【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)

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。

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。

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。

RPD002_【ラズパイ電子工作】スイッチのON/OFF状態を読み取る方法【ラズパイ電子工作】スイッチのON/OFF状態を読み取る方法

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。

10_完成イメージ

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。

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。

今回は赤色を使用します。

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。

カーボン抵抗器

20_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)の抵抗器を使用します。

タクトスイッチ

20_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。

↑のタクトスイッチの場合、黒い部分を指などで押します。

メモ
電気的に繋がっている状態を「導通している」と表現することもあります。

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。

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)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

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)

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。

30_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)

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。

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
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)

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
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。

メモ
プルダウン抵抗を設定していない場合、スイッチが押されていないときGPIOは電源にもGNDにも接続されていない状態になるため「値が不安定」になり、スイッチの状態を正しく読み取れない可能性があります。

#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。

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。

    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。

Python
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。

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)

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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