.. note::

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.. _4.1.13_py_pi5_mcp3008:

4.1.10 過熱監視装置 (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
----

工場などで回路が過熱したときに警報を鳴らし、機械を自動的に停止させたい場合があります。  
このプロジェクトでは、サーミスタ・ジョイスティック・ブザー・LED・LCD を用いてしきい値を調整できるスマート温度監視装置を作ります。

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_Overheat_Monitor.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_led`
        - |link_led_buy|
    *   - :ref:`cpn_joystick`
        - \-
    *   - :ref:`cpn_mcp3008`
        - \-
    *   - :ref:`cpn_transistor`
        - |link_transistor_buy|
    *   - :ref:`cpn_i2c_lcd`
        - |link_i2clcd1602_buy|
    *   - :ref:`cpn_thermistor`
        - |link_thermistor_buy|
    *   - :ref:`cpn_buzzer`
        - \-

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       Pin15    3        22
GPIO23       Pin16    4        23
GPIO24       Pin18    5        24
SDA1         Pin 3
SCL1         Pin 5
============ ======== ======== ===

.. image:: ../python_pi5/img/schematic_over_monitor_mcp3008.png
   :align: center

実験手順
--------

**ステップ 1:** 回路を組み立てます。

.. image:: ../python_pi5/img/july24_3.1.8_overheat_monitor_mcp3008.png

**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 4.1.13-2_OverheatMonitor_zero.py

プログラムを実行すると、現在の温度と高温しきい値（初期値 **40**）が **I2C LCD1602** に表示されます。  
現在温度がしきい値を超えるとブザーとLEDが作動して警報を発します。

**ジョイスティック** は高温しきい値の調整用です。X軸・Y軸方向に倒すとしきい値を増減できます。  
ジョイスティックを再度押すと、しきい値は初期値にリセットされます。

.. note::

    * ``FileNotFoundError: [Errno 2] No such file or directory: '/dev/i2c-1'`` エラーが出た場合は :ref:`i2c_config` を参照し、I2Cを有効化してください。  
    * ``ModuleNotFoundError: No module named 'smbus2'`` エラーは ``sudo apt install python3-smbus2`` を実行してください。  
    * ``OSError: [Errno 121] Remote I/O error`` は配線ミスまたはモジュール不良の可能性があります。  
    * 配線・コードが正しくてもLCDに表示されない場合は、背面の可変抵抗を調整しコントラストを上げてください。

.. warning::

    ``RuntimeError: Cannot determine SOC peripheral base address`` エラーが出る場合は :ref:`faq_soc` を参照してください。

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`` 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

    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 (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 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 * Vr / (3.3 - 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()

コード解説
----------

1. **ライブラリのインポート**  

   ``LCD1602`` は I2C 接続の LCD 用、 ``gpiozero`` はLED・ブザー・ボタン用、  
   ``spidev`` は MCP3008 との通信、 ``math`` は温度計算、 ``time`` は遅延処理に使用。

   .. code-block:: python

       #!/usr/bin/env python3

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

2. **GPIO 初期化**  

   ジョイスティックボタン（GPIO22）、ブザー（GPIO23）、LED（GPIO24）を初期化。

   * ``Button(22)`` connects to the joystick button.
   * ``Buzzer(23)`` and ``LED(24)`` serve as output indicators for high temperature.

   .. code-block:: python

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

3. **しきい値とデバイス初期化**  

   初期しきい値を40℃に設定し、SPI通信と LCD を初期化。

   .. code-block:: python

       upperTem = 40

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

       LCD1602.init(0x27, 1)

4. **ADC値読み取り**  

   MCP3008 の指定チャネル（0〜7）から10ビットの値（0〜1023）を取得。

   .. 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

5. **ジョイスティック値取得** 

   X軸/Y軸のアナログ値を取得し、しきい値調整量（±1 または ±10）を返す。

   .. 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

6. **しきい値調整表示**  

   LCD に現在のしきい値を表示し、ジョイスティック操作で値を増減。

   .. 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)


7. **温度計算**  

   サーミスタから得た電圧を抵抗値に変換し、スティンハート・ハート式で摂氏温度を算出。

   .. code-block:: python

    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 * Vr / (3.3 - 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)


8. **監視モード**  

   現在温度としきい値をLCDに表示し、温度超過時はブザーとLEDを作動。

   .. 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:
               buzzPin.on()
               ledPin.on()
           else:
               buzzPin.off()
               ledPin.off()


9. **メインループ**  

   ボタン押下で「設定モード」と「監視モード」を切替。  
   設定モードではしきい値調整、監視モードでは温度監視を継続。

   .. code-block:: python

       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()


10. **終了処理**  

    Ctrl+C 終了時にLCDをクリアし、SPI通信を閉じて安全に終了。

   .. code-block:: python

       except KeyboardInterrupt:
           LCD1602.clear()
           spi.close()