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3.1.4 スマートファン(MCP3008)
注釈
お持ちのキットの種類によって、ADC0834 または MCP3008 を確認し、対応するセクションに進んでください。
はじめに
このプロジェクトでは、モーター、ボタン、サーミスタを使って、手動＋自動のスマートファンを作ります。風量は調整可能です。
必要な部品
このプロジェクトには以下の部品を使用します。
回路図
T-Board 名 |
物理 |
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 |
実験手順
手順1: 回路を組み立てます。
注釈
電源モジュールにはキット付属の9V電池スナップを使用して9V電池を接続できます。電源モジュールのジャンパーキャップをブレッドボードの5V電源ラインに差し込みます。
C言語ユーザー向け
手順2: コードのフォルダに移動します。
cd ~/davinci-kit-for-raspberry-pi/c/3.1.4-2/
手順3: コンパイルします。
gcc 3.1.4_SmartFan.c -o SmartFan -lwiringPi -lm
手順4: 実行ファイルを実行します。
./SmartFan
プログラム実行後、ボタンを押すとファンが動きます。押すたびに風量レベルが1段階ずつ上下し、0～4 の5段階で調整されます。レベル4の状態でさらに押すと風量0になり停止します。
温度が ±2℃ 変化すると、自動的に風量が1段階増減します。
注釈
実行してもうまく動作しない場合や、エラー「wiringPi.h: No such file or directory」が出る場合は、wiringPi のインストールと確認 を参照してください。
コード
#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; // Start bit
buffer[1] = (8 + channel) << 4; // Single-ended mode and channel
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; // Use 3.3V as Vref for MCP3008
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 failed!\n");
return;
}
if (wiringPiSPISetup(SPI_CHANNEL, SPI_SPEED) == -1) {
printf("SPI setup failed!\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 Explanation
int read_ADC(int channel)
{
if (channel < 0 || channel > 7) return -1;
unsigned char buffer[3];
buffer[0] = 1; // Start bit
buffer[1] = (8 + channel) << 4; // Single-ended mode and channel
buffer[2] = 0;
wiringPiSPIDataRW(SPI_CHANNEL, buffer, 3);
int result = ((buffer[1] & 3) << 8) | buffer[2];
return result;
}
この関数は、MCP3008の指定した入力から値を読むものです。3バイトのSPI信号を送り、0～1023の10bitの値を返します。
int temperture()
{
int analogVal = read_ADC(0);
double Vr = 3.3 * analogVal / 1023.0; // Use 3.3V as Vref for MCP3008
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;
}
temperture() 関数は、MCP3008を通じてサーミスタの値を読み、電圧・抵抗を計算してから、セルシウスと華氏の温度に変換します（シュタインハルト・ハート近似式）。
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;
}
motor() 関数はPWMで扇風機の回転を制御します。レベル0では停止し、レベル1～4ではそれぞれ25%ずつ増加します。
void setup()
{
if (wiringPiSetup() == -1) {
printf("wiringPi setup failed!\n");
return;
}
if (wiringPiSPISetup(SPI_CHANNEL, SPI_SPEED) == -1) {
printf("SPI setup failed!\n");
return;
}
softPwmCreate(MotorPin1, 0, 100);
softPwmCreate(MotorPin2, 0, 100);
pinMode(MotorEnable, OUTPUT);
pinMode(BtnPin, INPUT);
}
setup() 関数はWiringPiを初期化し、SPIを設定し、PWMとGPIOを準備します。
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;
}
main() 関数は以下を行います:
常に釦入力と温度を確認します。
釦を押すと風量が1段階上がり（0～4を循環）、その時点の温度を記録します。
温度が ±2℃ 変化したら風量を自動調整します。
motor(level)を呼び出して出力を更新します。
Pythonユーザー向け
手順2: SPIインターフェースを有効化し、 spidev ライブラリをインストールします（詳細は SPI 設定 を参照）。既に完了している場合はスキップ可能です。
手順3: コードのフォルダに移動します。
cd ~/davinci-kit-for-raspberry-pi/python
手順4: 実行します。
sudo python3 3.1.4-2_SmartFan.py
プログラム実行後、ボタンを押すとファンが動きます。押すたびに風量レベルが1段階ずつ上下し、 0～4 の5段階で調整されます。レベル4の状態でさらに押すと風量0になり停止します。
温度が ±2℃ 変化すると、自動的に風量が1段階増減します。
コード
注釈
You can Modify/Reset/Copy/Run/Stop the code below. But before that, you need to go to source code path like davinci-kit-for-raspberry-pi/python. After modifying the code, you can run it directly to see the effect.
