隨意亂玩: 6月 2019

2019年6月28日星期五

Raspberry Pi筆記：RTC1302

基本原理：

RPi在斷電後，本身系統時間是不會跳動的，更新時間的方式有兩種方式，一個是開機連上網路後透過NTP更新時間，一個是額外裝RTC模組(晶片+電池)。如果應用RPi的位置沒有網路，那就只能走第二條路。
這邊我使用了ref.1的程式來簡化後續的複雜度。

連線：

基於ref.1內的設定：

VCC	3.3V
GND	GND
CLK	#11 / GPIO#17
DAT	#13 / GPIO#27
RST	#15 / GPIO#22

Python程式：

import datetime
import pyRPiRTC

rtc = pyRPiRTC.DS1302()
#rtc.write_datetime(datetime.datetime.utcnow())
print(rtc.read_datetime())

討論：

1. 我手上測試的這個DS1302晶片，折磨了我很久，看了許多相關文件後仍沒辦法正常運作。在執行程式後一直跑出月份必須為1～12，在中間加了一條print發現晶片回傳的時間是2000年0月0日0時0分0秒；最後，我把RPi的系統時間設定給DS1302晶片後，一切都運作正常了。若有相似問題的，可以更新晶片內的時間試試。
2. 許多網路經驗分享，提到DS1302可以透過I2C作連線，我測試手上這片是完全無法透過i2cdetect -y 1抓到任何設備。

參考資料：

1. https://github.com/sourceperl/rpi.rtc

Raspberry PI筆記：蜂鳴器

基本原理：

蜂鳴器共分有主動式與被動式兩種，主動式蜂鳴器在通電時只會有單一蜂鳴音。
與主動式蜂鳴器不一樣的地方，被動式蜂鳴器在通電時，只會使蜂鳴器內的薄膜產生位移，整個發聲的原理，回到聲音的本質，是透過振動產生。因此透過恰當的控制，被動式蜂鳴器是能唱出有旋律的音樂。

接線：

+	GPIO#2
-	GND

Python程式：

主動式蜂鳴器

import RPi.GPIO as GPIO
import time
PIN = 2

GPIO.setwarnings(False)
GPIO.setmode(GPIO.BCM)
GPIO.cleanup()

GPIO.setup(PIN, GPIO.OUT)

GPIO.output(PIN, GPIO.LOW)
GPIO.output(PIN, GPIO.HIGH)
time.sleep(1)
GPIO.output(PIN, GPIO.LOW)

被動式蜂鳴器

import RPi.GPIO as GPIO
import time
PIN = 2

GPIO.setwarnings(False)
GPIO.setmode(GPIO.BCM)
GPIO.cleanup()

GPIO.setup(PIN, GPIO.OUT)

def buzz(freq, leng):
  delayValue = 0.5/freq
  cycle = freq*leng/1000
  for i in range(cycle):
    GPIO.output(PIN, GPIO.HIGH)
    time.sleep(delayValue)
    GPIO.output(PIN, GPIO.LOW)
    time.sleep(delayValue)

tone = [262, 294, 330, 349, 392, 440, 494]
duration = 1000/12
for t in tone:
  buzz(t, duration)
  time.sleep(0.01)

討論：

1. 被動式與主動式都有其適合的使用時機。
2. 被動式蜂鳴器的頻率與音符的關係，可以嘗試去找到對應關係，但建議只調整到近似的旋律即可，類似過去紅白機品質的音樂。

Raspberry Pi筆記：Stepper Motor

基本原理：

步進馬達具有精確控制馬達軸位置的特性，通常用於需要精確定位的地方。步進馬達的原理，可以參考ref.1的介紹。這邊使用28BYJ-48 5V作測試，由ref.2可以知道，這顆步進馬達轉一圈需要4096步，具有4相，在4相依序變化的設計下，步進馬達軸轉一圈共需要512次4相變化。

