【ラズパイ電子工作】LEDの明るさを制御する方法

RPD020_【ラズパイ電子工作】LEDの明るさを制御する方法

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が行え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)で、PWMサイクルのデューティ比を変えることでLEDの明るさを制御する方法について解説します。

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。
メモ
Pythonで作成したプログラムは『4.プログラム(Python)』で解説しております。

LEDの明るさを制御することなく、点灯/消灯を切替えることで制御する方法は以下のページで解説しております。

RPD001_【ラズパイ電子工作】LEDを点灯させる方法(GPIO使用)【ラズパイ電子工作】LEDを点灯させる方法(GPIO使用) RPD003_【ラズパイ電子工作】LEDをチカチカ点滅させる方法(while文で無限ループ)【ラズパイ電子工作】LEDをチカチカ点滅させる方法(while文で無限ループ) RPD006_【ラズパイ電子工作】LEDをチカチカ点滅させる方法(for文で回数指定)【ラズパイ電子工作】LEDをチカチカ点滅させる方法(for文で回数指定) RPD005【ラズパイ電子工作】スイッチを押している間だけLEDを点灯させる方法(GPIO使用)【ラズパイ電子工作】スイッチを押している間だけLEDを点灯させる方法(GPIO使用)

1. 完成イメージ(LEDの明るさを制御する)

この記事で完成するものは以下のようになります。

10_完成イメージ

(少しわかりずらいですが…)LEDが消灯している状態から徐々に明るくなります。

メモ
プログラム実行中、徐々に明るくなる動作を無限に繰り返します。

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+)

20_ラズベリーパイ3B+

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

ブレッドボード

20_ブレッドボート

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

20_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。

LED(発光ダイオード)

20_LED

日常生活でも馴染みがある方も多いLEDは「Light emitting diode」の略で、発光ダイオードと呼ばれています。

電子工作で頻繁に使用するLEDは極性があり、プラスとマイナスを逆に接続しても光りません。プラス側をアノード(Anode)、マイナス側をカソード(Cathode)とも呼びます。

メモ
LEDの足が長い方がプラス側(アノード)、マイナス側(カソード)です。逆に接続しないように注意してください。

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。

https://denkisekkeijin.com/wp-content/uploads/2019/11/吹き出し画像20191115.png
電気設計人

私は以下のセット品を購入しました!

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。

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)で、スイッチを用いてサーボモータの角度を制御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。

30_回路図

ラズベリーパイの「GPIO 18番ポート」と赤LEDのプラス側(アノード)を接続します。(オレンジ色のジャンパ線)

LEDのマイナス側(カソード)と抵抗(220Ω)を接続して、抵抗とGNDを接続します。(黒色のジャンパ線)

メモ
抵抗器に極性はありませんので、プラスとマイナスは気にしなくてOKです。

配線の様子

配線の様子です。こんな感じになりました。

31_配線の様子

↑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)

PWMサイクルのデューティ比を変えることでLEDの明るさを制御するプログラム(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
Led_pin = 18                        #変数"Led_pin"に18を代入

#GPIOの設定
GPIO.setmode(GPIO.BCM)              #GPIOのモードを"GPIO.BCM"に設定
GPIO.setup(Led_pin, GPIO.OUT)       #GPIO18を出力モードに設定

#PWMの設定
Led = GPIO.PWM(Led_pin, 50)         #GPIO.PWM(ポート番号, 周波数[Hz])

#初期化処理
Led.start(0)                        #PWM信号0%出力
bright = 0                          #変数"bright"に0を代入

#while文で無限ループ
#LEDの明るさをデューティ比で制御
#Led.ChangeDutyCycle(デューティ比)
while True:
    try:
        Led.ChangeDutyCycle(bright)    #PWM信号出力(デューティ比は変数"bright")
        time.sleep(0.05)               #0.05秒間待つ
        bright += 1                    #変数"bright"を+1
        if bright >= 100:              #変数"bright"が100以上であれば以下を実行
            bright = 0                 #変数"bright"に0を代入
            
    except KeyboardInterrupt:          #Ctrl+Cキーが押された
        Led.stop()                     #LED点灯をストップ
        GPIO.cleanup()                 #GPIOをクリーンアップ
        sys.exit()                     #プログラムを終了

