.. note::

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.. _3.1.8_py_pi5_mcp3008:

3.1.8 Überhitzungsmonitor (MCP3008)
===================================

.. note::

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

   Je nach Kit-Version bitte prüfen, ob **ADC0834** oder **MCP3008** enthalten ist, und mit dem entsprechenden Abschnitt fortfahren.

Einführung
----------

Vielleicht möchtest du ein Überhitzungs-Überwachungsgerät bauen, das in verschiedenen Situationen eingesetzt werden kann – z. B. in einer Fabrik, um bei einer Überhitzung der Schaltung einen Alarm auszulösen und die Maschine rechtzeitig automatisch abzuschalten.  
In diesem Projekt verwenden wir einen Thermistor, einen Joystick, einen Summer, eine LED und ein LCD, um ein intelligentes Temperaturüberwachungsgerät mit einstellbarem Grenzwert zu bauen.

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

In diesem Projekt benötigen wir die folgenden Komponenten:

.. image:: ../python_pi5/img/list2_Overheat_Monitor.png
    :width: 800
    :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       Pin15    3        22
GPIO23       Pin16    4        23
GPIO24       Pin18    5        24
SDA1         Pin 3             
SCL1         Pin 5             
============ ======== ======== ===

.. image:: ../python_pi5/img/schematic_over_monitor_mcp3008.png
   :align: center

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

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

.. image:: ../python_pi5/img/july24_3.1.8_overheat_monitor_mcp3008.png

**Schritt 2:** Richte die SPI-Schnittstelle ein und installiere die ``spidev``-Bibliothek (siehe :ref:`spi_configuration` für detaillierte Anweisungen). Falls diese Schritte bereits erledigt sind, kannst du sie überspringen.

**Schritt 3:** Wechsle in den Ordner mit dem Code.

.. raw:: html

   <run></run>

.. code-block::

    cd ~/davinci-kit-for-raspberry-pi/python-pi5

**Schritt 4:** Führe die Programmdatei aus.

.. raw:: html

   <run></run>

.. code-block::

    sudo python3 3.1.8-2_OverheatMonitor_zero.py

Während der Code läuft, werden die aktuelle Temperatur und der hohe Temperaturgrenzwert **40** auf dem **I2C LCD1602** angezeigt.  
Wenn die aktuelle Temperatur höher als der Grenzwert ist, werden der Summer und die LED eingeschaltet, um dich zu warnen.

Der **Joystick** dient hier dazu, den hohen Temperaturgrenzwert einzustellen.  
Das Bewegen des **Joysticks** in X- oder Y-Richtung passt den Grenzwert nach oben oder unten an.  
Durch erneutes Drücken des **Joysticks** wird der Grenzwert auf den Anfangswert zurückgesetzt.

.. note::

    * Falls der Fehler ``FileNotFoundError: [Errno 2] No such file or directory: '/dev/i2c-1'`` auftritt, siehe :ref:`i2c_config`, um I²C zu aktivieren.
    * Falls der Fehler ``ModuleNotFoundError: No module named 'smbus2'`` auftritt, führe ``sudo apt install python3-smbus2`` aus.
    * Falls der Fehler ``OSError: [Errno 121] Remote I/O error`` auftritt, ist das Modul falsch verdrahtet oder defekt.
    * Falls Code und Verdrahtung korrekt sind, aber das LCD dennoch nichts anzeigt, kann der Potentiometer auf der Rückseite zur Erhöhung des Kontrasts gedreht werden.

.. warning::

    Falls die Fehlermeldung ``RuntimeError: Cannot determine SOC peripheral base address`` erscheint, siehe :ref:`faq_soc`

**Code**

.. note::
    Du kannst den folgenden Code **Ändern/Zurücksetzen/Kopieren/Ausführen/Stoppen**.  
    Vorher musst du jedoch in das Quellcode-Verzeichnis wechseln (z. B. ``davinci-kit-for-raspberry-pi/python``).  
    Nach einer Änderung kannst du den Code direkt ausführen, um den Effekt zu sehen.

