【Raspberry Pi】電子工作入門⓪～Lチカ・PWM～【Python】

Raspberry Piは、手軽に電子工作やプログラミングを学ぶのに適したコンピュータです。

Raspberry Piのメリット、GPIOの基本的な説明、そして有名なLチカ（LEDを点滅させる）プロジェクトの例題を紹介します。

Raspberry Piのメリット

1. パソコンと比較したメリット
   • コストが低い：Raspberry Piは非常に安価（モデルによって数千円）で入手でき、予算の少ないプロジェクトでも導入が可能です。
   • 小型で省電力：Raspberry Piは小さく、モバイルバッテリーなどでも動作可能で、手軽に持ち運んで使用できます。
   • GPIOピンが使える：一般的なパソコンにはないGPIO（汎用入出力ピン）が搭載されており、電子回路やセンサーと直接接続できるため、ハードウェア制御が可能です。
2. マイコン（例えばArduino）と比較したメリット
   • 完全なOSを動作させられる：Raspberry PiにはLinuxベースのOS（Raspberry Pi OS）が動作し、PythonやCなどのプログラミング環境を提供します。マイコン（Arduinoなど）は単一のプログラムしか実行できませんが、Raspberry Piは複数のタスクを同時に実行できます。
   • 豊富なライブラリとソフトウェアサポート：Raspberry Piは、PCと同様に豊富なソフトウェアリソースやライブラリが利用でき、例えばインターネットに接続してデータをやり取りしたり、カメラやディスプレイを扱ったりすることが簡単にできます。

GPIOとは？

GPIO（General Purpose Input/Output）は、Raspberry Piのハードウェアと外部デバイス（LED、スイッチ、センサーなど）をつなぐためのピンです。これらのピンはプログラムで制御でき、信号を出力してLEDを点灯させたり、センサーから入力を受け取ったりできます。

GPIOピンには、次のような用途に応じた種類があります

GPIOピンの主な機能

1. デジタル入出力: 基本的に、GPIOピンはHIGH（1）またはLOW（0）を出力したり、外部からの信号を受け取ることができます。これがデジタル入出力（I/O）の基本機能です。
2. I2C: I2C（Inter-Integrated Circuit）は、複数のデバイスを2本のワイヤで接続するためのプロトコルです。センサーやLCDディスプレイなどがこのプロトコルを使用します。
3. SPI: SPI（Serial Peripheral Interface）は、高速でデータをやり取りする通信プロトコルです。SDカードやアナログ-デジタル変換器などのデバイスに使用されます。
4. UART: UART（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter）は、シリアル通信に使用されます。通常、シリアルデバイスとの通信に使用されます。
5. 電源ピン: 5Vや3.3Vを供給するピンがあり、外部デバイスに電力を供給します。
6. GND: 回路のグラウンドとして機能します。

Raspberry Pi 5には、40ピンのGPIOヘッダーがあり、これらのピンは様々な機能を持っています。

GPIOピン番号と機能の表

各ピンの詳細な説明

1. 電源ピン（3.3V、5V）：これらのピンは、外部デバイスに電力を供給するためのピンです。注意点として、5VピンはRaspberry Piの電源に直接接続されており、出力制御はできません。
2. GNDピン：グラウンド（GND）は、回路の基準電位です。外部デバイスとRaspberry Piを接続する際には、GNDピンを共有する必要があります。
3. I2Cピン：I2Cバス（SDA: データ、SCL: クロック）は、センサーや他のデバイスとデータをやり取りするために使用します。複数のデバイスを同じバスに接続できるのが特徴です。
4. SPIピン：SPIは、より高速なデータ通信を行うためのプロトコルです。MOSI（送信）、MISO（受信）、SCLK（クロック）、CE（チップセレクト）を使用して、複数のSPIデバイスと通信が可能です。
5. UARTピン：シリアル通信のためのピンです。TX（送信）とRX（受信）で、例えばシリアルデバイスやコンピュータとのデータ通信が行えます。
6. PWMピン：PWM（パルス幅変調）は、デジタル信号を使ってアナログ信号を模倣する方法です。例えば、モーターの速度を制御したり、LEDの明るさを変えたりするのに使います。
7. 汎用入出力（GPIO）ピン：これらのピンは、外部デバイスとの基本的な入出力に使用します。デジタル信号のON/OFFをプログラムで制御することが可能です。