接線：

IN1	GPIO#2
IN2	GPIO#3
IN3	GPIO#4
IN4	GPIO#17
VCC	5V
GND	GND

Python程式：

import RPi.GPIO as GPIO
import time

PIN = [2, 3, 4, 17]
MODE = {0: [0, 0, 0, 0],
        1: [1, 0, 0, 0],
        2: [1, 1, 0, 0],
        3: [0, 1, 0, 0], 

        4: [0, 1, 1, 0],
        5: [0, 0, 1, 0],
        6: [0, 0, 1, 1],
        7: [0, 0, 0, 1],
        8: [1, 0, 0, 1]}

GPIO.setwarnings(False)
GPIO.setmode(GPIO.BCM)
GPIO.cleanup()
for pin in PIN:
  GPIO.setup(pin, GPIO.OUT)

def setMode(m):
  mode = MODE[m]
  for idx, pin in enumerate(PIN):
    GPIO.output(pin, mode[idx])
    #print(pin, mode)

setMode(0)
time.sleep(1)
for i in range(512): 
  for i in [1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8]:
    setMode(i)
    time.sleep(0.001)
setMode(0)

討論：

1. 沒有要轉動步進馬達的時候，可以將控制器的pin都設定到低電壓，節省電耗。
2. 步進馬達的控制上，在ULN2003驅動器簡化下，已簡化到只需要對輸入的4個針腳電壓作對應步進控制，就能輕鬆對步進馬達作。

參考：

1. https://www.youtube.com/watch?v=eyqwLiowZiU
2. https://sites.google.com/site/csjhmaker/d-dong-li-pian/28byj-48-bu-jin-ma-da

2019年6月27日星期四

Raspberry Pi筆記：GPIO 按鈕

基本說明：

RPi.GPIO基本input操作，透過外部線路短路來改變GPIO的狀態。

接線：

#1	GND
#2	GPIO#2

Python程式：

import RPi.GPIO as GPIO
import time
PIN = 2

GPIO.setwarnings(False)
GPIO.setmode(GPIO.BCM)
GPIO.cleanup()

GPIO.setup(PIN, GPIO.IN)

def callback(PIN):
  print("clicked")

GPIO.add_event_detect(PIN, GPIO.RISING, bouncetime=200)
GPIO.add_event_callback(PIN, callback)

while True:
  time.sleep(10)

討論：

1. 這裡的程式使用了RPi.GPIO的事件偵測函數event_detect，呼叫以後會自動產生另外一組thread在偵測GPIO狀態，所以只需要控制主程式沒有停止就可以繼續執行。
2. 範例程式中的add_event_detect主要有2個參數，第一個為針腳位置，第二個為GPIO偵測到的狀態，可以為RISING / FALLING / BOTH，依需求設定。其餘可有可無的參數，包括bouncetime用來間隔事件發生的頻率，callback用來指定事件發生時會呼叫的函數。

3. 比較複雜的按鈕，如4x4或3x4矩陣鍵盤，原理是每條row與每條column的位置發生短路，就代表該鍵被按下。因此需要把row或column設定GPIO.OUT，column或row設定為GPIO.IN，來偵測短路位置。

參考：

1. https://sourceforge.net/p/raspberry-gpio-python/wiki/Inputs/

2019年6月24日星期一

Raspberry Pi筆記：GPIO LED

基本說明：

RPi.GPIO基本output操作，透過控制GPIO PIN在低電壓(GPIO.LOW)與高電壓(GPIO.HIGH)來描述不同的狀態。

接線：

LED+	GPIO#2
LED-	330Ω-GND

Python程式：

import RPi.GPIO as GPIO
import time

LED_PIN = 2

GPIO.setmode(GPIO.BCM)

def lightOff():
  GPIO.output(LED_PIN, GPIO.LOW)

def lightOn():
  GPIO.output(LED_PIN, GPIO.HIGH)

GPIO.setup(LED_PIN, GPIO.OUT)
lightOff()
time.sleep(1)
lightOn()
time.sleep(5)
lightOff()

