【ラズパイ電子工作】7セグメントLEDの数値をスイッチで増減させる方法

ラズベリーパイは基板上に「GPIO」と呼ばれる、ラズベリーパイ上で作成したプログラムから信号の入力・信号の出力といった制御をすることができるピンが存在します。

信号の入力とは「スイッチのON/OFF」「温度計で室温の計測」といった、ラズベリーパイの外の情報を入力(インプット)してプログラム上で使用することです。

対して、信号の出力とは「LEDを点灯させる」「モータを回す」といった、ラズベリーパイで制御した結果を外に出力(アウトプット)することです。

この記事では、ラズベリーパイのプログラム(Python)からGPIOピンを用いて7セグメントLEDの数値をスイッチ2ヶで増減する方法について解説します。※7セグメントとは？後ほど解説します。

注意

この記事中に記載されている内容はソースコード含めて電気設計人が自己流で行ったものです。一般的な方法とは相違がある可能性がありますので予めご了承ください。

7セグメントLEDを用いた他の記事は以下のページで解説しておりますので、宜しければご覧ください。(今後も増やしていきたいと思います。)

【ラズパイ電子工作】7セグメントLEDに数値を表示させる方法

【ラズパイ電子工作】7セグメントLEDに繰り返し数値(0～9)を表示させる方法

1. 完成イメージ（7セグメントLEDに0～9を表示）

この記事で完成するものは以下のようになります。

7セグメントLEDは↑のように数値やアルファベットを表示させる電子部品で、エレベータや電光掲示板など日常でも色々な用途で使用されています。

今回は、この7セグメントLEDに表示する数値をスイッチ2ヶ(黄色と緑色)で増減させます。

2. 使用する部品

今回使用する部品は以下の通りです。

ラズベリーパイ本体（モデル3B+）

『Raspberry Pi 3 Model B+』を使用します。※2020年4月時点で最新はRaspberry Pi 4になります。

ブレッドボード

LEDや抵抗といった各種部品や(後述する)ジャンパ線などを穴に差し込み、部品間を電気的に接続する板(ボード)です。

電子工作をする上で必須の部品です。

ジャンパ線

ブレッドボートに差し込み、電子部品の間を電気的に接続します。

↑の写真では両側が「ピン」になっており、ブレッドボートの穴に差し込んで使用します。

7セグメントLED（LEDS5612AUR1C）

7セグメントLED(seven-segment LED)とは、数字状に7ヶ(※)のLEDを配置した電子部品で、エレベータや電光掲示板など日常でも色々な用途で使用されています。 (※)右下のドットを入れると計8ヶのLEDとなります。

LEDには極性があり、プラス側をアノード(Anode)、マイナス側をカソード(Cathode)と呼びます。

7セグメントLEDもざっくりいうとLEDが8ヶまとまっている部品なので、各LEDにはアノードとカソードがあります。そして、一般的な7セグメントLEDはアノードまたはカソードの端子が部品内部でまとめられています。

以下は7セグメントLED（LEDS5612AUR1C）のデータシートから抜粋したものです。

データシート(右上の回路図)から、7セグメントLEDはカソードが3,8番ピンにまとめられており、アノードが各LED毎で独立しています。(アノードは1,2,4,5,6,7,9,10番ピン)

例えば、7番ピンにプラス側の電圧を掛けてAのLEDを光らせると、7セグメントLEDの一番上の横棒が点灯します。

今回のようなカソードがまとめられていることをカソードコモンと呼び、逆にアノードがまとめられている場合はアノードコモンと呼びます。

メモ

コモン(common)とは、共通・共有といった意味があり、電子回路では共通部分のことを指します。

カーボン抵抗器

LEDなど電子部品は適した電圧と電流が決められており、それ以上の電流を流してしまうと壊れてしまう場合があります。

抵抗は電流の流れを抑えることで、部品に流れる電流を抑える役割を担います。

今回は220Ω(オーム)の抵抗器を、7セグメントLEDの各アノード側に8ヶ使用します。

タクトスイッチ

スイッチを押すと、内部の回路が繋がり電流を流します。

今回は黄色と緑色のスイッチを使用します。

メモ

電気的に繋がっている状態を「導通している」と表現することがあります。

オススメの電子工作セット

電子工作をするため、これまで解説した部品の他にもスイッチやセンサなど、色々な部品が必要になってきます。個々で購入するには手間がかかるため、最初はセット品を購入することをおススメします。

電気設計人

私は以下のセット品を購入しました！

リンク

また、これからラズベリーパイを購入する場合、ラズベリーパイ本体を含めたセット品を購入することをおススメします。

リンク

ラズベリーパイ本体を収めるケースや、OSをインストールするためmicroSDカードなど必要なものを個々に購入する手間を省くことができます。

3. 回路図・配線の様子

ラズベリーパイのプログラム(Python)からGPIOピンを用いて7セグメントLEDの数値をスイッチ2ヶで増減する回路を解説します。

回路図

回路図は以下のようになります。

7セグメントLEDの3,8番ピンをGNDに接続します。(黒のジャンパ線)

