.. note::

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.. _4.1.10_py_pi5_mcp3008:

4.1.7 Intelligenter Ventilator (MCP3008)
=========================================

.. note::

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

   Abhängig von Ihrer Kit-Version identifizieren Sie bitte, ob Sie **ADC0834** oder **MCP3008** haben, und fahren Sie mit dem entsprechenden Abschnitt fort.

Einführung
-----------------

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

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

In diesem Projekt benötigen wir die folgenden Komponenten.

.. image:: ../python_pi5/img/list2_Smart_Fan.png
    :width: 800
    :align: center

Es ist auf jeden Fall bequem, ein komplettes Kit zu kaufen, hier ist der Link: 

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

    *   - Name	
        - ELEMENTE IN DIESEM KIT
        - LINK
    *   - Raphael Kit
        - 337
        - |link_Raphael_kit|

Sie können diese 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:: ../python_pi5/img/schematic_3.1.4_smart_fan_mcp3008.png
    :align: center
    :width: 800

Experimentelle Verfahren
-----------------------------

**Schritt 1:** Bauen Sie die Schaltung auf.

.. image:: ../python_pi5/img/july24_3.1.4_smart_fan_mcp3008.png
    :width: 800

.. note::
    Das Strommodul kann eine 9V-Batterie mit dem im Kit enthaltenen 9V-Batterieclip verwenden.

.. image:: ../python_pi5/img/4.1.10_smart_fan_battery.jpeg
    :align: center

**Schritt 2:** Richten Sie die SPI-Schnittstelle ein und installieren Sie die ``spidev``-Bibliothek (siehe :ref:`spi_configuration` für detaillierte Anweisungen). Wenn Sie diese Schritte bereits abgeschlossen haben, können Sie diesen Schritt überspringen.

**Schritt 3:** Wechseln Sie in den Ordner mit dem Code.

.. raw:: html

   <run></run>

.. code-block:: 

    cd ~/raphael-kit/python-pi5

**Schritt 4:** Ausführen.

.. raw:: html

   <run></run>

.. code-block:: 

    sudo python3 4.1.10-2_SmartFan_zero.py

Sobald der Code ausgeführt wird, starten Sie den Ventilator durch Drücken des Knopfes. Bei jedem Druck wird die Geschwindigkeit um eine Stufe erhöht oder verringert. Es gibt **5** Geschwindigkeitsstufen: **0~4**. Wenn die 4. Stufe erreicht ist und Sie erneut drücken, stoppt der Ventilator mit **0** Windgeschwindigkeit.

Wenn sich die Temperatur um mehr als 2℃ ändert, erhöht oder verringert sich die Geschwindigkeit automatisch um eine Stufe.

Code
--------

.. note::
    Sie können den untenstehenden Code **Ändern/Zurücksetzen/Kopieren/Ausführen/Stoppen**.  
    Vorher müssen Sie jedoch zum Quellcodepfad wie ``raphael-kit/python-pi5`` wechseln.  
    Nach dem Ändern des Codes können Sie ihn direkt ausführen, um das Ergebnis zu sehen.

.. raw:: html

    <run></run>

.. code-block:: python

    #!/usr/bin/env python3

    from gpiozero import Motor, Button
    from time import sleep
    import spidev
    import math

    # Initialisiere SPI für MCP3008
    spi = spidev.SpiDev()
    spi.open(0, 0)  # Bus 0, CE0 (GPIO8 / physical pin 24)
    spi.max_speed_hz = 1000000  # 1 MHz

    # Initialisiere GPIO-Pins für den Knopf und die Motorsteuerung
    BtnPin = Button(22)  # GPIO22 (physikalischer Pin 15)
    motor = Motor(forward=5, backward=6, enable=13)  # GPIO5, GPIO6, GPIO13

    # Initialisiere Variablen zur Verfolgung der Motorgeschwindigkeit und Temperatur
    level = 0
    currentTemp = 0
    markTemp = 0

    def read_adc(channel):
        """
        Liest den analogen Wert vom MCP3008-Kanal (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 temperature():
        """
        Liest und berechnet die aktuelle Temperatur vom Sensor.
        Rückgabe:
            float: Die aktuelle Temperatur in Grad Celsius.
        """
        analogVal = read_adc(0)  # Thermistor an CH0 angeschlossen
        Vr = 3.3 * analogVal / 1023.0  # Für 3,3V-System
        Rt = 10000.0 * Vr / (3.3 - Vr)
        temp = 1 / (((math.log(Rt / 10000.0)) / 3950.0) + (1 / (273.15 + 25.0)))
        Cel = temp - 273.15
        return Cel

    def motor_run(level):
        """
        Passt die Motordrehzahl basierend auf der angegebenen Stufe an.
        Argumente:
            level (int): gewünschte Motordrehzahlstufe.
        Rückgabe:
            int: Angepasste Motordrehzahlstufe.
        """
        if level == 0:
            motor.stop()
            return 0
        if level >= 4:
            level = 4
        motor.forward(speed=float(level / 4))
        return level

    def changeLevel():
        """
        Ändert die Motordrehzahlstufe, wenn die Taste gedrückt wird, und aktualisiert die Referenztemperatur.
        """
        global level, currentTemp, markTemp
        print("Button gedrückt")
        level = (level + 1) % 5
        markTemp = currentTemp

    # Verknüpfe die Tastenereignisfunktion
    BtnPin.when_pressed = changeLevel

    def main():
        """
        Hauptfunktion zur kontinuierlichen Überwachung und Reaktion auf Temperaturänderungen.
        """
        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)
            sleep(0.2)

    try:
        main()
    except KeyboardInterrupt:
        motor.stop()
        spi.close()

Code-Erklärung
---------------------

#. Importiert Bibliotheken für Motor- und Tastensteuerung, SPI-Kommunikation mit MCP3008 und mathematische Berechnungen. Die ``gpiozero``-Bibliothek wird zur Steuerung von GPIO-Geräten verwendet, ``spidev`` für die SPI-Kommunikation mit dem MCP3008-ADC und ``math`` für Temperaturberechnungen.

