.. note::

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.. _4.1.11_py_pi5_mcp3008:

4.1.8 Batterieanzeige (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 erstellen wir ein Batterieanzeigegerät, das den Batteriestand visuell auf der LED-Bargraph-Anzeige darstellen kann.

.. warning::

    Verwenden Sie keine Batteriekomponenten, die 3,3 V überschreiten, um eine Überlastung zu vermeiden, die den Chip oder den Raspberry Pi beschädigen könnte.

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

In diesem Projekt benötigen wir die folgenden Komponenten:

.. image:: ../python_pi5/img/list2_Battery_Indicator.png
    :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_bar_graph`
        - \-
    *   - :ref:`cpn_mcp3008`
        - \-

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
GPIO25       Pin 22   6        25
GPIO12       Pin 32   26       12
GPIO16       Pin 36   27       16
GPIO20       Pin 38   28       20
GPIO21       Pin 40   29       21
GPIO5        Pin 29   21       5
GPIO6        Pin 31   22       6
GPIO13       Pin 33   23       13
GPIO19       Pin 35   24       19
GPIO26       Pin 37   25       26
============ ======== ======== ===

.. image:: ../python_pi5/img/schematic_battery_indicator_mcp3008.png
   :align: center
   :width: 800

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

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

.. image:: ../python_pi5/img/july24_3.1.5_battery_indicator_mcp3008.png
   :width: 800

**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:** Führen Sie die ausführbare Datei aus.

.. raw:: html

    <run></run>

.. code-block::

    sudo python3 4.1.11-2_Battery_indicator_zero.py

Nach dem Start des Programms schließen Sie das 3. Pin des MCP3008 und GND separat an die beiden Pole einer Batterie an.  
Sie können sehen, dass die entsprechenden LEDs auf dem LED-Bargraph aufleuchten, um den Ladezustand anzuzeigen (Messbereich: 0-5 V).

.. warning::

    Wenn die Fehlermeldung ``RuntimeError: Cannot determine SOC peripheral base address`` erscheint, lesen Sie bitte :ref:`faq_soc` 

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

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

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

    # Set initial upper temperature threshold
    upperTem = 40

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

    # Initialize LCD (I2C address 0x27, backlight on)
    LCD1602.init(0x27, 1)

    def read_adc(channel):
        """
        Read analog value from MCP3008 
        """
        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():
        """
        Reads the joystick values and returns a change value based on the joystick's position.
        """
        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():
        """
        Adjusts and displays the upper temperature threshold on the LCD.
        """
        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():
        """
        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 * (3.3 - Vr) / 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)

    def monitoring_temp():
        """
        Monitors and displays the current temperature and upper temperature threshold.
        Activates buzzer and LED if the temperature exceeds the upper limit.
        """
        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()

    # Main execution loop
    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
----------------

Dieses Python-Programm läuft auf einem Raspberry Pi. Es verwendet einen MCP3008 Analog-Digital-Wandler, um Temperaturdaten von einem analogen Sensor zu lesen.  
Ein Joystick wird verwendet, um den Temperaturschwellenwert anzupassen, und ein LCD1602-Display zeigt die aktuelle Temperatur und den Schwellenwert an.  
Ein Summer und eine LED werden ausgelöst, wenn die Temperatur den Schwellenwert überschreitet.

1. **Import der benötigten Bibliotheken**  

   .. code-block:: python

       #!/usr/bin/env python3

       import RPi.GPIO as GPIO
       import spidev
       import time
       import math
       import LCD1602

   * ``RPi.GPIO`` is used for controlling GPIO pins.
   * ``spidev`` communicates with MCP3008 using SPI.
   * ``math`` is needed for temperature conversion calculations.
   * ``LCD1602`` controls the LCD display.

   Nutzt ``RPi.GPIO`` für GPIO-Steuerung, ``spidev`` für die Kommunikation mit dem MCP3008, ``math`` für Berechnungen und ``LCD1602`` für die LCD-Anzeige.

2. **GPIO-Setup**  


   .. code-block:: python

       JOY_BTN_PIN = 22
       BUZZER_PIN = 23
       LED_PIN = 24

       GPIO.setmode(GPIO.BCM)
       GPIO.setup(JOY_BTN_PIN, GPIO.IN, pull_up_down=GPIO.PUD_UP)
       GPIO.setup(BUZZER_PIN, GPIO.OUT)
       GPIO.setup(LED_PIN, GPIO.OUT)

   Initialisiert Pins für Joystick-Taste, Summer und LED mit Pull-up-Widerständen.

3. **SPI- und LCD-Initialisierung**  

   .. code-block:: python

       upperTem = 40  # Default temperature threshold

       spi = spidev.SpiDev()
       spi.open(0, 0)
       spi.max_speed_hz = 1000000  # 1 MHz

       LCD1602.init(0x27, 1)


   Stellt SPI-Kommunikation mit MCP3008 und LCD1602 über I²C bereit.

4. **ADC-Kanal 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 zum Auslesen von analogen Werten vom MCP3008 (0–7) und Rückgabe eines 10-Bit-Wertes (0–1023).

5. **Joystick-Eingaben**  

   .. 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


   Liest X- und Y-Richtung des Joysticks und gibt Änderungen des Schwellenwerts aus.

6. **Schwellenwert anpassen**  


   .. 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)


   Ermöglicht das Anpassen des Temperaturschwellenwertes über den Joystick und zeigt den Wert auf dem LCD an.

7. **Temperaturberechnung**  

   .. code-block:: python

       def temperature():
           analogVal = read_adc(0)
           Vr = 3.3 * analogVal / 1023.0
           if Vr == 0:
               return 0
           Rt = 10000.0 * (3.3 - Vr) / Vr
           tempK = 1.0 / (((math.log(Rt / 10000.0)) / 3950.0) + (1.0 / (273.15 + 25.0)))
           Cel = tempK - 273.15
           return round(Cel, 2)


   Wandelt die Spannung in Widerstand um und berechnet die Temperatur mithilfe der Steinhart-Hart-Gleichung.

8. **Überwachungsmodus**  

   .. 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:
               GPIO.output(BUZZER_PIN, GPIO.HIGH)
               GPIO.output(LED_PIN, GPIO.HIGH)
           else:
               GPIO.output(BUZZER_PIN, GPIO.LOW)
               GPIO.output(LED_PIN, GPIO.LOW)

   Zeigt aktuelle Temperatur und Schwellenwert an und aktiviert Summer und LED bei Überschreitung des Grenzwerts.

9. **Hauptschleife**  

   .. code-block:: python

       try:
           lastState = GPIO.input(JOY_BTN_PIN)
           stage = 0
           while True:
               currentState = GPIO.input(JOY_BTN_PIN)
               if currentState == GPIO.HIGH and lastState == GPIO.LOW:
                   stage = (stage + 1) % 2
                   time.sleep(0.1)
                   LCD1602.clear()
               lastState = currentState

               if stage == 1:
                   upper_tem_setting()
               else:
                   monitoring_temp()

   Schaltet zwischen Schwellenwertanpassung und Temperaturüberwachung um (über Joystick-Taste).

10. **Aufräumen beim Beenden**  

   .. code-block:: python

       except KeyboardInterrupt:
           pass

       finally:
           LCD1602.clear()
           GPIO.cleanup()
           spi.close()

    Stellt sicher, dass GPIOs zurückgesetzt, das LCD gelöscht und SPI sauber geschlossen wird, wenn das Programm beendet wird (z. B. mit Strg+C).