.. raw:: html

    <run></run>

.. code-block:: python

    #!/usr/bin/env python3

    import LCD1602
    from gpiozero import LED, Buzzer, Button
    import spidev
    import time
    import math

    # Joystick-Taste, Summer und LED initialisieren
    Joy_BtnPin = Button(22)  # GPIO22, Pin15
    buzzPin = Buzzer(23)     # GPIO23, Pin16
    ledPin = LED(24)         # GPIO24, Pin18

    # Anfangswert für obere Temperaturgrenze
    upperTem = 40

    # SPI für MCP3008 initialisieren (Bus 0, CE0 -> GPIO8 / Pin24)
    spi = spidev.SpiDev()
    spi.open(0, 0)
    spi.max_speed_hz = 1000000  # 1 MHz

    # LCD initialisieren (I2C-Adresse 0x27, Hintergrundbeleuchtung an)
    LCD1602.init(0x27, 1)

    def read_adc(channel):
        """
        Liest den analogen Wert vom MCP3008 (0–7).
        """
        if channel < 0 or channel > 7:
            return -1
        adc = spi.xfer2([1, (8 + channel) << 4, 0])
        value = ((adc[1] & 0x03) << 8) | adc[2]
        return value

    def get_joystick_value():
        """
        Liest die Joystick-Werte und gibt eine Änderungszahl je nach Joystick-Position zurück.
        """
        x_val = read_adc(1)
        y_val = read_adc(2)
        if x_val > 800:
            return 1
        elif x_val < 200:
            return -1
        elif y_val > 800:
            return -10
        elif y_val < 200:
            return 10
        else:
            return 0

    def upper_tem_setting():
        """
        Passt die obere Temperaturgrenze an und zeigt sie auf dem LCD an.
        """
        global upperTem
        LCD1602.write(0, 0, 'Upper Adjust: ')
        change = int(get_joystick_value())
        upperTem += change
        strUpperTem = str(upperTem)
        LCD1602.write(0, 1, strUpperTem)
        LCD1602.write(len(strUpperTem), 1, '              ')
        time.sleep(0.1)

    def temperature():
        """
        Liest die aktuelle Temperatur vom Sensor und gibt sie in Celsius zurück.
        """
        analogVal = read_adc(0)
        Vr = 3.3 * analogVal / 1023.0  # Spannung über dem Festwiderstand
        if Vr == 0:
            return 0  # Division durch Null vermeiden
        Rt = 10000.0 * Vr / (3.3 - Vr)  # Angepasste Formel
        temp = 1 / (((math.log(Rt / 10000.0)) / 3950.0) + (1 / (273.15 + 25.0)))
        Cel = temp - 273.15
        return round(Cel, 2)

    def monitoring_temp():
        """
        Überwacht und zeigt die aktuelle Temperatur und die obere Temperaturgrenze an.
        Aktiviert Summer und LED, wenn die Temperatur die Obergrenze überschreitet.
        """
        global upperTem
        Cel = temperature()
        LCD1602.write(0, 0, 'Temp: ')
        LCD1602.write(0, 1, 'Upper: ')
        LCD1602.write(6, 0, str(Cel))
        LCD1602.write(7, 1, str(upperTem))
        time.sleep(0.1)
        if Cel >= upperTem:
            buzzPin.on()
            ledPin.on()
        else:
            buzzPin.off()
            ledPin.off()

    # Hauptprogrammschleife
    try:
        lastState = 1
        stage = 0
        while True:
            currentState = Joy_BtnPin.value
            if currentState == 1 and lastState == 0:
                stage = (stage + 1) % 2
                time.sleep(0.1)
                LCD1602.clear()
            lastState = currentState
            if stage == 1:
                upper_tem_setting()
            else:
                monitoring_temp()
    except KeyboardInterrupt:
        LCD1602.clear()
        spi.close()

Code-Erklärung
--------------

#. Importiert die benötigten Bibliotheken. ``LCD1602`` für das LCD-Display über I²C, ``gpiozero`` für LED, Summer und Taste, ``spidev`` für die Kommunikation mit dem MCP3008, sowie ``time`` und ``math`` für Verzögerungen und Temperaturberechnungen.

