第 9 章 電気のデバッグ¶
Part III「電気のワークフロー」の最終章。「組み上げて電源を入れたけれど、期待どおりに動かない」 ときに、原因を体系的に追いかける方法をまとめます。
デバッグは電子工作の中でもっとも時間を取られる工程で、どう攻めるかの方針 を持っているかどうかで所要時間が何倍も変わります。本章では、AI エージェントに頼る前に 自分で切り分けられる範囲を最大化 するための 4 つの武器と、症状別の対処カタログを扱います。
デバッグ中に新たな事故を起こさないために
- 通電したまま配線を変更しない — 外す瞬間にショートして別の部品を壊す。さらに ロボット特有のリスク として、手や工具が誤ってコントロール入力（GPIO、スイッチ、センサ）に触れると マイコンがそれを指令と解釈してモータが突然回り出し、指を挟む／アームで顔を叩く／車両が机から落ちる などの人体事故を起こします
- 熱を持った部品に直接触らない — 冷めるまで待ってから確認
- 疲れているときは続けない — 判断が鈍ると「ちょっとだけ」で致命的な配線ミスをしがち（第 1 章 §6.4）
- 「もしかしたら動くかも」で繰り返し電源を入れない — 原因を仮説化しないまま ON/OFF を繰り返すと、既に弱っている部品がとどめを刺される
1. デバッグの位置づけ¶
本章は Part III の締めくくり。第 8 章テスト中チェックで 期待どおりに動かない ことが判明した時、または後日トラブルが出た時に戻ってくる章です。
本章が扱う範囲と扱わない範囲¶
扱う（電気側）：電圧不足、配線ミス、ロジックの順序問題、部品の破損・劣化、ノイズ、接触不良
扱わない（本章では）：機械側のトラブル（異音、干渉、スリップ等）→ 第 25 章 機械のデバッグ
電気と機械のトラブルが混在することもあります。まず モータ単体を手で回して 機械側の問題を切り離してから電気を追うのが鉄則です。
2. デバッグの大前提¶
2.1 基本サイクル：電源 OFF → 観察 → 仮説 → 測定 → 修正 → 再テスト¶
- 電源を切る（いつでも最初にこれ）
- 観察：目に見える異常（焦げ、膨らみ、色の変化）と、第 8 章で記録した症状
- 仮説：「この症状ならここが原因のはず」という候補を 2〜3 個立てる
- 測定：仮説を検証する最小限のテスト（テスタ、シリアル print、分離）
- 修正：1 箇所だけ直す（複数同時に直すと何が効いたか分からない）
- 再テスト：第 7 章テスト前チェック → 第 8 章テスト中チェック
1 回に 1 箇所だけ直す
プログラミングと同じです。複数の仮説を同時に検証すると、うまく行ったとき / ダメだったときに 何が効いたのか分からなくなる。辛抱強く 1 箇所ずつ変えます。
2.2 仮説を立てるコツ：変えた直後を疑う¶
- 新しく追加した部品 の疑いがいちばん濃い
- ハンダ付けし直した箇所 も濃い
- 何も変えていないのに動かなくなった 場合は、熱・振動・経年が候補（接触不良、冷はんだ、ケーブル断線）
3. デバッグの 4 つの武器¶
各武器の詳細は §4 以降で扱います。使い分けの目安:
| 武器 | 当てるべき場面 |
|---|---|
| ① GND 確認 | 書き込みエラー、シリアル出力なし、センサがデタラメ |
| ② VCC 実測 | 発熱、ブラウンアウト、LED が暗い、モータが弱い |
| ③ シリアル print | 実行順序が想定と違う、条件分岐が通らない、値がおかしい |
| ④ 分離テスト | 複数部品を積んだら動かない、どれが原因か分からない |
これらは 独立ではなく併用 します。例えば「書き込みエラー」は ① GND 確認 → ② VCC 実測 → ④ USB ケーブル分離テスト、と連携して攻めます。
4. 必ず最初にやる 3 確認¶
症状がどうであれ、最初にこの 3 つを確認すると、トラブルの半分以上はここで原因が見つかります。
4.1 GND は繋がっているか¶
電源を切って、テスタの導通モード で:
- マイコンの GND ピン ⇔ 各 IC の GND ピン：ブザーが鳴る
- マイコンの GND ピン ⇔ モータ電源 GND（電源分離時）：ブザーが鳴る
- マイコンの GND ピン ⇔ ブレッドボード − レール：ブザーが鳴る
GND が繋がっていないと、マイコンから見ると部品の入力電位が何 V なのか分からない 状態になり、あらゆる動作が狂います。「スケッチは正しいのに挙動がおかしい」のほとんどは GND 未接続です。
4.2 VCC は来ているか¶
電源を入れて、テスタの DCV モード で:
- マイコンの VCC ピン：公称値 ±5% に収まっている（5V なら 4.75〜5.25V）
- 各 IC の VCC ピン：同じく公称値 ±5%
- モータ電源の V+：データシート指定範囲
測って 0V なら配線が途切れている、公称より大きく下回る なら電源容量不足かショート経路があって電圧が食われている。