討論：

1. 為了避免LED燒壞，電阻在線路連接上是必要的。

2. LED通常是二極體，具有正負極，接反是不會過電的。

3. 相同的GPIO控制，可以用在多個LED上作不同的訊號輸出，抑或是RGB LED輸出。

Raspberry Pi筆記：HW-484聲音感測器

基本介紹：

HW-484是由一顆DIP可調式電阻加上一個MIC作偵測器，把偵測器換掉，類似的產品包括火源偵測、土壤濕度偵測、下雨偵測。
我在網路上搜尋不到HW-484的spec，參考相似產品KY-038 (ref.1)。

硬體安裝：

A(nalog)	-
G(ND)	GND
+	3.3V / 5V
D(igital)	GPIO#3

Python程式：

import RPi.GPIO as GPIO
import time

DETECT_PIN = 3

# initial GPIO
GPIO.setwarnings(False)
GPIO.setmode(GPIO.BCM)
GPIO.cleanup()

GPIO.setup(DETECT_PIN, GPIO.IN)

def callback(PIN):
  print("detected")

GPIO.add_event_detect(DETECT_PIN, GPIO.BOTH, bouncetime=200)
GPIO.add_event_callback(DETECT_PIN, callback)


while True:
  time.sleep(10)

註記：

1. 我手上這顆HW-484的MIC感應有點不良，彈指、拍手、放音樂都沒有反應，測試了很久才發現它對吹氣很敏感。

2. A(nalog) PIN在這個例題中並沒有使用到，在網路上許多相似的範例中也沒有使用到。有幾個原因，RPi要讀取analog訊號相對讀取digital訊號要複雜，RPi的GPIO都只能讀取數位訊號，如果要讀取analog訊號，必須要透過一個A/D Converter，詳細的可以參考ref.2。

參考資料：

1. https://html.alldatasheet.com/html-pdf/1138845/ETC2/KY-038/110/1/KY-038.html
2. https://projects.raspberrypi.org/en/projects/physical-computing/15

2019年6月21日星期五

Raspberry Pi筆記：HC-SR04 超音波感測器

基本說明：

HC-SR04 超音波感測器透過超音波反彈來測定感測器與障礙物之間的距離。

根據說明書(ref.1)，能測到的障礙物會在感測器方向15°角之內，有效測定距離為2公分~400公分之間。

驅動HC-SR04的方式，透過給Trig針腳高電壓持續10µs，即開始測定距離。

HC-SR04回傳時，會將Echo針腳維持在高電壓，透過維持高電壓的時間來回饋測定的距離。

這裡需要注意，當維持高電壓時間會介於150µs~25ms之間，若時間大於38ms表示未偵測到障礙物。

距離(cm) = 高電壓時間(µs) / 58

接線：

VCC	5V
Trig>	GPIO#20
Echo	GPIO#21
GND	GND

Ref.2內有建議接線圖，在Echo針腳與GND用一1K電阻連接，

Python程式：

import RPi.GPIO as GPIO
import time

TRIG = 20
ECHO = 21

# init GPIO
GPIO.setwarnings(False)
GPIO.setmode(GPIO.BCM)
GPIO.cleanup()

GPIO.setup(TRIG, GPIO.OUT)
GPIO.setup(ECHO, GPIO.IN)
GPIO.setup(TRIG, GPIO.LOW)

time.sleep(0.1)
GPIO.output(TRIG, GPIO.HIGH)
time.sleep(0.00001)
GPIO.output(TRIG, GPIO.LOW)

echo_count = 0
while GPIO.input(ECHO) == GPIO.LOW:
  if echo_count < 1000:
    echo_count += 1
    sonarStartTime = time.time()
  else:
    exit(1)
while GPIO.input(ECHO) == GPIO.HIGH:
  sonarEndTime = time.time()
distance = (sonarEndTime - sonarStartTime) / 58 * 1000000
print("{}".format(distance))

討論：

1. HC-SR04技術文件(Ref.1)有提到距離的計算上，可以不使用推導出來的1/58作為係數，可以透過音波公式來做更精確的計算，音波會受到溫度影響而有變化，可以參考Ref.3的相關內容。
2. 距離公式中的距離係數1/58=0.01724 cm/µs = 172.4 m/s，但波傳遞的距離是從感測器至障礙物反彈再回到感測器上，實際距離是兩倍，因此公式中實際使用的音速是344.8 m/s，或空氣溫度在22.76°C下計算而得。

