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.. _4.1.10_py_pi5_mcp3008:

4.1.7 スマート扇風機 (MCP3008)
==============================

.. note::

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

   キットのバージョンに応じて **ADC0834** または **MCP3008** が含まれています。  
   お手持ちのバージョンに対応する章をご参照ください。

概要
----

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＋自動制御が可能で風速を調整できるスマート扇風機を作成します。

必要な部品
----------

このプロジェクトで必要な部品は以下の通りです。

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

キット一式で購入すると便利です。リンクはこちら：

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

    *   - 名称
        - キット内数量
        - リンク
    *   - Raphael Kit
        - 337
        - |link_Raphael_kit|

個別に購入することもできます。以下のリンクをご参照ください。

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

    *   - 部品紹介
        - 購入リンク
    *   - :ref:`cpn_gpio_extension_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|

回路図
------

============ ======== ======== ===
T-Board 名   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

実験手順
--------

**ステップ 1:** 回路を組み立てます。

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

.. note::
    電源モジュールにはキット付属の9V電池を使用できます。

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

**ステップ 2:** SPIインターフェースを設定し、 ``spidev`` ライブラリをインストールします（詳細は :ref:`spi_configuration` を参照）。  
すでに設定済みの場合は省略可能です。

**ステップ 3:** コードがあるフォルダに移動します。

.. raw:: html

   <run></run>

.. code-block::

    cd ~/raphael-kit/python-pi5

**ステップ 4:** 実行します。

.. raw:: html

   <run></run>

.. code-block::

    sudo python3 4.1.10-2_SmartFan_zero.py

コードが実行されると、ボタンを押すことで扇風機が始動します。  
ボタンを押すたびに風速が1段階ずつ切り替わり、**0~4** の5段階があります。  
4段階で再びボタンを押すと停止（風速0）に戻ります。

温度が2℃以上上下した場合、自動で1段階速くまたは遅くなります。

コード
------

.. note::
    以下のコードは **修正／リセット／コピー／実行／停止** が可能です。  
    その前に ``raphael-kit/python-pi5`` のソースコードパスに移動してください。  
    変更後、直接実行して結果を確認できます。

.. raw:: html

   <run></run>

.. code-block:: python

    #!/usr/bin/env python3

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

    # 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

    # 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

    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

    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

    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

    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

    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)

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

コード解説
----------

1. モーターとボタン制御、MCP3008とのSPI通信、数学計算用ライブラリを読み込みます。  
   ``gpiozero`` はGPIO制御、 ``spidev`` はSPI通信、 ``math`` は抵抗値から温度計算に利用します。


   .. code-block:: python

       #!/usr/bin/env python3

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


2. SPI通信をバス0、デバイス0 (CE0) で初期化し、MCP3008と接続します。

   .. 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

3. GPIO22をボタン入力に設定し、GPIO5（正転）、GPIO6（逆転）、GPIO13（有効化）でモーターを構成します。  
   また、風速レベルや温度計測用の変数を用意します。

   .. 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


4. ``read_adc()`` 関数でMCP3008の指定チャンネル（0〜7）からアナログ値（10ビット: 0〜1023）を取得します。

   .. 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

5. ``temperature()`` 関数でサーミスタの温度を読み取ります。  
   電圧→抵抗→温度（摂氏）に変換し、スティンハート・ハート式近似で計算します。

   .. 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

6. ``motor_run()`` 関数はモーター速度をレベル（0〜4）に応じて制御します。  
   レベル0では停止、それ以外はPWM速度を割合で設定します。

   .. 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

7. ``changeLevel()`` 関数はボタンが押された時に呼び出され、風速レベルを0〜4の範囲で循環的に変更し、基準温度を更新します。

   .. 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

8. ``main()`` 関数は常に温度を監視し、基準温度との差が±2℃の場合に速度レベルを1段階調整します。  
   モーター速度を更新し、短い待機を挟んで急な切り替えを防止します。

   .. 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)

9. ``KeyboardInterrupt`` （Ctrl+C）で停止した場合、モーターを止め、SPI接続を安全に終了します。

   .. code-block:: python

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