7セグメントLEDの各アノードとGPIOを接続します。今回接続したGPIOと7セグメントのピンの関係は以下のようになります。

7セグLED　A（7番ピン）	：GPIO16	：ジャンパ線　白
7セグLED　B（6番ピン）	：GPIO20	：ジャンパ線　黄
7セグLED　C（4番ピン）	：GPIO19	：ジャンパ線　青
7セグLED　D（2番ピン）	：GPIO27	：ジャンパ線　黄
7セグLED　E（1番ピン）	：GPIO17	：ジャンパ線　白
7セグLED　F（9番ピン）	：GPIO23	：ジャンパ線　オレンジ
7セグLED　G（10番ピン）	：GPIO18	：ジャンパ線　青
7セグLED　DP（5番ピン）	：GPIO26	：ジャンパ線　オレンジ

今回は右下のドット(DP)を使用しませんが配線はしておきます。(深い理由はありません)

黄色スイッチの片側とGPIO 5番ポートを接続します。(黄色のジャンパ線)

黄色スイッチの片側とGPIO 6番ポートを接続します。(緑色のジャンパ線)

各スイッチのもう片側は3.3Vに接続します。(赤色のジャンパ線)

回路図と実際のスイッチの色が異なりますがご了承くださいm(__)m

配線の様子

配線の様子です。こんな感じになりました。

「この画像から何を読み取れっちゅうねん！」って感じですね…。

↑では、フラットケーブルでGPIOの全ピンをブレッドボードに接続しています。回路図と実際の配線は異なる部分がありますがご了承ください。

※電気的には「回路図」と同じ意味です。

4. プログラム(Python)

GPIOピンを用いて7セグメントLEDの数値をスイッチ2ヶで増減するプログラム(Python)は以下のようになります。

ソースコード

#必要なモジュールをインポート
import RPi.GPIO as GPIO             #GPIO用のモジュールをインポート
import time                         #時間制御用のモジュールをインポート
import sys                          #sysモジュールをインポート

#ポート番号の定義
#7セグで使用するポートをまとめて定義
Seg_pin = [
    #A, B,  C,  D,  E,  F,  G,  DP
    16, 20, 19, 27, 17, 23, 18, 26]     #変数"Seg_pin"に7セグで使用するポート

#スイッチのポートを定義
Sw_yellow_pin = 5                       #変数"Sw_yellow_pin"に5を代入
Sw_green_pin = 6                        #変数"Sw_green_pin"に6を代入

#GPIOの設定
GPIO.setmode(GPIO.BCM)                  #GPIOのモードを"GPIO.BCM"に設定
GPIO.setup(Seg_pin, GPIO.OUT)           #7セグメントLEDのGPIO(8ヶ)を出力モードに設定

#GPIO5を入力モードに設定してプルダウン抵抗を有効にする
GPIO.setup(Sw_yellow_pin, GPIO.IN, pull_up_down=GPIO.PUD_DOWN)
#GPIO6を入力モードに設定してプルダウン抵抗を有効にする
GPIO.setup(Sw_green_pin, GPIO.IN, pull_up_down=GPIO.PUD_DOWN)

#7セグで0～9を表示するためのポート
Seg = [
    [16, 20, 19, 27, 17, 23],       #"0"
    [20, 19],                       #"1"
    [16, 20, 27, 17, 18],           #"2"
    [16, 20, 19, 27, 18],           #"3"
    [20, 19, 23, 18],               #"4"
    [16, 19, 27, 23, 18],           #"5"
    [16, 19, 27, 17, 23, 18],       #"6"
    [16, 20, 19, 23],               #"7"
    [16, 20, 19, 27, 17, 23, 18],   #"8"
    [16, 20, 19, 27, 23, 18],       #"9"
    ]

#初期化処理
Desp = 0                            #変数"Desp"に0を代入

#while文で無限ループ
#GPIOの電圧を制御
while True:
    try:
        GPIO.output(Seg_pin, GPIO.LOW)         #7セグで使用するGPIOの出力をLow(0V)にする
        GPIO.output(Seg[Desp], GPIO.HIGH)      #7セグに数値を表示       
        time.sleep(0.3)                        #0.3秒間待つ
        if(GPIO.input(Sw_yellow_pin) == 1):    #GPIO5が"1"であるか判断(↓1であれば以下を実行)
            Desp -= 1                          #変数"Desp"を-1
        if(GPIO.input(Sw_green_pin) == 1):     #GPIO6が"1"であるか判断(↓1であれば以下を実行)
            Desp += 1                          #変数"Desp"を+1