4.3 マイコンに書き込みは通るか¶
書き込み自体が通らない場合、後続のデバッグ（シリアル print 等）が使えないので、まずここを確認 します。
- Arduino IDE で 書き込み完了 メッセージが出る
- 書き込み中にエラーが出る場合、典型原因は次の 5 つ:
- USB ケーブルが不良（充電専用ケーブル、断線）
- GND 未接続（§4.1）
- VCC 不足（§4.2）
- ボードが認識されていない（OS 側のドライバ未インストール or ポート指定違い）
- ブートローダ破損（稀。他のボードで試して切り分け）
書き込みが通る状態にしてから、以降のデバッグを進めます。
5. ② VCC 実測での切り分け¶
VCC 不足が疑われるときの追い方。「電源レールから末端に向かって」 順に測ります。
5.1 測定順序¶
- 電源元（電池ボックスの出力 or AC アダプタのプラグ）で電圧を測定
- マイコンの 電源入力ピン（5V ピン、VIN ピン）
- マイコン 内部レギュレータ出力（3.3V ピン、ある場合）
- 各 IC の VCC ピン を 1 つずつ
- 信号線（プルアップ電圧、PWM 出力の HIGH 電圧 等）
5.2 どこで電圧が落ちているかで原因がわかる¶
| 電圧が落ちる場所 | 原因 |
|---|---|
| 電源元の時点で低い | 電池消耗、AC アダプタ不良、電源ショート |
| マイコンの VCC ピンで低い | 電源ケーブル不良、入力ジャンパの抵抗過大 |
| ある IC の VCC ピンで低い | その IC 手前の配線不良、パスコン不良、その IC がショート |
| 信号線の HIGH 電圧が低い | GPIO の電流定格オーバー、受け手側の入力インピーダンスが低すぎる |
6. ③ シリアル print デバッグ¶
スケッチが「書き込みは通るが、動作が期待と違う」というロジック側の不具合に最も効く武器。
6.1 最小の仕込み¶
void setup() {
Serial.begin(9600);
Serial.println("=== BOOT ==="); // 起動印
}
void loop() {
static unsigned long last = 0;
if (millis() - last > 1000) {
Serial.print("tick ");
Serial.println(millis()); // 1 秒ごとに millis
last = millis();
}
}
この骨格に 怪しい箇所の println を追加 して、実行の順序と値を可視化します。
6.2 効果的な使いどころ¶
- 「ここまでは通ったはず」を確認：関数の先頭・終わりに
Serial.println("A enter")Serial.println("A exit")を入れる - 変数の実値を見る：センサ読み値、計算結果、時刻 etc.
- 条件分岐の通過可否：
if (x > 10) { Serial.println("branch taken"); ... } - 割り込みハンドラの発火回数：カウンタ変数を立てて、loop() で定期出力
6.3 println デバッグの落とし穴¶
シリアルは遅い
Serial.println() は 1 行あたり数 ms の処理時間を使います。タイミングがシビアなループ（PWM、通信プロトコル）では、println を入れること自体が挙動を変えてしまうことがあります。
この場合は フラグを立てて後で出力 するか、I/O ピン（LED）でマーク する代替策を使います。
7. ④ 分離テスト — 切り分けの定石¶
「何かが悪い」が特定できない時、部品やブロックを順に外して／追加して 挙動の変化を見る方法。
7.1 外していく方式（減算法）¶
全部組んだ状態から、外しても動いているべき部品 を 1 つずつ外します。
- モータは 指令を停止 すれば「外した」と等価
- I2C デバイスは SDA / SCL をバスから外す だけで OK
7.2 追加していく方式（加算法）¶
何もない状態から、1 つずつ追加 して止まるポイントを見つけます。
どちらの方式も有効。どちらがやりやすいか は状況（はんだ付け済みか、ブレッドボードか）で決めてください。
7.3 分離テストで絞ったあと¶
原因となる部品が特定できたら、そこに対して武器 ①②③（GND / VCC / シリアル）を当てて さらに絞る。分離テストは「問題の所在を粗く絞る」道具で、根本原因までは教えてくれない ことを覚えておきます。
8. 症状別対処カタログ¶
現場で詰まりやすい症状を、頻度順に並べます。
8.1 LED が光らない¶
| 候補原因 | 確認手順 |
|---|---|
| 電流制限抵抗の抜け／値が大きすぎる | 抵抗の両端電圧を測定（§5）。抵抗値 × 電流が 2V 前後なら OK |
