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.. _3.1.4_c_pi5_mcp3008:

3.1.4 Intelligenter Lüfter (MCP3008)
====================================

.. note::

   .. image:: ../img/mcp3008_and_adc0834.jpg
      :width: 25%
      :align: left
    

   Je nach deiner Kit-Version überprüfe bitte, ob du **ADC0834** oder **MCP3008** hast, und fahre mit dem entsprechenden Abschnitt fort.

Einführung
----------

In diesem Projekt verwenden wir Motoren, Taster und Thermistoren, um einen manuellen + automatischen intelligenten Lüfter zu bauen, dessen Windgeschwindigkeit einstellbar ist.

Benötigte Komponenten
---------------------

In diesem Projekt benötigen wir die folgenden Komponenten. 

.. image:: ../img/list2_Smart_Fan.png
    :align: center

Schaltplan
----------

============ ======== ======== ===
T-Board-Name Physical WiringPi BCM
SPICE0       Pin 24   10       8
SPIMOSI      Pin 19   12       10
SPIMISO      Pin 21   13       9
SPISCLK      Pin 23   14       11
GPIO22       Pin 15   3        22
GPIO5        Pin 29   21       5
GPIO6        Pin 31   22       6
GPIO13       Pin 33   23       13
============ ======== ======== ===

.. image:: ../img/schematic_3.1.4_smart_fan_mcp3008.png
   :align: center

Experimentelle Schritte
-----------------------

**Schritt 1:** Baue die Schaltung auf.

.. image:: ../img/july24_3.1.4_smart_fan_mcp3008.png
    :align: center

.. note::
    Das Strommodul kann mit einer 9V-Batterie über den im Kit enthaltenen 9V-Batterieclip betrieben werden.  
    Stecke die Jumperkappe des Strommoduls in die 5V-Stromschiene des Breadboards.

.. image:: ../img/image118.jpeg
    :align: center

**Schritt 2:** Gehe in den Code-Ordner.

.. raw:: html

   <run></run>

.. code-block:: 

    cd ~/davinci-kit-for-raspberry-pi/c/3.1.4-2/

**Schritt 3:** Kompiliere.

.. raw:: html

   <run></run>

.. code-block:: 

    gcc 3.1.4_SmartFan.c -o SmartFan -lwiringPi -lm

**Schritt 4:** Führe die erstellte Datei aus.

.. raw:: html

   <run></run>

.. code-block:: 

    ./SmartFan

Während der Code läuft, starte den Lüfter, indem du den Taster drückst.  
Jedes Drücken erhöht oder verringert die Geschwindigkeit um eine Stufe.  
Es gibt **5** Geschwindigkeitsstufen: **0–4**.  
Wenn die 4. Stufe erreicht ist und du erneut drückst, stoppt der Lüfter (Stufe 0).

Sobald die Temperatur um mehr als 2 °C steigt oder fällt, wird die Geschwindigkeit automatisch um eine Stufe erhöht oder verringert.

.. note::

    Falls es nach dem Ausführen nicht funktioniert oder die Fehlermeldung „wiringPi.h: No such file or directory“ erscheint, siehe :ref:`install_wiringpi`.

Code
----

.. code-block:: c

    #include <wiringPi.h>
    #include <wiringPiSPI.h>
    #include <stdio.h>
    #include <softPwm.h>
    #include <math.h>

    #define SPI_CHANNEL 0
    #define SPI_SPEED   1000000
    #define MotorPin1   21
    #define MotorPin2   22
    #define MotorEnable 23
    #define BtnPin      3

    int read_ADC(int channel)
    {
        if (channel < 0 || channel > 7) return -1;

        unsigned char buffer[3];
        buffer[0] = 1;                      // Startbit
        buffer[1] = (8 + channel) << 4;     // Single-Ended-Modus und Kanal
        buffer[2] = 0;

        wiringPiSPIDataRW(SPI_CHANNEL, buffer, 3);

        int result = ((buffer[1] & 3) << 8) | buffer[2];
        return result;
    }

    int temperture()
    {
        int analogVal = read_ADC(0);
        double Vr = 3.3 * analogVal / 1023.0;  // 3,3V als Vref
        double Rt = 10000.0 * Vr / (3.3 - Vr);
        double temp = 1 / (((log(Rt / 10000.0)) / 3950.0) + (1 / (273.15 + 25.0)));
        double cel = temp - 273.15;
        double Fah = cel * 1.8 + 32;
        printf("Celsius: %.2f C  Fahrenheit: %.2f F\n", cel, Fah);
        return (int)cel;
    }

    int motor(int level)
    {
        if (level == 0) {
            digitalWrite(MotorEnable, LOW);
            return 0;
        }
        if (level >= 4) {
            level = 4;
        }
        digitalWrite(MotorEnable, HIGH);
        softPwmWrite(MotorPin1, level * 25);
        return level;
    }

    void setup()
    {
        if (wiringPiSetup() == -1) {
            printf("wiringPi-Setup fehlgeschlagen!\n");
            return;
        }

        if (wiringPiSPISetup(SPI_CHANNEL, SPI_SPEED) == -1) {
            printf("SPI-Setup fehlgeschlagen!\n");
            return;
        }