#!/usr/bin/env python3
import RPi.GPIO as GPIO
import spidev
import time
import math
# Pin configuration
BTN_PIN = 22 # Button GPIO (physical pin 15)
MOTOR_IN1 = 5 # Motor forward
MOTOR_IN2 = 6 # Motor backward
MOTOR_EN = 13 # PWM enable pin
# GPIO setup
GPIO.setmode(GPIO.BCM)
GPIO.setup(BTN_PIN, GPIO.IN, pull_up_down=GPIO.PUD_UP)
GPIO.setup(MOTOR_IN1, GPIO.OUT)
GPIO.setup(MOTOR_IN2, GPIO.OUT)
GPIO.setup(MOTOR_EN, GPIO.OUT)
# PWM setup for motor speed control
pwm = GPIO.PWM(MOTOR_EN, 1000) # 1kHz frequency
pwm.start(0)
# Initialize SPI for MCP3008
spi = spidev.SpiDev()
spi.open(0, 0) # Bus 0, CE0
spi.max_speed_hz = 1000000 # 1 MHz
# Global variables
level = 0
currentTemp = 0
markTemp = 0
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
def temperature():
analogVal = read_adc(0)
Vr = 3.3 * analogVal / 1023.0
Rt = 10000.0 * Vr / (3.3 - Vr)
tempK = 1.0 / (((math.log(Rt / 10000.0)) / 3950.0) + (1.0 / (273.15 + 25.0)))
Cel = tempK - 273.15
return Cel
def motor_run(level):
if level == 0:
GPIO.output(MOTOR_IN1, GPIO.LOW)
GPIO.output(MOTOR_IN2, GPIO.LOW)
pwm.ChangeDutyCycle(0)
return 0
if level >= 4:
level = 4
GPIO.output(MOTOR_IN1, GPIO.HIGH)
GPIO.output(MOTOR_IN2, GPIO.LOW)
pwm.ChangeDutyCycle(level * 25) # Map level (1–4) to 25%–100%
return level
def changeLevel(channel):
global level, currentTemp, markTemp
print("Button pressed")
level = (level + 1) % 5
markTemp = currentTemp
# Add event detection for button press
GPIO.add_event_detect(BTN_PIN, GPIO.FALLING, callback=changeLevel, bouncetime=300)
def main():
global level, currentTemp, markTemp
markTemp = temperature()
while True:
currentTemp = temperature()
if level != 0:
if currentTemp - markTemp <= -2:
level -= 1
markTemp = currentTemp
elif currentTemp - markTemp >= 2:
if level < 4:
level += 1
markTemp = currentTemp
level = motor_run(level)
time.sleep(0.2)
try:
main()
except KeyboardInterrupt:
pass
finally:
pwm.stop()
GPIO.cleanup()
spi.close()
コード解説
必要な道具を導入:
RPi.GPIO… GPIO制御（押し釦と回転機）spidev… MCP3008との通信time… 待機処理math… 対数関数を用いた温度計算
#!/usr/bin/env python3 import RPi.GPIO as GPIO import spidev import time import math
GPIOの端子を設定:
押し釦を GPIO22 に接続（内部プルアップ有効）
回転機の制御に GPIO5（正転）, GPIO6（逆転）, GPIO13（PWM有効）を使用
BTN_PIN = 22 MOTOR_IN1 = 5 MOTOR_IN2 = 6 MOTOR_EN = 13 GPIO.setmode(GPIO.BCM) GPIO.setup(BTN_PIN, GPIO.IN, pull_up_down=GPIO.PUD_UP) GPIO.setup(MOTOR_IN1, GPIO.OUT) GPIO.setup(MOTOR_IN2, GPIO.OUT) GPIO.setup(MOTOR_EN, GPIO.OUT) pwm = GPIO.PWM(MOTOR_EN, 1000) pwm.start(0)
MCP3008とのSPI通信を初期化（バス0, チップイネーブル0, 速度1 MHz）:
spi = spidev.SpiDev() spi.open(0, 0) spi.max_speed_hz = 1000000
read_adc()関数を定義（指定したMCP3008の入力端子から10bit値（0–1023）を読み取る）: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
temperature()関数を定義:アナログ電圧を抵抗値に換算
シュタインハルト・ハート式を使ってセルシウス温度を計算
def temperature(): analogVal = read_adc(0) Vr = 3.3 * analogVal / 1023.0 Rt = 10000.0 * Vr / (3.3 - Vr) tempK = 1.0 / (((math.log(Rt / 10000.0)) / 3950.0) + (1.0 / (273.15 + 25.0))) Cel = tempK - 273.15 return Cel
motor_run()関数を定義:レベル0のときは回転機を停止
レベル1～4のときは前進回転、PWMデューティ比を25%～100%に対応
def motor_run(level): if level == 0: GPIO.output(MOTOR_IN1, GPIO.LOW) GPIO.output(MOTOR_IN2, GPIO.LOW) pwm.ChangeDutyCycle(0) return 0 if level >= 4: level = 4 GPIO.output(MOTOR_IN1, GPIO.HIGH) GPIO.output(MOTOR_IN2, GPIO.LOW) pwm.ChangeDutyCycle(level * 25) return level
changeLevel()コールバックを定義（押し釦が押されたとき）:レベルを 0～4 の範囲で循環的に増加
現在の温度を基準温度として記録
def changeLevel(channel): global level, currentTemp, markTemp print("Button pressed") level = (level + 1) % 5 markTemp = currentTemp GPIO.add_event_detect(BTN_PIN, GPIO.FALLING, callback=changeLevel, bouncetime=300)
main()ループを定義:記録した温度との変化を監視
温度が2℃以上下がればレベルを1段階下げる
温度が2℃以上上がればレベルを1段階上げる
0.2秒ごとに回転機の速度を調整
def main(): global level, currentTemp, markTemp markTemp = temperature() while True: currentTemp = temperature() if level != 0: if currentTemp - markTemp <= -2: level -= 1 markTemp = currentTemp elif currentTemp - markTemp >= 2: if level < 4: level += 1 markTemp = currentTemp level = motor_run(level) time.sleep(0.2)
main()を実行し、Ctrl+Cで停止したときに必ず後始末を行う（回転機停止、GPIO解放、SPI終了）:try: main() except KeyboardInterrupt: pass finally: pwm.stop() GPIO.cleanup() spi.close()