.. note::

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.. _4.1.10_py_mcp3008:

4.1.10 Intelligenter Ventilator (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 Ventilator zu bauen, dessen Windgeschwindigkeit einstellbar ist.

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

Für dieses Projekt benötigen wir die folgenden Komponenten.

.. image:: ../img/list2_Smart_Fan.png
    :width: 800
    :align: center

Es ist auf jeden Fall praktisch, ein komplettes Kit zu kaufen. Hier ist der Link:

.. list-table::
    :widths: 20 20 20
    :header-rows: 1

    *   - Name	
        - ENTHALTENE ARTIKEL
        - LINK
    *   - Raphael Kit
        - 337
        - |link_Raphael_kit|

Du kannst die Komponenten auch einzeln über die folgenden Links kaufen.

.. list-table::
    :widths: 30 20
    :header-rows: 1

    *   - KOMPONENTENBESCHREIBUNG
        - KAUFLINK

    *   - :ref:`cpn_gpio_board`
        - |link_gpio_board_buy|
    *   - :ref:`cpn_breadboard`
        - |link_breadboard_buy|
    *   - :ref:`cpn_wires`
        - |link_wires_buy|
    *   - :ref:`cpn_resistor`
        - |link_resistor_buy|
    *   - :ref:`cpn_power_module`
        - \-
    *   - :ref:`cpn_thermistor`
        - |link_thermistor_buy|
    *   - :ref:`cpn_l293d`
        - \-
    *   - :ref:`cpn_mcp3008`
        - \-
    *   - :ref:`cpn_button`
        - |link_button_buy|
    *   - :ref:`cpn_motor`
        - |link_motor_buy|

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

.. note::
    Das Netzmodul kann mit einer 9V-Batterie und dem 9V-Batterieanschluss aus dem Kit betrieben werden.  
    Stecke den Jumper des Netzmoduls in die 5V-Stromschienen des Breadboards.

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

**Schritt 2:** Richte die SPI-Schnittstelle ein und installiere die ``spidev``-Bibliothek (siehe :ref:`spi_configuration` für detaillierte Anweisungen). Wenn du diese Schritte bereits abgeschlossen hast, kannst du diesen Schritt überspringen.

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

.. raw:: html

   <run></run>

.. code-block::

    cd ~/raphael-kit/python

**Schritt 4:** Führe den Code aus.

.. raw:: html

   <run></run>

.. code-block::

    sudo python3 4.1.10-2_SmartFan.py

Während der Code läuft, starte den Ventilator, indem du den Knopf drückst.  
Bei jedem Drücken wird eine Geschwindigkeitsstufe hoch- oder runtergeschaltet.  
Es gibt **5** Geschwindigkeitsstufen: **0~4**. Wenn die 4. Stufe erreicht ist und der Knopf erneut gedrückt wird, stoppt der Ventilator bei Windstufe **0**.

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

Code
----

.. note::
    Du kannst den untenstehenden Code **Bearbeiten/Zurücksetzen/Kopieren/Ausführen/Stoppen**.  
    Wechsle vorher in den Quellcodepfad wie ``raphael-kit/python``.  
    Nach dem Ändern kannst du den Code direkt ausführen, um das Ergebnis zu sehen.

.. raw:: html

    <run></run>

.. code-block:: python

    #!/usr/bin/env python3

    import RPi.GPIO as GPIO
    import spidev
    import time
    import math

    # Pin-Konfiguration
    BTN_PIN = 22            # Taster
    MOTOR_IN1 = 5           # Motor vorwärts
    MOTOR_IN2 = 6           # Motor rückwärts
    MOTOR_EN = 13           # PWM-Pin

    # GPIO einrichten
    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 für Motorsteuerung
    pwm = GPIO.PWM(MOTOR_EN, 1000)  # 1kHz
    pwm.start(0)

    # SPI initialisieren (MCP3008)
    spi = spidev.SpiDev()
    spi.open(0, 0)  # Bus 0, CE0
    spi.max_speed_hz = 1000000  # 1 MHz

    # Globale Variablen
    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)  # 25%–100%
        return level

    def changeLevel(channel):
        global level, currentTemp, markTemp
        print("Button pressed")
        level = (level + 1) % 5
        markTemp = currentTemp

    # Ereigniserkennung für Taster
    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()

Code-Erklärung
--------------

#. Benötigte Module importieren:

   - ``RPi.GPIO`` für die Steuerung von GPIO (Taster und Motor),
   - ``spidev`` für die Kommunikation mit MCP3008,
   - ``time`` für Verzögerungen,
   - ``math`` für Temperaturberechnungen.

   .. code-block:: python

       import RPi.GPIO as GPIO
       import spidev
       import time
       import math

#. GPIO-Pins einrichten:

   - Taster auf GPIO22 (interner Pull-Up),
   - Motorsteuerung über GPIO5 (vorwärts), GPIO6 (rückwärts) und GPIO13 (PWM).

   .. code-block:: python

       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)

#. SPI-Kommunikation mit dem MCP3008 initialisieren (Bus 0, CE0) bei 1 MHz.

   .. code-block:: python

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

#. Funktion ``read_adc()`` definiert, um einen 10-Bit-Analogwert (0–1023) vom angegebenen MCP3008-Kanal zu lesen.

   .. 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

#. Funktion ``temperature()``:

   - Analogspannung in Widerstand umrechnen,
   - Steinhart–Hart-Gleichung anwenden, um die Temperatur in °C zu berechnen.

   .. code-block:: python

       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

#. Funktion ``motor_run()``:

   - Motor bei Stufe 0 stoppen,
   - Motor vorwärts laufen lassen bei Stufe 1–4 mit PWM 25 % bis 100 %.

   .. code-block:: python

       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()``-Callback bei Tastendruck:

   - Motorstufe zyklisch erhöhen (0 bis 4),
   - aktuelle Temperatur als Referenz speichern.

   .. code-block:: python

       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()``-Schleife:

   - Temperaturänderung überwachen,
   - Bei -2 °C Stufe senken, bei +2 °C Stufe erhöhen,
   - Motorgeschwindigkeit entsprechend anpassen.

   .. code-block:: python

       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)

#. Hauptfunktion starten und bei Strg+C aufräumen (Motor stoppen, GPIO und SPI freigeben).

   .. code-block:: python

       try:
           main()
       except KeyboardInterrupt:
           pass
       finally:
           pwm.stop()
           GPIO.cleanup()
           spi.close()