Raspberry Pi スターターキット第15回:ラズパイ、可変抵抗器とLCD

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紹介

前のレッスンでは、Raspberry PiのデータをIIC（I2Cとも呼ばれる）を介して出力し、1602 LCDに文字を表示する方法を学びました。今回のレッスンでは、レッスン11とレッスン13で学んだ知識を組み合わせます。ポテンショメータを使用して電圧を変更し、MCP3008を介してアナログ信号をデジタル信号に変換し、SPIを介してPiに送信します。その後、PiはI2Cを介して電圧データを送信し、1602 LCD画面にデータを表示します。

ハードウェアの準備：

1 * Raspberry Pi
1 * ブレッドボード
1 * ポテンショメータ（10kΩ）
1 * IIC 1602 LCD
数本のジャンパーワイヤー

ソフトウェアの準備

注：このレッスンでは、PC上のPuTTyを使用してRaspberry Piをリモートで制御します。Raspberry Piの設定方法については、lesson 1: getting started with raspberry piをご覧ください。

ポテンショメータの作業原理

ポテンショメータは、2つの端子とワイパーを持つ可変抵抗器であり、ワイパーをスライドして抵抗値を調整することで、端子の1つとワイパーを使用して可変抵抗器を作成することができます。詳細については、hereをクリックしてください。

ポテンショメータの構造と動作は、以下の図から理解できます。AとBは端子で、Cはワイパーです。

ハードウェアの設定

このプロジェクトでは、Piを外部のMCP3008 ADCに配線し、そこからアナログ値を測定します。その後、1602 LCDに電圧値を表示します。回路図は以下のようになります。

サンプルコード

SPIとI2Cを有効にする方法については、lesson10 and lesson13を読んでください。

C言語ユーザーの場合

1)ターミナルに以下のコマンドを入力して、Cのサンプルコードをダウンロードします。

cd   ~

sudo  wget http://osoyoo.com/driver/pi3_start_learning_kit_lesson_15/voltmeter.c

サンプルコードファイルをカスタマイズしたい場合は、次のコマンドを入力してnanoエディターを使用してソースコードを編集することができます：

sudo nano voltmeter.c

2)コードをコンパイルする

gcc  -Wall  -o  voltmeter  voltmeter.c   -lwiringPi

3) プログラムを実行する

プログラムを実行する前に、コマンド gpio readall を実行して、MOSI、MISO、SCLK(B10、B9、B11) が代替機能として機能するかどうかを確認してください。ターミナルが次のように表示される場合:

代替機能として変更するには、次のコマンドを実行してください

gpio  -g  mode  9    alt0
gpio  -g  mode  10   alt0
gpio  -g  mode   11   alt0

ターミナルが次のように表示されたら、プログラムを実行してください。

sudo  ./voltmeter

4) 実行結果

プログラムを実行すると、ターミナルにはまずコードの印刷メッセージが表示されます。1602 LCDには、ポテンショメータの電圧が表示され、ポテンショメータのシャフトを回して0〜3.3Vの間の電圧を調整します。

C 言語コードの解析

#include < stdint.h>
#include < string.h>
#include < errno.h>
#include < wiringPi.h>
#include < stdio.h>
#include < stdlib.h>
#include < wiringPiSPI.h>
#include < wiringPiI2C.h>

#define LCDADDR             0x3F //IIC LCD address
#define BLEN                1   //1--open backlight,0--close backlight