參考：

1. https://www.linuxnorth.org/raspi-sump/HC-SR04Users_Manual.pdf
2. https://www.linuxnorth.org/hcsr04sensor/
3. https://en.wikipedia.org/wiki/Speed_of_sound

2019年6月12日星期三

Raspberry Pi筆記：HS420361K-32 4位數字顯示器

基本說明：

HS420361K-32可以視為4組5101BS所組成，除了共有4跟針腳分別控制四位數字，顯示LED二極體的電壓控制不大相同外，基本原理與5101BS是相同的。
HS420361K-32針腳設計，每次更新只能對其中一位數進行更新，所以讓四位數字同時有數值是不可能的。必須藉由視覺殘留原理，透過不停更新四組顯示值來達成視覺上的四位數值顯示。

接線：

硬體設計可以參閱ref.1 4.1，這邊透過74HC595來控制顯示器訊號，4組顯示部份直接連接在RPi的GPIO上

74HC595晶片

QB	pin 6	VCC	3.3V
QC	pin 4	QA	pin 7
QD	pin 2	SER	GPIO#16
QE	pin 1	OE	GND
QF	pin 9	RCLK	GPIO#20
QG	pin 10	SRCLK	GPIO#21
QH	pin 5	SRCLR	3.3V
GND	GND	QH'

HS420361K-32顯示器

pin 1	QE	pin 12	GPIO#2
pin 2	QD	pin 11	QA
pin 3	QH	pin 10	QF
pin 4	QC	pin 9	GPIO#3
pin 5	QG	pin 8	GPIO#4
pin 6	GPIO#17	pin 7	QB

Python程式：

import RPi.GPIO as GPIO
import time

SRCLK = 21
RCLK = 20
SER = 16
D1 = 2
D2 = 3
D3 = 4
D4 = 17

def init():
  GPIO.setwarnings(False)
  GPIO.setmode(GPIO.BCM)
  GPIO.cleanup()

  GPIO.setup(SRCLK, GPIO.OUT)
  GPIO.setup(RCLK, GPIO.OUT)
  GPIO.setup(SER, GPIO.OUT)
  GPIO.output(SER, GPIO.LOW)
  GPIO.output(SRCLK, GPIO.LOW)
  GPIO.output(RCLK, GPIO.LOW)

  GPIO.setup(D1, GPIO.OUT)
  GPIO.setup(D2, GPIO.OUT)
  GPIO.setup(D3, GPIO.OUT)
  GPIO.setup(D4, GPIO.OUT)
  GPIO.output(D1, GPIO.HIGH)
  GPIO.output(D2, GPIO.HIGH)
  GPIO.output(D3, GPIO.HIGH)
  GPIO.output(D4, GPIO.HIGH)

def display(frag):
  for v in frag:
    if v:
      GPIO.output(SER, GPIO.HIGH)
    else:
      GPIO.output(SER, GPIO.LOW)
    GPIO.output(SRCLK, GPIO.HIGH)
    GPIO.output(SRCLK, GPIO.LOW)
  GPIO.output(RCLK, GPIO.HIGH)
  GPIO.output(RCLK, GPIO.LOW)

def display4Digits(number):
  num = {' ': [0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0],
       '0': [0, 0, 1, 1, 1, 1, 1, 1],
       '1': [0, 0, 0, 0, 0, 1, 1, 0],
       '2': [0, 1, 0, 1, 1, 0, 1, 1],
       '3': [0, 1, 0, 0, 1, 1, 1, 1],
       '4': [0, 1, 1, 0, 0, 1, 1, 0],
       '5': [0, 1, 1, 0, 1, 1, 0, 1],
       '6': [0, 1, 1, 1, 1, 1, 0, 1],
       '7': [0, 0, 0, 0, 0, 1, 1, 1],
       '8': [0, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1],
       '9': [0, 1, 1, 0, 1, 1, 1, 1],
       'E': [0, 1, 1, 1, 1, 0, 0, 1],
       'F': [0, 1, 1, 1, 0, 0, 0, 1]}
  digits = {1: D1, 2: D2, 3: D3, 4: D4}
  for t in range(100):
    for i in range(4):
      d = number[i]
      display(num[d])
      GPIO.output(digits[i+1], GPIO.LOW)
      time.sleep(0.01)
      GPIO.output(digits[i+1], GPIO.HIGH)

init()
display4Digits("89EF")
GPIO.cleanup()