   .. code-block:: python

       #!/usr/bin/env python3

       import LCD1602
       from gpiozero import LED, Buzzer, Button
       import spidev
       import time
       import math

#. Initialisiert die Hardwarekomponenten:

   * ``Button(22)`` für die Joystick-Taste  
   * ``Buzzer(23)`` und ``LED(24)`` als Ausgabesignale für hohe Temperatur

   .. code-block:: python

       Joy_BtnPin = Button(22)  # GPIO22, Pin15
       buzzPin = Buzzer(23)     # GPIO23, Pin16
       ledPin = LED(24)         # GPIO24, Pin18

#. Setzt den Standard-Grenzwert für die obere Temperatur und initialisiert SPI sowie LCD1602.

   .. code-block:: python

       upperTem = 40

       spi = spidev.SpiDev()
       spi.open(0, 0)
       spi.max_speed_hz = 1000000

       LCD1602.init(0x27, 1)

#. ``read_adc(channel)`` liest den analogen Wert (0–1023) vom MCP3008-Kanal.

   .. code-block:: python

       def read_adc(channel):
           if channel < 0 or channel > 7:
               return -1
           adc = spi.xfer2([1, (8 + channel) << 4, 0])
           value = ((adc[1] & 0x03) << 8) | adc[2]
           return value


#. ``get_joystick_value()`` wertet die Joystick-Position (Kanäle 1 und 2) aus und gibt je nach Richtung Anpassungswerte zurück.

   .. code-block:: python

       def get_joystick_value():
           x_val = read_adc(1)
           y_val = read_adc(2)
           if x_val > 800:
               return 1
           elif x_val < 200:
               return -1
           elif y_val > 800:
               return -10
           elif y_val < 200:
               return 10
           else:
               return 0

#. ``upper_tem_setting()`` passt den oberen Temperaturgrenzwert an und zeigt ihn auf dem LCD an.

   .. code-block:: python

       def upper_tem_setting():
           global upperTem
           LCD1602.write(0, 0, 'Upper Adjust: ')
           change = int(get_joystick_value())
           upperTem += change
           strUpperTem = str(upperTem)
           LCD1602.write(0, 1, strUpperTem)
           LCD1602.write(len(strUpperTem), 1, '              ')
           time.sleep(0.1)

#. ``temperature()`` berechnet die Temperatur in °C anhand der Steinhart–Hart-Approximation.

   .. code-block:: python

      def temperature():
         """
         Reads the current temperature from the sensor and returns it in Celsius.
         """
         analogVal = read_adc(0)
         Vr = 3.3 * analogVal / 1023.0  # Voltage across the fixed resistor
         if Vr == 0:
               return 0  # Prevent division by zero
         Rt = 10000.0 * Vr / (3.3 - Vr)  # Adjusted formula: thermistor voltage is (3.3 - Vr)
         temp = 1 / (((math.log(Rt / 10000.0)) / 3950.0) + (1 / (273.15 + 25.0)))
         Cel = temp - 273.15
         return round(Cel, 2)

#. ``monitoring_temp()`` überwacht die Temperatur, vergleicht sie mit dem Grenzwert, zeigt beide Werte an und schaltet Summer/LED ein, wenn der Grenzwert überschritten wird.

   .. code-block:: python

       def monitoring_temp():
           global upperTem
           Cel = temperature()
           LCD1602.write(0, 0, 'Temp: ')
           LCD1602.write(0, 1, 'Upper: ')
           LCD1602.write(6, 0, str(Cel))
           LCD1602.write(7, 1, str(upperTem))
           time.sleep(0.1)
           if Cel >= upperTem:
               buzzPin.on()
               ledPin.on()
           else:
               buzzPin.off()
               ledPin.off()

#. Die Hauptschleife schaltet mit der Joystick-Taste zwischen Einstell- und Überwachungsmodus um.

   .. code-block:: python

       try:
           lastState = 1
           stage = 0
           while True:
               currentState = Joy_BtnPin.value
               if currentState == 1 and lastState == 0:
                   stage = (stage + 1) % 2
                   time.sleep(0.1)
                   LCD1602.clear()
               lastState = currentState
               if stage == 1:
                   upper_tem_setting()
               else:
                   monitoring_temp()


#. Bei Programmende werden LCD geleert und SPI-Verbindung geschlossen.

   .. code-block:: python

       except KeyboardInterrupt:
           LCD1602.clear()
           spi.close()