        if Desp >= 10:                         #変数"Desp"が10以上であれば↓を実行
            Desp = 0                           #変数"Desp"に0を代入
        if Desp <= -1:                         #変数"Desp"が-1以下であれば↓を実行
            Desp = 9                           #変数"Desp"に9を代入
        
    except KeyboardInterrupt:                  #Ctrl+Cキーが押された
        GPIO.cleanup()                         #GPIOをクリーンアップ
        sys.exit()                             #プログラムを終了

while文を用いて7セグメントLEDの各数値に対応する場所のLEDを点灯させます。

プログラムの解説

#必要なモジュールをインポート
import RPi.GPIO as GPIO             #GPIO用のモジュールをインポート
import time                         #時間制御用のモジュールをインポート
import sys                          #sysモジュールをインポート

2～4行目で、今回必要な「モジュール」を宣言します。

#ポート番号の定義
#7セグで使用するポートをまとめて定義
Seg_pin = [
    #A, B,  C,  D,  E,  F,  G,  DP
    16, 20, 19, 27, 17, 23, 18, 26]     #変数"Seg_pin"に7セグで使用するポート

8～10行目で、変数”Seg_pin”に16, 20, 19, 27, 17, 23, 18, 26を格納します。この番号がGPIOのポート番号となり、7セグメントLEDの各LEDに接続されています。

後からGPIOのポート番号を変更する場合はここを変更します。

#スイッチのポートを定義
Sw_yellow_pin = 5                       #変数"Sw_yellow_pin"に5を代入
Sw_green_pin = 6                        #変数"Sw_green_pin"に6を代入

スイッチのGPIO ポート番号を定義します。

黄色スイッチはGPIO 5番ポート、緑色スイッチはGPIO 6番ポートに接続されています。

#GPIOの設定
GPIO.setmode(GPIO.BCM)              #GPIOのモードを"GPIO.BCM"に設定
GPIO.setup(seg_pin, GPIO.OUT)       #GPIO(8ヶ)を出力モードに設定

GPIOの設定を行います。

GPIO.setmode(GPIO.BCM)は、GPIOをポート番号で扱う方法に設定します。

GPIO.setup(seg_pin, GPIO.OUT)は、GPIO 16, 20, 19, 27, 17, 23, 18, 26番ポートを出力モードに設定します。

#GPIO5を入力モードに設定してプルダウン抵抗を有効にする
GPIO.setup(Sw_yellow_pin, GPIO.IN, pull_up_down=GPIO.PUD_DOWN)
#GPIO6を入力モードに設定してプルダウン抵抗を有効にする
GPIO.setup(Sw_green_pin, GPIO.IN, pull_up_down=GPIO.PUD_DOWN)

スイッチで使用するGPIOの設定を行います。

GPIO.setup(Sw_yellow_pin, GPIO.IN, pull_up_down=GPIO.PUD_DOWN)は、GPIO 5番ポートを入力モードに設定して、内部にあるプルダウン抵抗を有効にします。

緑色スイッチが接続されているGPIO 6番ポートも同様に設定を行います。(23行目)

#7セグで0～9を表示するためのポート
Seg = [
    [16, 20, 19, 27, 17, 23],       #"0"
    [20, 19],                       #"1"
    [16, 20, 27, 17, 18],           #"2"
    [16, 20, 19, 27, 18],           #"3"
    [20, 19, 23, 18],               #"4"
    [16, 19, 27, 23, 18],           #"5"
    [16, 19, 27, 17, 23, 18],       #"6"
    [16, 20, 19, 23],               #"7"
    [16, 20, 19, 27, 17, 23, 18],   #"8"
    [16, 20, 19, 27, 23, 18],       #"9"
    ]

各数値(0～9)に対応する7セグメントLEDのGPIOのポート番号をリストで代入します。

#初期化処理
Desp = 0                            #変数"Desp"に0を代入

変数”Desp”に0を代入します。後ほどこの変数は7セグメントLEDに表示する数値を切替えるために使用します。

#while文で無限ループ
#GPIOの電圧を制御
while True:
    try:
        GPIO.output(Seg_pin, GPIO.LOW)         #7セグで使用するGPIOの出力をLow(0V)にする
        GPIO.output(Seg[Desp], GPIO.HIGH)      #7セグに数値を表示       
        time.sleep(0.3)                        #0.3秒間待つ
        if(GPIO.input(Sw_yellow_pin) == 1):    #GPIO5が"1"であるか判断(↓1であれば以下を実行)
            Desp -= 1                          #変数"Desp"を-1
        if(GPIO.input(Sw_green_pin) == 1):     #GPIO6が"1"であるか判断(↓1であれば以下を実行)
            Desp += 1                          #変数"Desp"を+1

        if Desp >= 10:                         #変数"Desp"が10以上であれば↓を実行
            Desp = 0                           #変数"Desp"に0を代入
        if Desp <= -1:                         #変数"Desp"が-1以下であれば↓を実行
            Desp = 9                           #変数"Desp"に9を代入
        
    except KeyboardInterrupt:                  #Ctrl+Cキーが押された
        GPIO.cleanup()                         #GPIOをクリーンアップ
        sys.exit()                             #プログラムを終了