#define CHAN_CONFIG_SINGLE  8   //setup channel 0 as Single-ended input
#define SPICHANNEL          0   //MCP3008 connect to SPI0
#define ANALOGCHANNEL       0   //Potentiometer connect MCP3008 analog channel 0

static int spifd ;
static int i2cfd;

void spiSetup (int spiChannel)
{
    if ((spifd = wiringPiSPISetup (spiChannel, 10000)) < 0)
    {
        fprintf (stderr, "Can't open the SPI bus: %s\n", strerror (errno)) ;
        exit (EXIT_FAILURE) ;
    }
}

int myAnalogRead(int spiChannel,int channelConfig,int analogChannel)
{
    if(analogChannel7)
        return -1;
    unsigned char buffer[3] = {1}; // start bit
    buffer[1] = (channelConfig+analogChannel) << 4;
    wiringPiSPIDataRW(spiChannel, buffer, 3);
    return ( (buffer[1] & 3 ) << 8 ) + buffer[2]; // get last 10 bits
}

void print_info()
{
    printf("\n");
    printf("|************************************|\n");
    printf("|                 Voltemter          |\n");
    printf("|       -------------------------    |\n");
    printf("|       | ADC |           | Pi  |    |\n");
    printf("|       |-----|-----------|-----|    |\n");
    printf("|       | CS  | connect to| CE0 |    |\n");
    printf("|       | Din | connect to| MOSI|    |\n");
    printf("|       | Dout| connect to| MISO|    |\n");
    printf("|       | CLK | connect to| SCLK|    |\n");
    printf("|       | CH0 | connect to| 3.3V|    |\n");
    printf("|       | CH1 | connect to| GND |    |\n");
    printf("|************************************|\n");
    printf("|   Potentiometer connect to ADC CH0 |\n");
    printf("|                              OSOYOO|\n");
    printf("|************************************|\n");
    printf("\n");

}

//write a word to lcd
void write_word(int data){
    int temp = data;
    if ( BLEN == 1 )
        temp |= 0x08;
    else
        temp &= 0xF7;
    wiringPiI2CWrite(i2cfd, temp);
}

//send command to lcd
void send_command(int comm){
    int buf;
    // Send bit7-4 firstly
    buf = comm & 0xF0;
    buf |= 0x04;            // RS = 0, RW = 0, EN = 1
    write_word(buf);
    delay(2);
    buf &= 0xFB;            // Make EN = 0
    write_word(buf);

    // Send bit3-0 secondly
    buf = (comm & 0x0F) << 4;
    buf |= 0x04;            // RS = 0, RW = 0, EN = 1
    write_word(buf);
    delay(2);
    buf &= 0xFB;            // Make EN = 0
    write_word(buf);
}

//send data to lcd
void send_data(int data){
    int buf;
    // Send bit7-4 firstly
    buf = data & 0xF0;
    buf |= 0x05;            // RS = 1, RW = 0, EN = 1
    write_word(buf);
    delay(2);
    buf &= 0xFB;            // Make EN = 0
    write_word(buf);

    // Send bit3-0 secondly
    buf = (data & 0x0F) << 4;
    buf |= 0x05;            // RS = 1, RW = 0, EN = 1
    write_word(buf);
    delay(2);
    buf &= 0xFB;            // Make EN = 0
    write_word(buf);
}

//initialize the lcd
void init(){
    send_command(0x33); // Must initialize to 8-line mode at first
    delay(5);
    send_command(0x32); // Then initialize to 4-line mode
    delay(5);
    send_command(0x28); // 2 Lines & 5*7 dots
    delay(5);
    send_command(0x0C); // Enable display without cursor
    delay(5);
    send_command(0x01); // Clear Screen
    wiringPiI2CWrite(i2cfd, 0x08);
}

//clear screen
void clear(){
    send_command(0x01); //clear Screen
}

//Print the message on the lcd
void write(int x, int y, char data[]){
    int addr, i;
    int tmp;
    if (x < 0) x = 0; if (x > 15) x = 15;
    if (y < 0) y = 0; if (y > 1)  y = 1;