| LED の極性逆 | 電源を切り、LED を裏返して再確認（第 7 章 §7） |
| GPIO からの出力が HIGH になっていない | digitalWrite(pin, HIGH) 実行後、そのピンの電圧を DCV で測定 |
| GPIO の電流容量オーバー（LED が焼けた） | LED だけ交換して再テスト。繰り返し焼けるなら抵抗値の再計算 |
8.2 マイコンに書き込めない¶
| 候補原因 | 確認手順 |
|---|---|
| USB ケーブル不良（充電専用） | 他のケーブルで試す（切り分けがいちばん速い） |
| GND 未接続 | §4.1 |
| ブートローダに行かない | Arduino Uno R3 は通常、自動リセットで書き込める。自動リセットが効かない古いボードや Pro Mini などでは、書き込み開始直前に 手動でリセットボタンを押す 操作が必要（ボード固有の手順はそれぞれのデータシート／公式ドキュメント参照） |
| ポート指定違い | Arduino IDE の「ツール → シリアルポート」を確認 |
| ドライバ未インストール | OS の「デバイスマネージャ」でエラーマークを確認 |
| 他のスケッチがシリアルを占有している | シリアルモニタを閉じてから書き込み |
8.3 書き込めても動作しない¶
| 候補原因 | 確認手順 |
|---|---|
| スケッチが想定どおりの状態で起動していない | シリアル print で setup() の通過を確認（§6） |
| 無限ループで止まっている | loop() の先頭で Serial.println(millis()) を入れてタイミング確認 |
| 割り込みが入りすぎて loop() が走らない | 割り込みハンドラに Serial.println は入れない（ただしデバッグ時のカウント増加で発火回数は見られる） |
| ブラウンアウトで setup() を繰り返す | シリアルモニタで BOOT の繰り返しを確認（第 4 章 §7） |
8.4 モータが回らない¶
まず モータ単体で回るか を確認（モータを回路から外し、直接電池に繋いで回るか）。モータ自体の故障 をまず切り分けます。
| 候補原因 | 確認手順 |
|---|---|
| モータ電源が届いていない | モータドライバの V_M ピンを測定（§5） |
| モータドライバのロジック入力が LOW のまま | digitalWrite(IN1, HIGH) したあと IN1 ピンを測定（§6） |
| ドライバの ENABLE ピンが未接続 or LOW | データシートで ENABLE の仕様を再確認 |
| PWM 周波数が想定外 | オシロなしの場合：PWM Duty を 100%（= digitalWrite HIGH）にして回るか確認 |
| ドライバの過熱保護が働いている | 指かざしで温度確認（第 8 章 §5）、電源容量と放熱を見直す |
8.5 モータが暴走する¶
| 候補原因 | 確認手順 |
|---|---|
| ロジック入力が不定（GND 未接続、浮きピン） | §4.1 GND 確認 + プルアップ／プルダウンの有無確認 |
| 割り込みハンドラ内で指令を書き換えている | シリアル print で指令値の変化を記録 |
| ノイズで GPIO が誤動作している | モータ電源にデカップリング（0.1μF）を追加、ロジック配線を短く |
| ブラウンアウトループ | 第 4 章 §7 の切り分け |
8.6 センサ値がおかしい（ばらつく、ゼロ、飽和）¶
| 候補原因 | 確認手順 |
|---|---|
| GND 共通ができていない | §4.1 |
| I2C のプルアップ抵抗がない | I2C アドレススキャンで何も検出されないなら要プルアップ（典型値 4.7kΩ） |
| 5V / 3.3V 混在でレベル変換が抜けている | 第 7 章 §5 を再確認 |
| アナログ入力のリファレンス電圧が不安定 | VCC で測定して安定しているか（§5） |
| センサの VCC が電源容量不足 | センサ単体の VCC 実測 |
8.7 PC がマイコンを認識しない・COM ポートが出ない¶
| 候補原因 | 確認手順 |
|---|---|
| USB ケーブルが充電専用 | 別のケーブルで試す（データ通信対応かをケーブル表記で確認） |
| USB シリアルドライバ未インストール | Windows：デバイスマネージャで「!」マーク確認 → CH340 / CP2102 のドライバ入手 |
| USB ハブの電力不足 | PC 本体の USB ポートに直挿し で試す |
| ポート名が変わった | 書き込み時に Arduino IDE の「ツール → ポート」を再選択 |
| OS の USB が不安定（スリープ復帰後など） | PC を再起動 |
| 他のアプリがポートを占有 | Arduino IDE・PuTTY・Tera Term などを一度全部閉じる |