「while文」は条件を指定して、その条件が”真”の時に繰り返し処理を行うものです。

Python

while 条件式:
    繰り返し処理を行うコード

↑の「条件式」にTrueを指定することにより、条件式は常に真となりwhile文は無限に繰り返します。

メモ

無限に繰り返すことを、無限ループと表現したりします。

ただし、このままではプログラム実行中に無限ループから抜け出す方法がありません。そこでwhile文の中にある「try文」と「except文」を使用します。

このtry-except文を用いることにより、while文の処理は以下のようになります。

Python

while True:
    try:
        繰り返し処理を行うコード
    except KeyboardInterrupt:           #Ctrl+Cキーが押された
        GPIO.cleanup()                  #GPIOをクリーンアップ
        sys.exit()                      #プログラムを終了

except KeyboardInterrupt:は、キーボードのCtrl + Cキーが押された時にwhile文の繰り返し処理から抜けて「GPIOのクリーンアップ」と「プログラムの終了」の処理を行います。

Ctrl + Cキーが押されていないとき、try文の中の処理を繰り返し行います。(以下で解説)

while文の中のtry文の中の「繰り返し処理を行うコード」は以下の通りです。つまり、Ctrl + Cキーが押されるまで以下の処理を繰り返します。

    GPIO.output(Seg_pin, GPIO.LOW)         #7セグで使用するGPIOの出力をLow(0V)にする
    GPIO.output(Seg[Desp], GPIO.HIGH)      #7セグに数値を表示       
    time.sleep(0.3)                        #0.3秒間待つ
    if(GPIO.input(Sw_yellow_pin) == 1):    #GPIO5が"1"であるか判断(↓1であれば以下を実行)
        Desp -= 1                          #変数"Desp"を-1
    if(GPIO.input(Sw_green_pin) == 1):     #GPIO6が"1"であるか判断(↓1であれば以下を実行)
        Desp += 1                          #変数"Desp"を+1

    if Desp >= 10:                         #変数"Desp"が10以上であれば↓を実行
        Desp = 0                           #変数"Desp"に0を代入
    if Desp <= -1:                         #変数"Desp"が-1以下であれば↓を実行
        Desp = 9                           #変数"Desp"に9を代入

GPIO.output(Seg_pin, GPIO.LOW)は7セグメントLEDで使用するGPIOの電圧をすべてLow(0V)にします。

GPIO.output(Seg[Desp], GPIO.HIGH)は変数”Desp”の値を元にリスト型変数”Seg”のGPIOをHigh(3.3V)にします。変数”Desp”は先ほど0を代入していたので変数”Seg”からGPIO 16, 20, 19, 27, 17, 23番ポートがHighになります。

GPIOの出力をHigh(3.3V)にすると各LEDは点灯します。つまり、変数”Desp”の値が7セグメントLEDに表示される数値となります。以下でスイッチの状態によって変数”Desp”の値を増減させます。

time.sleep(0.3)は何もせずに0.3秒間待ちます。この処理を行うために3行目でtimeモジュールをインポートしています。

if(GPIO.input(Sw_yellow_pin) == 1):はif文によって黄色スイッチが押されているか判断します。

Python

if 条件式:
    条件式が"真"の時に実行するコード

条件式が”真”、つまり黄色スイッチが押されていればDesp -= 1が実行されます。これは変数”Desp”の値をデクリメント(1ずつ減算)する意味です。

逆に緑色スイッチが押された場合、if(GPIO.input(Sw_green_pin) == 1):の条件が”真”となりDesp += 1が実行されます。

スイッチがどちらも押されていない状態では、上記2ヶのif文の条件は”偽”となり、何も実行されずに変数”Desp”の値も変化しません。

    if Desp >= 10:                         #変数"Desp"が10以上であれば↓を実行
        Desp = 0                           #変数"Desp"に0を代入
    if Desp <= -1:                         #変数"Desp"が-1以下であれば↓を実行
        Desp = 9                           #変数"Desp"に9を代入

変数”Desp”の数値が7セグメントLEDに表示する数値となりますが、今回表示する数値は0～9です。変数の値が10以上、または-1以下になると変数に値を代入し直す処理を↑のif文で行います。0～9の範囲内の場合はこの処理はスルーします。