Lチカ

Raspberry Pi 5では、RPi.GPIOライブラリが利用できなくなったため、代わりにgpiozeroライブラリを使用することが推奨されています。

gpiozeroはシンプルなインターフェースを提供し、Raspberry PiのGPIOピンを使った電子工作を簡単に行えるライブラリです。

以下に、gpiozeroを使ったLチカ（LED点滅）のプログラムを書き換えた例を紹介します。

必要なもの

• Raspberry Pi本体
• LED（1つ）
• 抵抗（330Ω）
• ブレッドボードとジャンパーワイヤー

配線

1. LEDの長い脚（プラス側）をGPIO 17ピンに接続します。
2. LEDの短い脚（マイナス側）を抵抗を通してGNDに接続します。

gpiozeroを使ったLチカのPythonコード

from gpiozero import LED
from time import sleep

# GPIO 17番ピンに接続したLEDを定義
led = LED(17)

# LEDを点滅させる
while True:
    led.on()     # LEDをON
    sleep(1)     # 1秒間待機
    led.off()    # LEDをOFF
    sleep(1)     # 1秒間待機

解説

• from gpiozero import LED: gpiozeroライブラリからLEDクラスをインポートします。
• led = LED(17): GPIO 17ピンに接続されたLEDを制御するためのオブジェクトを作成します。
• led.on(): LEDを点灯させます。
• led.off(): LEDを消灯させます。
• sleep(1): LEDが点灯または消灯している間、1秒間待機します。

コンソール上でCtrl＋Cキーを入力すると、プログラムが停止します。

PWM

PWM（Pulse Width Modulation、パルス幅変調）は、デジタル信号を使ってアナログ的な出力を制御する手法です。

例えば、LEDの輝度やモーターの速度などを調整できます。

PWMでは、信号の「オン」と「オフ」の比率（デューティサイクル）を変化させることで、出力の強弱を制御します。

PWMを使ったLEDの明るさ制御

Raspberry Piでは、GPIOピンを使ってPWM信号を生成し、LEDの明るさを滑らかに変えることができます。gpiozeroライブラリには、PWMをサポートするPWMLEDクラスが用意されています。

PWMの仕組み

PWM信号は、一定の周期の中で「オン」と「オフ」を繰り返す信号です。デューティサイクル（オンの時間の割合）を変更することで、LEDの輝度を変えることができます。たとえば、

• 100%デューティサイクル: 常にオン → 最大輝度
• 50%デューティサイクル: 半分の時間オン → 半分の輝度
• 0%デューティサイクル: 常にオフ → 消灯

PWMを使ったLED制御のPythonコード

from gpiozero import PWMLED
from time import sleep

# GPIO 17番ピンに接続したPWM対応のLEDを定義
led = PWMLED(17)

# LEDの輝度を変化させる
while True:
    for brightness in range(0, 101, 1):  # 0%から100%まで輝度を上げる
        led.value = brightness / 100     # デューティサイクルを0から1に変換
        sleep(0.01)                      # 10ms待機（輝度の変化をなめらかに）
    
    for brightness in range(100, -1, -1): # 100%から0%まで輝度を下げる
        led.value = brightness / 100      # デューティサイクルを0から1に変換
        sleep(0.01)                       # 10ms待機

解説

• from gpiozero import PWMLED: gpiozeroライブラリからPWM制御に対応したPWMLEDクラスをインポートします。
• led = PWMLED(17): GPIO 17ピンに接続されたPWM対応のLEDオブジェクトを作成します。
• led.value: デューティサイクルを0.0（消灯）から1.0（最大輝度）の間で設定します。例えば、led.value = 0.5はLEDの輝度を50%に設定します。
• range(0, 101, 1)とrange(100, -1, -1): これらのループは、LEDの輝度を徐々に上げたり下げたりするためのものです。デューティサイクルを段階的に変化させて、LEDの明るさを調整します。

問題1

GPIO 17ピンに接続されたLEDを、1秒間点灯させた後、1秒間消灯させる動作を5回繰り返してください。

from gpiozero import LED
from time import sleep

# GPIO 17番ピンに接続したLEDを定義
led = LED(17)

# 5回LEDを点滅させる
for _ in range(5):
    led.on()     # LEDを点灯
    sleep(1)     # 1秒待機
    led.off()    # LEDを消灯
    sleep(1)     # 1秒待機

問題2

PWMを使用して、LEDの明るさを徐々に変化させるプログラムを作成してください。

GPIO 17ピンに接続されたLEDを使用し、2秒かけてLEDの輝度を0%から100%に上げ、その後2秒かけて100%から0%に下げることを繰り返してください。

from gpiozero import PWMLED
from time import sleep

# GPIO 17番ピンに接続したPWM対応のLEDを定義
led = PWMLED(17)

while True:
    # 2秒かけて明るくする（0%から100%）
    for brightness in range(0, 101):  # 0から100まで
        led.value = brightness / 100   # 輝度を0.0から1.0に変換
        sleep(0.02)                    # 20ms待機（100回×0.02秒 = 2秒）
    
    # 2秒かけて暗くする（100%から0%）
    for brightness in range(100, -1, -1):  # 100から0まで
        led.value = brightness / 100       # 輝度を0.0から1.0に変換
        sleep(0.02)                        # 20ms待機（100回×0.02秒 = 2秒）

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