    // Move cursor
    addr = 0x80 + 0x40 * y + x;
    send_command(addr);
    
    tmp = strlen(data);
    for (i = 0; i < tmp; i++){
        send_data(data[i]);
    }
}

int main()
{
    int adc;
    float voltage;
    char buf[5];
    if(wiringPiSetup() < 0)
    {   fprintf(stderr,"Can't init wiringPi: %s\n",strerror(errno));
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    spiSetup(SPICHANNEL);//init spi

    i2cfd = wiringPiI2CSetup(LCDADDR);//init i2c
    init();//init LCD
    clear();//clear screen

    print_info();

    while(1)
    {
        adc = myAnalogRead(SPICHANNEL,CHAN_CONFIG_SINGLE,ANALOGCHANNEL);
        voltage = adc/1024.*3.3;
        write(0,0,"Voltage:");
        sprintf(buf,"%1.2f",voltage);//float change to string
        write(8,0,buf);//print voltage on lcd
        write(12,0,"V");//print unit

        write(8,1,"--OSOYOO");
        delay(1000);
    }
    return 0;
}

Pythonユーザーの場合は、以下の手順を実行してください。

1) 次のコマンドを入力してPythonのサンプルコードをダウンロードします。

cd  ~

sudo wget http://osoyoo.com/driver/pi3_start_learning_kit_lesson_15/voltmeter.py

サンプルコードファイルをカスタマイズしたい場合は、次のコマンドを入力してnanoエディターを使用してソースコードを編集することができます：

sudo nano voltmeter.py

2) プログラムを実行する

sudo  python  ./voltmeter.py

3) 実行結果

プログラムを実行すると、ターミナルにはまずコードの印刷メッセージが表示されます。1602 LCDには、ポテンショメータの電圧が表示され、ポテンショメータのシャフトを回して0〜3.3Vの間の電圧を調整します。

Pythonのサンプルコードの解析

import time
import os
import RPi.GPIO as GPIO
import smbus

# Define some device parameters
I2C_ADDR  = 0x3F # I2C device address, if any error, change this address to 0x27
LCD_WIDTH = 16   # Maximum characters per line

# Define some device constants
LCD_CHR = 1 # Mode - Sending data
LCD_CMD = 0 # Mode - Sending command

LCD_LINE_1 = 0x80 # LCD RAM address for the 1st line
LCD_LINE_2 = 0xC0 # LCD RAM address for the 2nd line
LCD_LINE_3 = 0x94 # LCD RAM address for the 3rd line
LCD_LINE_4 = 0xD4 # LCD RAM address for the 4th line

LCD_BACKLIGHT  = 0x08  # On
#LCD_BACKLIGHT = 0x00  # Off

ENABLE = 0b00000100 # Enable bit
# Timing constants
E_PULSE = 0.0005
E_DELAY = 0.0005

# change these as desired - they're the pins connected from the
# SPI port on the ADC to the Cobbler
SPICLK = 11
SPIMISO = 9
SPIMOSI = 10
SPICS = 8
analogChannel = 0

#Open I2C interface
#bus = smbus.SMBus(0)  # Rev 1 Pi uses 0
bus = smbus.SMBus(1) # Rev 2 Pi uses 1
    
#setup function for some setup---custom function
def setup():
    #set the gpio modes to BCM numbering
    GPIO.setmode(GPIO.BCM)
    # set up the SPI interface pins
    GPIO.setup(SPIMOSI, GPIO.OUT)
    GPIO.setup(SPIMISO, GPIO.IN)
    GPIO.setup(SPICLK, GPIO.OUT)
    GPIO.setup(SPICS, GPIO.OUT)
    pass

def lcd_init():
  # Initialise display
  lcd_byte(0x33,LCD_CMD) # 110011 Initialise
  lcd_byte(0x32,LCD_CMD) # 110010 Initialise
  lcd_byte(0x06,LCD_CMD) # 000110 Cursor move direction
  lcd_byte(0x0C,LCD_CMD) # 001100 Display On,Cursor Off, Blink Off 
  lcd_byte(0x28,LCD_CMD) # 101000 Data length, number of lines, font size
  lcd_byte(0x01,LCD_CMD) # 000001 Clear display
  time.sleep(E_DELAY)

