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2.6 リードスイッチ

はじめに

このプロジェクトでは、リードスイッチを磁場センサーとして使用し、LEDを制御する方法を学びます。リードスイッチは磁場によって動作する電気スイッチであり、セキュリティシステム、ドアや窓のセンサー、位置検出などで広く利用されています。本プロジェクトでは、リードスイッチの状態を検出し、2つのLEDを使って視覚的なフィードバックを行う方法を紹介します。

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
ジャンパーワイヤー	購入
リードスイッチモジュール	購入
LED	購入
抵抗器	購入
Fusion HAT+	-
Raspberry Pi	-

回路図

この回路では、リードスイッチをプルダウン抵抗付きのGPIO入力ピンに接続します。また、2つのLEDをそれぞれ別のGPIO出力ピンに電流制限抵抗を介して接続します。磁石がリードスイッチに近づくとスイッチが閉じ、LEDの状態が切り替わります。

配線図

以下の手順に従って回路を組み立ててください。

リードスイッチのGNDピンとVCCピンを、それぞれGNDと3.3Vに接続します。
リードスイッチのD0ピンをGPIO17に接続します。
LED1のカソードを220Ω抵抗を介してGPIO22に接続します。
LED1のアノードをGNDに接続します。
LED2のカソードを220Ω抵抗を介してGPIO27に接続します。
LED2のアノードを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。以下の手順に従ってサンプルを実行してください。

cd ~/ai-lab-kit/python/
sudo python3 2.6_ReedSwitch.py

このPythonスクリプトは、リードスイッチと2つの状態表示用LEDを使った磁場検出システムを作成します。実行すると、次のように動作します。

プログラムはリードスイッチの状態を継続的に監視します。
磁石が検出された場合（リードスイッチが閉じる）、LED1が消灯しLED2が点灯します。
磁石が検出されない場合（リードスイッチが開いている）、LED1が点灯しLED2が消灯します。
これにより、磁場の有無を視覚的に分かりやすく表示できます。
Ctrl+C を押すことでプログラムを安全に終了できます。

コード

以下のPythonコードは、リードスイッチの状態を監視し、それに応じて2つのLEDを制御します。

#!/usr/bin/env python3
from fusion_hat.pin import Pin, Mode, Pull
from time import sleep  # Import sleep for delay

# Initialize reed switch (Button) on GPIO pin 17
reed = Pin(17, mode=Mode.IN, pull=Pull.DOWN)

# Initialize LED1 connected to GPIO pin 22
led1 = Pin(22,mode=Mode.OUT)
# Initialize LED2 connected to GPIO pin 27
led2 = Pin(27,mode=Mode.OUT)

try:
    # Continuously monitor the state of the reed switch and control LEDs accordingly
    while True:
        if reed.value() == 0:  # Check if the reed switch is activated
            led1.off()  # Turn off LED1
            led2.on()   # Turn on LED2
        else:  # If the sensor is not activated
            led1.on()   # Turn on LED1
            led2.off()  # Turn off LED2

except KeyboardInterrupt:
    # Handle a keyboard interrupt (Ctrl+C) for a clean exit from the loop
    pass

コードの解説

ライブラリのインポート

fusion_hat ライブラリの Pin クラスを使用してGPIOピンを制御し、必要に応じて time.sleep を遅延処理に利用できます。
```
from fusion_hat.pin import Pin, Mode, Pull
from time import sleep  # Import sleep for delay
```
リードスイッチの初期化

リードスイッチはGPIO17に入力として設定し、スイッチが開いているときでも安定したLOW状態になるようプルダウン抵抗を使用します。
```
# Initialize reed switch (Button) on GPIO pin 17
reed = Pin(17, mode=Mode.IN, pull=Pull.DOWN)
```

LEDの初期化

2つのLEDをGPIO22とGPIO27に出力として設定し、状態表示用として使用します。

# Initialize LED1 connected to GPIO pin 22
led1 = Pin(22,mode=Mode.OUT)
# Initialize LED2 connected to GPIO pin 27
led2 = Pin(27,mode=Mode.OUT)

メイン監視ループ

while True ループでリードスイッチの状態を継続的に監視し、それに応じてLEDの状態を切り替えます。これにより、磁場の有無を視覚的に確認できます。

while True:
    if reed.value() == 0:  # Check if the reed switch is activated
        led1.off()  # Turn off LED1
        led2.on()   # Turn on LED2
    else:  # If the sensor is not activated
        led1.on()   # Turn on LED1
        led2.off()  # Turn off LED2

キーボード割り込み処理

try-except ブロックにより、 Ctrl+C による割り込み時にもプログラムを安全に終了できます。
```
except KeyboardInterrupt:
    # Handle a keyboard interrupt (Ctrl+C) for a clean exit from the loop
    pass
```

トラブルシューティング

リードスイッチが磁石を検出しない
- 原因: 磁石の向き、磁力不足、または配線の問題。
- 対処方法: 磁石の向きを変えてみる、より強い磁石を使用する、またはすべての配線を確認してください。
LEDが点灯しない
- 原因: GPIOピンの設定ミス、LEDの極性逆接続、または電流不足。
- 対処方法: ピン番号が正しいか確認し、LEDの極性（アノードがGPIO側）を確認し、適切な抵抗値を使用してください。
読み取りが不安定
- 原因: 電気ノイズや、リードスイッチが開いているときの入力の浮き。
- 対処方法: 内蔵プルダウン抵抗で通常は安定しますが、確実なGND接続を確認し、近くに電磁ノイズ源がないか確認してください。

拡張アイデア

セキュリティシステム

磁石がリードスイッチから離れたときに警報を鳴らす簡易ドア／窓セキュリティシステムを作成できます。

# Add a buzzer for audible alarm
from fusion_hat import Buzzer, PWM
buzzer = Buzzer(PWM('P0'))

while True:
    if reed.value() == 1:  # Door opened (magnet moved away)
        buzzer.play('C6', 0.5)  # Sound alarm
        led1.on()  # Red alert LED
    else:
        led2.on()  # Green safe LED
    sleep(0.1)

位置カウンター

磁石がリードスイッチの前を通過した回数を数えることで、回転速度測定などに利用できます。

counter = 0
last_state = 0

while True:
    current_state = reed.value()
    if last_state == 0 and current_state == 1:  # Detect rising edge
        counter += 1
        print(f"Count: {counter}")
    last_state = current_state
    sleep(0.01)  # Short delay for debouncing

2センサー検出

2つのリードスイッチを使用して移動方向を検出できます。

reed1 = Pin(17, Pin.IN, pull=Pin.PULL_DOWN)
reed2 = Pin(18, Pin.IN, pull=Pin.PULL_DOWN)

# Determine direction based on which sensor triggers first

まとめ

このプロジェクトでは、リードスイッチを磁場センサーとして使用し、LEDインジケーターを制御する方法を学びました。リードスイッチは信頼性が高くシンプルな部品であり、セキュリティシステム、位置検出、近接検知など多くの用途で広く利用されています。磁気検出と視覚的フィードバックを組み合わせることで、さまざまなアプリケーション向けの直感的な監視システムを構築できます。