參考文件：

1. https://e-radionica.com/productdata/LD3361BS.pdf
2. https://theokelo.co.ke/how-to-get-your-hs420361k-32-4-digit-7-segment-display-working-with-an-arduino/

2019年6月6日星期四

Raspberry Pi筆記：5101BS 7段數字顯示器

基本說明：

5101BS由8個LED所組成的8字顯示器與一個小數點，透過10跟針腳來控制顯示。
由於網路上搜尋不到5101BS的技術文件，這邊我參照ref.1中1.3 Common Anode 0.56 Inch的腳位說明來作相關的接線，透過74HC595控制。

接線：

74HC595晶片

QB	pin 6	VCC	3.3V
QC	pin 4	QA	pin 7
QD	pin 2	SER	GPIO#16
QE	pin 1	OE	GND
QF	pin 9	RCLK	GPIO#20
QG	pin 10	SRCLK	GPIO#21
QH	pin 5	SRCLR	3.3V
GND	GND	QH'

5101BS顯示器

pin 1	QE	pin 10	QG
pin 2	QD	pin 9	QF
pin 3		pin 8	3.3V
pin 4	QC	pin 7	QA
pin 5	QH	pin 6	QB

注意5101BS各節點LED二極體是有方向性的，所以pin 3與pin 8擇一接電源就好
當pin為低電壓時，所對應的LED二極體就會發光

Python程式：

import RPi.GPIO as GPIO
import time

SRCLK = 21
RCLK = 20
SER = 16

def init():
  GPIO.setwarnings(False)
  GPIO.setmode(GPIO.BCM)
  GPIO.cleanup()

  GPIO.setup(SRCLK, GPIO.OUT)
  GPIO.setup(RCLK, GPIO.OUT)
  GPIO.setup(SER, GPIO.OUT)
  GPIO.output(SER, GPIO.LOW)
  GPIO.output(SRCLK, GPIO.LOW)
  GPIO.output(RCLK, GPIO.LOW)

def display(frag):
  for v in frag:
    if v:
      GPIO.output(SER, GPIO.HIGH)
    else:
      GPIO.output(SER, GPIO.LOW)
    GPIO.output(SRCLK, GPIO.HIGH)
    GPIO.output(SRCLK, GPIO.LOW)
  GPIO.output(RCLK, GPIO.HIGH)
  GPIO.output(RCLK, GPIO.LOW)

init()
#       H  G  F  E  D  C  B  A
display([1, 0, 1, 0, 0, 1, 0, 0]) # display 2

數字2顯示節點為ABDEG，所以對應的點設定為低電壓形成通路。

參考文件：

1. https://e-radionica.com/productdata/LD3361BS.pdf

2019年6月5日星期三

Raspberry Pi筆記：Python控制74HC595晶片

基本原理：

74HC595晶片透過三個輸入針腳來產生1與0給74HC595晶片，晶片會將最新輸入的值塞在8個位元的最前面，原先在晶片的值則往後位移。晶片紀錄的8個值分別透過QA~QH輸出。
輸入值的方式，是透過變動SER、RCLK、SRCLK三個針腳的電壓達成。
參閱ref.1 page.2
- SRCLK電壓由低 ➡ 高變化時會依據SER針腳的電壓狀態產生一個值
- 當SER為高電壓時，會產生1；當SER為低電壓時，會產生0
- 最後，當RCLK電壓由低 ➡ 高變化時會將所有產生的值塞到8位元紀錄當中