   .. code-block:: python

       #!/usr/bin/env python3

       from gpiozero import Motor, Button
       from time import sleep
       import spidev
       import math

#. Initialisiert die SPI-Kommunikation auf Bus 0, Gerät 0 (CE0), der mit dem MCP3008-ADC-Chip verbunden ist.

   .. code-block:: python

       # Initialize SPI for MCP3008
       spi = spidev.SpiDev()
       spi.open(0, 0)  # Bus 0, CE0 (GPIO8 / physical pin 24)
       spi.max_speed_hz = 1000000  # 1 MHz

#. Richtet GPIO-Pin 22 als Tasten-Eingang ein und konfiguriert den Motor mit GPIO5 (vorwärts), GPIO6 (rückwärts) und GPIO13 (Enable). Deklariert außerdem globale Variablen zur Verfolgung von Motordrehzahlstufe und Temperatur.


   .. code-block:: python

       # Initialize GPIO pins for the button and motor control
       BtnPin = Button(22)  # GPIO22 (physical pin 15)
       motor = Motor(forward=5, backward=6, enable=13)  # GPIO5, GPIO6, GPIO13

       # Initialize variables to track the motor speed level and temperatures
       level = 0
       currentTemp = 0
       markTemp = 0


#. Definiert eine Funktion zum Lesen analoger Werte vom MCP3008 auf einem angegebenen Kanal über SPI. Der zurückgegebene Wert ist eine 10-Bit-Zahl (0–1023).

   .. code-block:: python

       def read_adc(channel):
           """
           Reads analog value from MCP3008 channel (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

#. Definiert eine Funktion zum Lesen der Temperatur vom Thermistor, der an MCP3008-Kanal 0 angeschlossen ist. Sie wandelt den ADC-Wert in Spannung um, berechnet den Widerstand und konvertiert ihn anschließend mithilfe der Steinhart-Hart-Approximation in Grad Celsius.

   .. code-block:: python

       def temperature():
           """
           Reads and calculates the current temperature from the sensor.
           Returns:
               float: The current temperature in Celsius.
           """
           analogVal = read_adc(0)  # Assuming thermistor connected to CH0
           Vr = 3.3 * analogVal / 1023.0  # For 3.3V system
           Rt = 10000.0 * Vr / (3.3 - Vr)
           temp = 1 / (((math.log(Rt / 10000.0)) / 3950.0) + (1 / (273.15 + 25.0)))
           Cel = temp - 273.15
           return Cel

#. Eine Funktion zur Steuerung der Motordrehzahl basierend auf ``level`` (0–4). Der Motor stoppt bei Stufe 0, und bei Stufen 1–4 wird die PWM-Geschwindigkeit proportional eingestellt (z. B. Stufe 2 entspricht 50 % Geschwindigkeit).

   .. code-block:: python

       def motor_run(level):
           """
           Adjusts the motor speed based on the specified level.
           Args:
               level (int): Desired motor speed level.
           Returns:
               int: Adjusted motor speed level.
           """
           if level == 0:
               motor.stop()
               return 0
           if level >= 4:
               level = 4
           motor.forward(speed=float(level / 4))
           return level


#. Definiert eine Ereignisfunktion für die Taste, die die Motordrehzahlstufe zyklisch von 0 bis 4 erhöht und die Referenztemperatur aktualisiert.


   .. code-block:: python

       def changeLevel():
           """
           Changes the motor speed level when the button is pressed and updates the reference temperature.
           """
           global level, currentTemp, markTemp
           print("Button pressed")
           level = (level + 1) % 5
           markTemp = currentTemp

       # Bind the button press event to changeLevel function
       BtnPin.when_pressed = changeLevel

#. Die Hauptlogik liest kontinuierlich die Temperatur und vergleicht sie mit einem Referenzwert (``markTemp``). Wenn die Temperaturdifferenz ±2 °C beträgt, wird die Motordrehzahl entsprechend angepasst. Der Motor wird in jedem Zyklus aktualisiert, und eine kurze Verzögerung verhindert schnelle Umschaltungen.


   .. code-block:: python

       def main():
           """
           Main function to continuously monitor and respond to temperature changes.
           """
           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)
               sleep(0.2)

#. Führt die Hauptfunktion in einem Try-Except-Block aus und stellt sicher, dass der Motor gestoppt und die SPI-Verbindung sauber geschlossen wird, wenn das Programm mit Ctrl+C unterbrochen wird.

   .. code-block:: python

       # Run the main function and handle KeyboardInterrupt
       try:
           main()
       except KeyboardInterrupt:
           motor.stop()
           spi.close()