Raspberry Pi GPIOピンでプッシュボタンを使用する方法

プッシュボタンブレッドボードの特徴画像

もしあなたがRaspberry PiでLEDを使ったことがあるなら、GPIO出力がどのように機能するかを知っているでしょう。コードは一般目的入出力（GPIO）ピンを通して電気を流し、LEDを通過させて物を光らせます。しかし、逆のことを試したことはありますか？プッシュボタンを使えば、正確にその逆のことができます。このチュートリアルでは、GPIOピンを入力ピンに変え、あなたが押すすべてのボタンを聞く方法を示します！

プッシュボタンの仕組み

プッシュボタンはスイッチの一種です。2つの別々の導電ピンがあり、互いに分離されているため、完全な回路を防ぎます。プッシュボタンを押すと、実際には2つのピンを押し合わせて回路を完成させます。しかし、手を離すと、スプリングのようなメカニズムがピンを再び分離します。

ブレッドボード上のプッシュボタン

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4ピンプッシュボタン

センサーキットに含まれる典型的なプッシュボタンは4つのピンを持ち、それぞれのピンは他のピンから分離されています。ボタンエリアのすぐ下には金属製の動くプレートがあり、プッシュボタンが押されると下に下がり、他のすべてのピンを接続します。

プッシュボタンの裏側

4ピンプッシュボタンの内部には2つのプレートがあります。それぞれは2つの外部ピンに接続されています。両方のプレートは互いに分離されており、ボタンの下にある金属プレートを押すことでのみ接続できます。

4ピンプッシュボタンのピン配置

ある意味で、プッシュボタンには常に2つのピンが接続されています。4ピンプッシュボタンを押すと、すべての4つのピンが接続されます。

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Raspberry Pi GPIOピンでのプッシュボタンの使用

今回は、Raspberry Pi GPIOピンがプッシュボタンからのボタン押下を検出するようにします。電気がそれを通過すると、Raspberry Piは動作中であることを知らせるメッセージを表示します。

必要なもの

プッシュボタン（4ピン）
抵抗（100Ωから1000Ωの間のものが機能するはずです）
ジャンパーワイヤー
ボルテメーター（オプション）
Raspberry Pi
モニターとキーボード（またはSSH）

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プッシュボタンの使い方

お好みのコードエディタを開き、以下のコードを貼り付けます：

import RPi.GPIO as GPIO  
from time import sleep  
  
GPIO.setwarnings(False)  
GPIO.setmode(GPIO.BOARD)  
GPIO.setup(7, GPIO.IN, pull_up_down=GPIO.PUD_DOWN)  
  
while True:  
    if GPIO.input(7) == GPIO.HIGH:  
        print("Pin 7 is HIGH!")  
    elif GPIO.input(7) == GPIO.LOW:  
        print("Pin 7 is LOW...")  
        sleep(0.15)

「rpi-pushbutton.py」として保存します（またはファイル拡張子が同じであれば好きな名前で保存できます）。
回路を構築します。プッシュボタンの1つのピンをピン7に接続し、抵抗を並列に接続します。この抵抗の反対側にGNDピン（ピン6、7、14、20、25、30、34、または39）にジャンパーワイヤーを接続し、別のプッシュボタンピンの3.3Vピン（ピン1または17）にもう1本のジャンパーワイヤーを接続します。

プッシュボタンの回路図とブレッドボード

ヒント: 正しいピン番号を見つけるには、Raspberry Piを持ち、GPIOピンが右上隅に位置するようにします。左上のピンがピン1で、その右側がピン2です。ピン1の下がピン3で、その右がピン4、というように続きます。

Raspberry Piのピン配置

Raspberry Piの電源を入れ、ターミナルを開きます。cdを使用してPythonスクリプトのディレクトリに移動し、python3 rpi-pushbutton.pyと入力します。異なるファイル名を使用した場合は、「rpi-pushbutton」の代わりにその名前を使用してください。

ターミナル Cd Python3 Rpi Pushbutton

ターミナルにPin 7 is LOW...という新しい行のテキストが0.15秒ごとに表示されるはずです。ボタンを押すと、新しい行はPin 7 is HIGH!になります。

GNDと3.3Vピンを切り替えると、抵抗の3.3Vとプッシュボタンの反対側のGNDを接続することになり、プッシュボタンの論理が逆転します。常にPin 7 is HIGH!を出力し、ボタンを押すとPin 7 is LOWになります。