接線：

QB	LED 2	VCC	3.3V
QC	LED 3	QA	LED 1
QD	LED 4	SER	GPIO#16
QE	LED 5	OE	GND
QF	LED 6	RCLK	GPIO#20
QG	LED 7	SRCLK	GPIO#21
QH	LED 8	SRCLR	3.3V
GND	GND	QH'

74HC595允許電壓從3V到6V，可以放心使用5V作為工作電壓

Python程式：

import RPi.GPIO as GPIO
import time

SRCLK = 21
RCLK = 20
SER = 16

# init
GPIO.setwarnings(False)
GPIO.setmode(GPIO.BCM)
GPIO.cleanup()

GPIO.setup(SRCLK, GPIO.OUT)
GPIO.setup(RCLK, GPIO.OUT)
GPIO.setup(SER, GPIO.OUT)
GPIO.output(SER, GPIO.LOW)
GPIO.output(SRCLK, GPIO.LOW)
GPIO.output(RCLK, GPIO.LOW)

# mode 1: all 1
GPIO.output(SER, GPIO.HIGH)
for i in range(8):
  GPIO.output(SRCLK, GPIO.HIGH)
  GPIO.output(SRCLK, GPIO.LOW)
GPIO.output(RCLK, GPIO.HIGH)
GPIO.output(RCLK, GPIO.LOW)
time.sleep(1)

# mode 2: all 0
GPIO.output(SER, GPIO.LOW)
for i in range(8):
  GPIO.output(SRCLK, GPIO.HIGH)
  GPIO.output(SRCLK, GPIO.LOW)
GPIO.output(RCLK, GPIO.HIGH)
GPIO.output(RCLK, GPIO.LOW)
time.sleep(1)

# mode 3: A ~ G to 1 sequentially
GPIO.output(SER, GPIO.HIGH)
for i in range(8):
  GPIO.output(SRCLK, GPIO.HIGH)
  GPIO.output(SRCLK, GPIO.LOW)
  GPIO.output(RCLK, GPIO.HIGH)
  GPIO.output(RCLK, GPIO.LOW)
  time.sleep(0.5)

# mode 4: A ~ G to 0 sequentially
GPIO.output(SER, GPIO.LOW)
for i in range(8):
  GPIO.output(SRCLK, GPIO.HIGH)
  GPIO.output(SRCLK, GPIO.LOW)
  GPIO.output(RCLK, GPIO.HIGH)
  GPIO.output(RCLK, GPIO.LOW)
  time.sleep(0.5)

# mode 5: 0 & 1 crossing sequence
mode = GPIO.HIGH
for i in range(8):
  GPIO.output(SER, mode)
  GPIO.output(SRCLK, GPIO.HIGH)
  GPIO.output(SRCLK, GPIO.LOW)
  GPIO.output(RCLK, GPIO.HIGH)
  GPIO.output(RCLK, GPIO.LOW)
  GPIO.output(RCLK, GPIO.HIGH)
  GPIO.output(RCLK, GPIO.LOW)
  if mode == GPIO.HIGH:
    mode = GPIO.LOW
  else:
    mode = GPIO.HIGH
  time.sleep(0.5)
GPIO.output(SER, GPIO.LOW)
for i in range(8):
  GPIO.output(SRCLK, GPIO.HIGH)
  GPIO.output(SRCLK, GPIO.LOW)
  GPIO.output(RCLK, GPIO.HIGH)
  GPIO.output(RCLK, GPIO.LOW)
  time.sleep(0.5)

程式下載：

https://github.com/1412chen/rpi_learning/tree/master/74HC595N
- led.py: 控制LED交互閃爍

參考：

1. https://www.ti.com/lit/ds/symlink/cd74hc595.pdf
2. https://circuitdigest.com/microcontroller-projects/raspberry-pi-74hc595-shift-register-tutorial

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2019年6月28日 星期五

基本原理：

連線：

Python程式：

討論：

參考資料：

基本原理：

接線：

Python程式：

討論：

基本原理：

接線：

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參考：

2019年6月27日 星期四

基本說明：

接線：

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基本說明：

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硬體安裝：

Python程式：

註記：

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接線：

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