8.8 「何もしていないのに」動作が変わった¶
| 候補原因 | 確認手順 |
|---|---|
| 半抜けジャンパ | すべてのジャンパを親指で押し込む |
| 冷はんだ（熱・振動で接触不良） | はんだ付け箇所をルーペ点検、怪しい箇所は再加熱 |
| 電池残量低下 | 無負荷時とモータ駆動時の両方で VCC 実測 |
| 温度による特性変化 | 室温・直射日光・放熱状態を確認 |
| ブレッドボード接点の劣化 | 別ブレッドボードに移植して試す |
| USB ケーブルの接触不良 | 別ケーブルで確認 |
8.9 シリアルモニタの表示がおかしい（文字化け、出ない、大量に出る）¶
| 候補原因 | 確認手順 |
|---|---|
| ボーレート不一致 | Arduino IDE 左下のボーレートを Serial.begin() の値と一致させる |
| print の改行忘れ | Serial.println() を使う、Serial.print() なら最後に "\n" |
| loop() に println を直書き | delay なしで毎ループ print すると大量出力 → 値の変化時だけ print に変更 |
| 他のポートを開いている | COM ポート番号の再確認 |
9. AI エージェントへのバグ相談¶
武器 ①〜④ と症状別カタログでも絞れない場合、AI エージェントに相談します。出す情報が質の高い絞り込みには必須 です。
9.1 AI に渡すべき情報¶
- 症状 — 何が期待どおりで、何が期待と違うか。「動かない」ではなく「LED が光らず、シリアルに BOOT だけ出て loop に入らない」のように具体的に
- 環境 — マイコン、電源、OS、Arduino IDE バージョン、使ったライブラリ
- 回路 — 配線シート or 配線写真、使った部品の型番
- スケッチ（または該当箇所） — 完全なコードか、ミニマル再現コード
- これまでに試したこと — §4 の 3 確認の結果、①〜④ の武器で絞り込んだ範囲
- テスタで測った実測値 — VCC、各ピンの電圧、導通の有無
9.2 プロンプト例¶
Arduino Uno R3 + DRV8835 モータドライバ + FA-130 モータで、以下の症状が出ています。
症状：PWM で速度を上げるとマイコンがリセットされる（シリアルで BOOT 繰り返し）。
Duty 30% 以下なら安定動作、40% 以上で発症。
環境：Arduino IDE 2.x、Windows 11、電源は単 3 × 4 本（6V）を DRV8835 の V_M、
マイコンは USB 給電。GND は共通接続済み（導通モード確認済み）。
実測値：
- V_M（モータ動作中）：6.0V → 4.8V まで低下
- マイコン VCC（モータ動作中）：5.0V → 4.5V まで低下
- ブラウンアウト検出しきい値（ATmega328P デフォルト）：4.3V
- 電池電圧（無負荷）：6.1V、モータ最大負荷時：4.9V
試したこと：
1. モータを直接電池に接続 → 問題なく回転（機械側は OK）
2. USB ケーブルを交換 → 改善なし
3. モータドライバ VCC のデカップリングに 100μF を追加 → 改善なし
質問：
- 原因は電池の内部抵抗によるモータ電源の電圧降下と推測していますが、正しいですか？
- 対処として「電池を単 3 × 6 本（9V）に増やして DCDC で 5V を作る」と
「アルカリをニッケル水素 or リポに替える」のどちらが有効でしょうか？
9.3 AI 回答の取り扱い¶
AI からの回答は、第 5 章 §4 の レビューチェックリスト に戻って検証してから試します。鵜呑みにして電源を入れるのは、第 5 章の方針に反する ことを思い出してください。
10. Part III のまとめと次章への橋渡し¶
Part III「電気のワークフロー」は本章で終わりです。ここまでで読者は、
- 第 5 章 で設計 → 第 6 章 で組立 → 第 7 章 で通電前チェック → 第 8 章 で通電後チェック → 第 9 章 でデバッグ
という 電気側の 5 フェーズ をひと通り経験しました。これらはプロジェクトごとに何度でも巡回する工程です。
次からは Part IV「電気系トピック」（第 10〜17 章）に入ります。LED、スイッチ、モータ、センサなど、部品カテゴリごとの詳細 を扱う章群です。各章は §8 の章テンプレ（動機 → NG 例 → データシート根拠 → 正しい設計 → チェックリスト）で書かれており、本章 §8 の症状別カタログの 「正しい使い方」の詳細版 になります。
Part IV を読み進めながら、実際のプロジェクトでは Part II〜III のワークフロー を毎回繰り返す、という使い分けになります。次は 第 10 章「LED を正しく光らせる」 から。