def lcd_byte(bits, mode):
  # Send byte to data pins
  # bits = the data
  # mode = 1 for data
  #        0 for command
  bits_high = mode | (bits & 0xF0) | LCD_BACKLIGHT
  bits_low = mode | ((bits<<4) & 0xF0) | LCD_BACKLIGHT # High bits bus.write_byte(I2C_ADDR, bits_high) lcd_toggle_enable(bits_high) # Low bits bus.write_byte(I2C_ADDR, bits_low) lcd_toggle_enable(bits_low) def lcd_toggle_enable(bits): # Toggle enable time.sleep(E_DELAY) bus.write_byte(I2C_ADDR, (bits | ENABLE)) time.sleep(E_PULSE) bus.write_byte(I2C_ADDR,(bits & ~ENABLE)) time.sleep(E_DELAY) def lcd_string(message,line): # Send string to display message = message.ljust(LCD_WIDTH," ") lcd_byte(line, LCD_CMD) for i in range(LCD_WIDTH): lcd_byte(ord(message[i]),LCD_CHR) #print message at the begining ---custom function def print_message(): print ('|**********************************|') print ('| Voltmeter |') print ('| ------------------------- |') print ('| | ADC | | Pi | |') print ('| |-----|-----------|-----| |') print ('| | CS | connect to| CE0 | |') print ('| | Din | connect to| MOSI| |') print ('| | Dout| connect to| MISO| |') print ('| | CLK | connect to| SCLK| |') print ('| | CH0 | connect to| 3.3V| |') print ('| | CH1 | connect to| GND | |') print ('| ------------------------- |') print ('| Potentiometer connect to CH0 |') print ('| OSOYOO|') print ('|**********************************|\n') print ('Program is running...') print ('Please press Ctrl+C to end the program...') # read SPI data from MCP3008 chip, 8 possible adc's (0 thru 7) def readadc(adcnum, clockpin, mosipin, misopin, cspin): if ((adcnum > 7) or (adcnum < 0)):
                return -1
        GPIO.output(cspin, True)

        GPIO.output(clockpin, False)  # start clock low
        GPIO.output(cspin, False)     # bring CS low

        commandout = adcnum
        commandout |= 0x18  # start bit + single-ended bit
        commandout <<= 3    # we only need to send 5 bits here
        for i in range(5):
                if (commandout & 0x80):
                        GPIO.output(mosipin, True)
                else:
                        GPIO.output(mosipin, False)
                commandout <<= 1
                GPIO.output(clockpin, True)
                GPIO.output(clockpin, False)

        adcout = 0
        # read in one empty bit, one null bit and 10 ADC bits
        for i in range(12):
                GPIO.output(clockpin, True)
                GPIO.output(clockpin, False)
                adcout <<= 1 if (GPIO.input(misopin)): adcout |= 0x1 GPIO.output(cspin, True) adcout >>= 1       # first bit is 'null' so drop it
        return adcout

#main function
def main():
    #print info
    print_message()
    # Initialise display
    lcd_init()
    #clear screen
    lcd_byte(0x01, LCD_CMD)
    while True:
        adc = readadc(analogChannel, SPICLK, SPIMOSI, SPIMISO, SPICS)
        voltage = round((adc/1024.*3.3),2)
        voltage = str(voltage)     #float change to string
        lcd_string("Voltage:        <",LCD_LINE_1)
        lcd_string(voltage,LCD_LINE_2)
        time.sleep(1.5)
        
#define a destroy function for clean up everything after the script finished
def destroy():
    #release resource
    GPIO.cleanup()
    
#
# if run this script directly ,do:
if __name__ == '__main__':
    setup()
    try:
            main()
    #when 'Ctrl+C' is pressed,child program destroy() will be executed.
    except KeyboardInterrupt:
        destroy()
        pass
    #clear screen
    finally:
        lcd_byte(0x01, LCD_CMD)