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)を用いてスイッチの状態をGPIOで読取り、押されている間にLEDを点灯させる方法について解説します。
スイッチの状態を読取り、実行結果に”0”または”1”として表示される方法について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。
【ラズパイ電子工作】スイッチのON／OFF状態を読み取る方法
目次
1. 完成イメージ（スイッチが押している間にLED点灯）
この記事で完成するものは以下のようになります。
ラズベリーパイのGPIOピンをブレッドボードに接続して、プログラム(Python)からスイッチが押している間のみLEDを点灯させます。(ちょっと見えにくいですね…)
2. 使用する部品
今回使用する部品は以下の通りです。
『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。
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。
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。
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。
今回は赤色を使用します。
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)の抵抗器を使用します。
スイッチを押すと、内部の回路が繋がり電流を流します。
↑のタクトスイッチの場合、黒い部分を指などで押します。
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。
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)からGPIOピンを用いてスイッチが押している間にLEDを点灯させるための回路を解説します。
回路図は以下のようになります。
ラズベリーパイの3.3Vをタクトスイッチの片側に接続します。(赤色のジャンパ線)
ラズベリーパイの「GPIO 23番ポート」とタクトスイッチのもう一方に接続します。(白色のジャンパ線)
ラズベリーパイの「GPIO 25番ポート」と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)
配線の様子です。こんな感じになりました。
↑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)
スイッチが押されている間にLEDを点灯させるプログラム(Python)は以下のようになります。
#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
Sw_pin = 23 #変数"Sw_pin"に23を格納
Led_pin = 25 #変数"Led_pin"に25を格納
#GPIOの設定
GPIO.setmode(GPIO.BCM) #GPIOのモードを"GPIO.BCM"に設定
#GPIO23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_pin, GPIO.IN, pull_up_down=GPIO.PUD_DOWN)
GPIO.setup(Led_pin, GPIO.OUT) #GPIO25を出力モードに設定
#while文で無限ループ
while True:
try:
time.sleep(0.1) #0.1秒間待つ
if(GPIO.input(Sw_pin) == 1): #GPIO23が"1"であるか判断(↓1であれば以下を実行)
GPIO.output(Led_pin, GPIO.HIGH) #GPIO25の出力をHigh(3.3V)にする
else: #GPIO23が"1"で無ければ(↓0であれば以下を実行)
GPIO.output(Led_pin, GPIO.LOW) #GPIO25の出力をLow(0V)にする
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、0.1秒毎にGPIO 23番ポートが”1″か”0″判断します。”1″の場合はGPIO 25番ポートを「High(3.3V)にしてLEDを点灯」、”0″の場合は「Low(0V)にしてLEDを消灯」を繰り返します。(while文で無限ループ)
#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
Sw_pin = 23 #変数"Sw_pin"に23を格納
Led_pin = 25 #変数"Led_pin"に25を格納以下のようにそれぞれの変数に数値を格納します。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。
| Sw_pin | ：数値23を格納（タクトスイッチ用） |
| Led_pin | ：数値25を格納（LED用） |
#GPIOの設定
GPIO.setmode(GPIO.BCM) #GPIOのモードを"GPIO.BCM"に設定
#GPIO23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_pin, GPIO.IN, pull_up_down=GPIO.PUD_DOWN)
GPIO.setup(Led_pin, GPIO.OUT) #GPIO25を出力モードに設定GPIOの設定を行います。
GPIO.setmode(GPIO.BCM)は、GPIO.setmode()を用いてGPIOをポート番号で扱う方法に設定します。
GPIO.setup(Sw_pin, GPIO.IN, pull_up_down=GPIO.PUD_DOWN)は、GPIO 23番ポートを入力モードに設定を行い、内部にあるプルダウン抵抗を有効にします。
GPIO.setup(Led_pin, GPIO.OUT)は、GPIO.setup()を用いてGPIO 25番ポートを出力モードに設定します。
#while文で無限ループ
while True:
try:
time.sleep(0.1) #0.1秒間待つ
if(GPIO.input(Sw_pin) == 1): #GPIO23が"1"であるか判断(↓1であれば以下を実行)
GPIO.output(Led_pin, GPIO.HIGH) #GPIO25の出力をHigh(3.3V)にする
else: #GPIO23が"1"で無ければ(↓0であれば以下を実行)
GPIO.output(Led_pin, GPIO.LOW) #GPIO25の出力をLow(0V)にする
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。
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。
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。
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。
time.sleep(0.1) #0.1秒間待つ
if(GPIO.input(Sw_pin) == 1): #GPIO23が"1"であるか判断(↓1であれば以下を実行)
GPIO.output(Led_pin, GPIO.HIGH) #GPIO25の出力をHigh(3.3V)にする
else: #GPIO23が"1"で無ければ(↓0であれば以下を実行)
GPIO.output(Led_pin, GPIO.LOW) #GPIO25の出力をLow(0V)にするtime.sleep(0.1)は、何もせずに0.1秒間待ちます。この処理を行うために2行目でtimeモジュールをインポートしています。
「if文」を使用して、タクトスイッチが押されているか条件分岐をします。
if 条件式:
条件式が"真"の時に実行するコード
else:
条件式が"偽"の時に実行するコードif文の条件式は、今回は『Sw_pinが1』です。Sw_pinはタクトスイッチが接続されたGPIO 23番ポートがONしている間に”1″になります。
if文の「条件式が”真”の時に実行するコード」はGPIO.output(Led_pin, GPIO.HIGH)を実行してGPIO 25番ポートの出力がHigh(3.3V)になりLEDが点灯します。
else文の「条件式が”偽”の時に実行するコード」はGPIO.output(Led_pin, GPIO.LOW)を実行してGPIO 25番ポートの出力がLow(0V)になりLEDが消灯します。
このif文による条件分岐の処理をwhile文にて0.1秒サイクルで繰り返します。
5. おわりに
ラズベリーパイのプログラム(Python)を用いてスイッチの状態をGPIOで読取り、押されている間にLEDを点灯させる方法について解説しました。
while文を使用して、LEDを無限に点滅する方法について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。
【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)
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。