        softPwmCreate(MotorPin1, 0, 100);
        softPwmCreate(MotorPin2, 0, 100);
        pinMode(MotorEnable, OUTPUT);
        pinMode(BtnPin, INPUT);
    }

    int main(void)
    {
        setup();
        int currentState, lastState = 0;
        int level = 0;
        int currentTemp, markTemp = 0;

        while (1) {
            currentState = digitalRead(BtnPin);
            currentTemp = temperture();

            if (currentTemp <= 0) continue;

            if (currentState == 1 && lastState == 0) {
                level = (level + 1) % 5;
                markTemp = currentTemp;
                delay(500);
            }

            lastState = currentState;

            if (level != 0) {
                if (currentTemp - markTemp <= -2) {
                    level = level - 1;
                    markTemp = currentTemp;
                }
                if (currentTemp - markTemp >= 2) {
                    level = level + 1;
                    markTemp = currentTemp;
                }
            }

            level = motor(level);
        }

        return 0;
    }

Code-Erklärung
--------------

.. code-block:: c

    int read_ADC(int channel)
    {
        if (channel < 0 || channel > 7) return -1;

        unsigned char buffer[3];
        buffer[0] = 1;                      // Startbit
        buffer[1] = (8 + channel) << 4;     // Single-Ended-Modus und Kanal
        buffer[2] = 0;

        wiringPiSPIDataRW(SPI_CHANNEL, buffer, 3);

        int result = ((buffer[1] & 3) << 8) | buffer[2];
        return result;
    }

Diese Funktion liest den analogen Eingang des MCP3008 am angegebenen Kanal.  
Sie sendet einen 3-Byte-SPI-Befehl und gibt einen 10-Bit-Digitalwert (0–1023) zurück.

.. code-block:: c

    int temperture()
    {
        int analogVal = read_ADC(0);
        double Vr = 3.3 * analogVal / 1023.0;  // 3,3V als Vref
        double Rt = 10000.0 * Vr / (3.3 - Vr);
        double temp = 1 / (((log(Rt / 10000.0)) / 3950.0) + (1 / (273.15 + 25.0)));
        double cel = temp - 273.15;
        double Fah = cel * 1.8 + 32;
        printf("Celsius: %.2f C  Fahrenheit: %.2f F\n", cel, Fah);
        return (int)cel;
    }

Die Funktion ``temperture()`` liest das analoge Signal des Thermistors über den MCP3008,  
berechnet die Spannung und den Widerstand und wandelt diese mithilfe der Thermistorformel (Steinhart–Hart-Approximation) in °C und °F um.

.. code-block:: c

    int motor(int level)
    {
        if (level == 0) {
            digitalWrite(MotorEnable, LOW);
            return 0;
        }
        if (level >= 4) {
            level = 4;
        }
        digitalWrite(MotorEnable, HIGH);
        softPwmWrite(MotorPin1, level * 25);
        return level;
    }

Die Funktion ``motor()`` steuert die Lüftergeschwindigkeit über PWM.  
Die Stufen reichen von 0–4, wobei 0 den Lüfter ausschaltet und jede höhere Stufe den Tastgrad um 25 % erhöht.

.. code-block:: c

    void setup()
    {
        if (wiringPiSetup() == -1) {
            printf("wiringPi-Setup fehlgeschlagen!\n");
            return;
        }

        if (wiringPiSPISetup(SPI_CHANNEL, SPI_SPEED) == -1) {
            printf("SPI-Setup fehlgeschlagen!\n");
            return;
        }

        softPwmCreate(MotorPin1, 0, 100);
        softPwmCreate(MotorPin2, 0, 100);
        pinMode(MotorEnable, OUTPUT);
        pinMode(BtnPin, INPUT);
    }

Die Funktion ``setup()`` initialisiert WiringPi, richtet SPI ein,  
konfiguriert PWM und GPIO-Pins für Motorsteuerung und Tastereingabe.

.. code-block:: c

    int main(void)
    {
        setup();
        int currentState, lastState = 0;
        int level = 0;
        int currentTemp, markTemp = 0;

        while (1) {
            currentState = digitalRead(BtnPin);
            currentTemp = temperture();

            if (currentTemp <= 0) continue;

            if (currentState == 1 && lastState == 0) {
                level = (level + 1) % 5;
                markTemp = currentTemp;
                delay(500);
            }

            lastState = currentState;

            if (level != 0) {
                if (currentTemp - markTemp <= -2) {
                    level = level - 1;
                    markTemp = currentTemp;
                }
                if (currentTemp - markTemp >= 2) {
                    level = level + 1;
                    markTemp = currentTemp;
                }
            }

            level = motor(level);
        }

        return 0;
    }

Die ``main()``-Funktion enthält die Hauptschleife:

1. Liest kontinuierlich den Tasterzustand und die aktuelle Temperatur.  
2. Bei Tastendruck wird die Lüfterstufe erhöht (0–4) und die Temperatur gespeichert.  
3. Ändert sich die Temperatur um ±2 °C, wird die Lüftergeschwindigkeit automatisch angepasst.  
4. Ruft ``motor(level)`` auf, um die PWM-Ausgabe entsprechend der aktuellen Stufe zu setzen.