極端に言うと、GPIOの18番ポートを用いてPWM出力のデューティ比をwhile文で繰り返し変化させているプログラムです。

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行目~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
Led_pin = 18                        #変数"Led_pin"に18を代入

変数”Led_pin”に数値を代入します。この数値はGPIOのポート番号として扱い、後からポート番号を変更する場合はこの数値を変更します。


#GPIOの設定
GPIO.setmode(GPIO.BCM)              #GPIOのモードを"GPIO.BCM"に設定
GPIO.setup(Led_pin, GPIO.OUT)       #GPIO18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(Led_pin, GPIO.OUT)は、GPIO 18番ポートを出力モードに設定します。


#PWMの設定
Led = GPIO.PWM(Led_pin, 50)         #GPIO.PWM(ポート番号, 周波数[Hz])

PWM信号を使用する為の設定を行います。

Led = GPIO.PWM(Led_pin, 50)は、GPIO 18番ポートを50HzのPWM信号に割り当てます。


#初期化処理
Led.start(0)                        #PWM信号0%出力
bright = 0                          #変数"bright"に0を代入

初期化する処理を行います。

Led.start(0)は、GPIO 18番ポートのPWM信号のデューティ比を0%に出力します。


#while文で無限ループ
#LEDの明るさをデューティ比で制御
#Led.ChangeDutyCycle(デューティ比)
while True:
    try:
        Led.ChangeDutyCycle(bright)    #PWM信号出力(デューティ比は変数"bright")
        time.sleep(0.05)               #0.05秒間待つ
        bright += 1                    #変数"bright"を+1
        if bright >= 100:              #変数"bright"が100以上であれば以下を実行
            bright = 0                 #変数"bright"に0を代入
            
    except KeyboardInterrupt:          #Ctrl+Cキーが押された
        Led.stop()                     #LED点灯をストップ
        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「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。

    Led.ChangeDutyCycle(bright)    #PWM信号出力(デューティ比は変数"bright")
    time.sleep(0.05)               #0.05秒間待つ
    bright += 1                    #変数"bright"を+1
    if bright >= 100:              #変数"bright"が100以上であれば以下を実行
        bright = 0                 #変数"bright"に0を代入

Led.ChangeDutyCycle(bright)はGPIO 18番ポートのデューティ比を変数”bright”の値に変更します。

変数”bright”は上記で0を代入してありますので、最初はデューティ比が0となりLEDは消灯します。

time.sleep(0.05)は、何もせずに0.05秒待ちます。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。

bright += 1は変数”bright”をインクリメント(1ずつ加算)します。この変数をインクリメントすることでデューティ比が上がっていき徐々にLEDが明るくなっていきます。

「if文」を使用して、変数”bright”が100に到達すると0に戻す処理を行います。

Python
if 条件式:
    条件式が"真"の時に実行するコード

この「while文」内の処理を無限ループすることでLEDを徐々に明るくする制御をします。

5. おわりに

PWMサイクルのデューティ比を変えることでLEDの明るさを制御する方法を解説しました。

同様にPWMサイクルのデューティ比を制御してサーボモータを動かす方法を以下のページで解説しております。

RPD008_【ラズパイ電子工作】サーボモータを動かす方法(デューティ比指定)【ラズパイ電子工作】サーボモータを動かす方法(デューティ比指定)

まだまだラズベリーパイ初心者の私ですが、以下の参考書が大変参考にさせて頂いております。

2冊とも初学者にも易しい内容になっており、ゼロからラズベリーパイを始める方にもオススメできる参考書です。

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