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2.1 ボタン

はじめに

このプロジェクトでは、ボタンを使ってLEDを制御する方法を学びます。ボタンは、さまざまな電子工作プロジェクトにおいて、回路やシステムとやり取りするための基本的な入力デバイスです。

必要なもの

このプロジェクトを行うには、以下のコンポーネントが必要です。

COMPONENT	PURCHASE LINK
ブレッドボード	購入
ジャンパーワイヤー	購入
抵抗器	購入
LED	購入
ボタン	購入
Fusion HAT+	-
Raspberry Pi	-

回路図

このプロジェクトでは、ノーマルオープン型のボタンをRaspberry Piの入力として使用します。ボタンが押されると、GPIO17はハイレベル信号（3.3V）を受け取ります。Raspberry Piはこの信号を検出し、LEDを点灯させます。回路の接続は以下の図のとおりです。

配線図

以下の手順に従って回路を組み立ててください。

LEDのアノード（長い脚）を、電流制限用抵抗を介してGPIOピン（GPIO22）に接続します。
LEDのカソード（短い脚）をGNDに接続します。
ボタンの一方の端子をGPIO17に、もう一方の端子をGNDに接続します。

サンプルの実行

このチュートリアルで使用するすべてのサンプルコードは ai-lab-kit ディレクトリに含まれています。以下の手順でサンプルを実行してください。

cd ~/ai-lab-kit/python/
sudo python3 2.1_Button.py

このPythonスクリプトは、ボタンでLEDを制御するインタラクティブな構成を示しています。実行すると、次のように動作します。

ボタン（GPIO17に接続）を押すと、LED（GPIO22に接続）が点灯します。
ボタンを離すと、LEDが消灯します。
プログラムは継続的に動作し、ボタンの押下および解放イベントを監視してLEDを制御します。

コード

以下のPythonコードは、ボタンの押下と解放に応じてLEDを切り替えます。

#!/usr/bin/env python3
from fusion_hat.pin import Pin, Mode, Pull
from signal import pause  # Import pause function from signal module

# Initialize an LED object on GPIO pin 22
led = Pin(22,mode=Mode.OUT)
# Initialize a Button object on GPIO pin 17
button = Pin(17, mode=Mode.IN, pull=Pull.DOWN)

# # Link the button's "when_activated" event to the LED's high() method
button.when_activated = led.high

# # Link the button's "when_deactivated" event to the LED's low() method
button.when_deactivated = led.low

# Run an event loop that waits for button events and keeps the script running
print("CTRL + C to exit")
pause()

コードの解説

ライブラリのインポート

fusion_hat ライブラリはGPIO制御のためのシンプルなインターフェースを提供し、 signal モジュールはプログラムを継続実行させるために使用します。
```
#!/usr/bin/env python3
from fusion_hat.pin import Pin, Mode, Pull
from signal import pause  # Import pause function from signal module
```

コンポーネントの初期化

LEDはGPIO22に接続し、ボタンはGPIO17に接続します。

# Initialize an LED object on GPIO pin 22
led = Pin(22,mode=Mode.OUT)
# Initialize a Button object on GPIO pin 17
button = Pin(17, mode=Mode.IN, pull=Pull.DOWN)

イベント処理

when_activated と when_deactivated のイベントを、それぞれLEDの high() メソッドと low() メソッドに関連付けます。これにより、ボタンを押すとLEDが点灯し、ボタンを離すと消灯します。
```
button.when_activated = led.high
button.when_deactivated = led.low
```
イベントループ

pause() 関数によりプログラムを継続実行し、ボタンの押下および解放イベントを待機します。
```
pause()
```

トラブルシューティング

LEDが点灯しない
- 原因: GPIOピンの接続ミス、またはLEDの配線に問題がある可能性があります。
- 対処方法: LEDのプラス側の脚がGPIO22に接続され、マイナス側の脚が抵抗を介してGNDに接続されていることを確認してください。
ボタンを押しても反応しない
- 原因: ボタンの配線、またはGPIOピンの設定が正しくない可能性があります。
- 対処方法: ボタンがGPIO17とGNDに正しく接続されていることを確認してください。
ボタンの状態に関係なくLEDが点灯したまま、または消灯したままになる
- 原因: ボタンのイベントが正しく検出されていない可能性があります。
- 対処方法: マルチメーターや簡単な回路を使って、ボタン自体が正常に動作しているか確認してください。

拡張アイデア

LEDの状態をトグルする

ボタンを押すたびにLEDを単純に点灯・消灯するのではなく、状態を切り替えるようにスクリプトを変更できます。
```
def toggle():
   if led.value() == 1:
      led.off()
   else:
      led.on()

button.when_activated = toggle
```

複数のLED

1つのボタンで複数のLEDを制御し、異なる点灯パターンを切り替えることができます。

leds = [LED(17), LED(27), LED(22)]
current_led = 0

def cycle_leds():
   global current_led
   leds[current_led].off()
   current_led = (current_led + 1) % len(leds)
   leds[current_led].on()

button.when_activated = cycle_leds

ボタンの押下時間

ボタンを押している時間の長さに応じて、異なる動作を行う機能を追加できます。

from time import time

press_time = None

def start_timer():
   global press_time
   press_time = time()

def check_duration():
   global press_time
   duration = time() - press_time
   if duration < 2:
      led.on()
   else:
      led.off()

button.when_activated = start_timer
button.when_deactivated = check_duration

デバウンス処理

より正確にボタン押下を検出するために、ソフトウェアデバウンスを実装できます。

from time import time

press_time = None
debounce_time = 0.2

def press():
   global press_time
   press_time = time()

def debounce():
   global press_time
   current_time = time()
   duration = current_time - press_time
   if duration < debounce_time:
      return
   else:
      led.on()

button.when_activated = press
button.when_deactivated = debounce

まとめ

このプロジェクトでは、Fusion HAT+を使ってボタンでLEDを制御する方法を紹介しました。ボタンは汎用性の高いコンポーネントであり、基本的な回路から複雑なインタラクティブシステムまで、さまざまなアプリケーションに活用できます。