lastDebounceTime) > DEBOUNCE_MS) {
    if (reading != buttonState) {
      buttonState = reading;
      if (buttonState == LOW) {
        // 立ち下がりエッジ（押された瞬間）で LED トグル
        ledOn = !ledOn;
        digitalWrite(LED_PIN, ledOn ? HIGH : LOW);
        Serial.println(ledOn ? "ON" : "OFF");
      }
    }
  }

  lastButtonState = reading;
}

6.3 ハードウェアでのチャタリング対策¶

低レベル回路でチャタリングを吸収する方法:

RC フィルタ：スイッチと GND の間に並列に 0.1 μF コンデンサ を入れる（プルアップ抵抗 10 kΩ と組み合わせて時定数 1 ms のローパスフィルタ）
シュミットトリガ IC（74HC14 等）：立ち上がり／立ち下がりでヒステリシスを持たせて、不定領域を通過するときの揺らぎを吸収

一般用途ではソフトウェアで十分 です。ハードウェア対策は、割り込みで即反応する必要がある場面（モータの緊急停止など）で使います。

7. 動作確認チェックリスト¶

7.1 電源投入前¶

配線が GPIO → スイッチ → GND になっている（プルアップ方式の場合）
INPUT_PULLUP を使うか、外付けプルアップ抵抗 が入っている
スイッチを押したときに GPIO が直接 GND にショート する（抵抗を介さない、これは正しい）
VCC と GND がスイッチを介して短絡していない

7.2 電源投入後¶

スイッチ未押下で digitalRead が HIGH（プルアップの場合）
スイッチ押下で digitalRead が LOW
触っていないのに値が ランダムに揺れない（ランダムなら浮き入力）
1 回押下で LED が 1 回トグル（複数回トグルするならチャタリング未対策）

8. よくあるトラブル FAQ¶

スイッチを押していないのに反応している

浮き入力 の典型症状。 - pinMode(pin, INPUT_PULLUP) に変更 - または外付けプルアップ抵抗（10 kΩ）を追加

1 回押しただけで複数回反応する

チャタリング。 - ソフトウェアでデバウンス処理（§6.2 のコード）を入れる - それでも出る場合、ハードウェアで RC フィルタを追加

反応したりしなかったりする

接触不良：タクトスイッチが劣化、別個体で確認
配線の緩み：ブレッドボードの差しを確認
プルアップ抵抗値が大きすぎる：内蔵 20〜50 kΩ ではなく、外付け 10 kΩ に

シリアルモニタに大量の 0/1 が流れる

状態変化していないのに出力しているのが問題。 - 値が変化したときだけ出力 するようにコードを修正（if (state != lastState) { Serial.println(state); lastState = state; }）

ESP32 や Pico で同じコードを使いたい

ロジック電圧が 3.3V になるだけで、INPUT_PULLUP の機能は同じ。ただし: - ESP32 は一部のピンで内蔵プルアップが無効（GPIO 34-39 は入力専用で内蔵プルアップなし） - Pico（RP2040）は 内蔵プルアップ／プルダウンの両方 を選べる - 詳細は AI エージェントに「このコードを ESP32 用に書き換えて」と依頼

9. 次章への橋渡し¶

入力（スイッチ）と出力（LED）の基本が押さえられたので、次は 「GPIO では直接駆動できない大きな負荷」 を扱います。

次の第 12 章「トランジスタ／MOSFET をスイッチとして使う」では、LED を複数同時点灯したい、小型リレーを駆動したい、大電流の装置を GPIO で制御したい、という場面で必須のトランジスタ／MOSFET の使い方を扱います。第 2 章で扱った「GPIO 直結の危険性」を、実際に解決する方法です。

第 11 章 スイッチ入力¶