プッシュボタンのプルアップとプルダウン抵抗

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プッシュボタンのハードウェア

プッシュボタンは2種類の抵抗を使用します：プルアップ抵抗とプルダウン抵抗。3.3Vが抵抗に接続されているものはプルアップ抵抗です。これは電圧を上に引き上げます。一方、プルダウン抵抗はGNDピンが接続されていることで電圧を下に引き下げます。

抵抗なしでプッシュボタンを使用することもできますが、その場合GPIOピンはフロート状態になります。フロート状態のGPIOピンは直接的な電荷を受け取らず、周囲の電荷を探します。例えば、近くに強い電磁場があると、それを測定するだけになります。

抵抗なしのプッシュボタン回路

そのため、参照点が必要です。GPIOピンをデフォルトで0V（GND）に接続すると、ボタンが押されていない間は0Vを測定します。しかし、そうしないと、GPIOピンの値はどこにでもあり得ます - 負のボルトでさえ！

フロートピンは面白いことができます。ピンをフロート状態にしておくと、空気中の電圧差を感知し、指がピンの近くを動く影響さえ測定できます。それはまるで電磁的存在センサーのようなものです。

しかし、Raspberry Piでそれを行うことはできません。役立つためにはアナログピンが必要ですが、Raspberry Piにはそれがありません。

プッシュボタンのコード

これを理解すると、ピン7が3.3Vまたは0Vが通過するかを感知することを理解する必要があります。3.3Vを感知すると、HIGHとして報告します。しかし、0Vを感知すると、LOWになります。

コードを3つの部分に分けましょう：インポートコマンド、セットアップコマンド、ループコマンド。

インポートコマンド

2つのインポートコマンドを使用しています：

import RPi.GPIO as GPIO  
from time import sleep

import RPi.GPIO as GPIOはRPi.GPIOモジュールをインポートし、Raspberry PiのGPIOピンで操作を行うことを可能にします。最後にas GPIOを追加することで、PythonにGPIOと入力することがRPi.GPIOと同じであることを伝えています。他の文字列に置き換えても、適切にフォーマットされていればコードは動作します。

一方、from time import sleepはPythonのtimeモジュールの一部だけをインポートします。これにより、sleep()関数を使用できます。

セットアップコマンド

RPi.GPIOモジュールの3つのコマンドを使用して、いくつかの設定を修正します。

GPIO.setwarnings(False)  
GPIO.setmode(GPIO.BOARD)  
GPIO.setup(7, GPIO.IN, pull_up_down=GPIO.PUD_DOWN)

RPi.GPIOモジュールは、Pythonスクリプトを起動するとすぐにGPIOピンを使用することに関する警告メッセージを表示します。GPIO.setwarnings(False)はそれを防ぎます。

GPIO.setmode(GPIO.BOARD)はRPi.GPIOモジュールの別のコマンドです。Pythonに「BOARD」ピン配置を使用していることを伝えます。RPi.GPIOには2種類のピン配置があります：BOARDとBCM。BOARDはピン番号を使用してピンを選択できます。BCM（「Broadcom」の略）は、個々のBroadcom SOCチャネルでピンを選択できます。BOARDは、どのRaspberry Piボードを使用しても常に同じで、使いやすいです。BCMピン配置は、使用するモデルによって変わる可能性があります。

最後に、GPIO.setup(7, GPIO.IN)はピン7を入力ピンとして設定します。.setup()関数を使用し、7を選択しようとしているピンとして読み取ります。GPIO.INは、それを入力ピンとして設定しようとしていることを意味します。

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ループコマンド

組み込みシステムは通常、数行のコードを使用し、それを無限にループします。異なるプログラミング言語は異なる方法を使用しますが、概念は同じです：何らかのループを使用します。Pythonの場合、それはwhile True:です。

while True:  
    if GPIO.input(7) == GPIO.HIGH:  
        print("Pin 7 is HIGH!")  
    elif GPIO.input(7) == GPIO.LOW:  
        print("Pin 7 is LOW...")  
        sleep(0.15)

while True:はコードを無限にループさせます。その中に置いたすべてのものは、ボードに電気が供給されている限り永遠に実行されます。

if GPIO.input(7) == GPIO.HIGH:はif文です。これは、入力ピンであるピン7がHIGHとして読み取られた場合、内部のすべてを実行することを示しています。

print("Pin 7 is HIGH!")はif文の内部にあります。これは単にコンソールにPin 7 is HIGH!と表示するだけです。これを任意の文字列、数字、またはそれを含む変数に置き換えることができます。

次はelif GPIO.input(7) == GPIO.LOW:です。これは基本的にif GPIO.input(7) == GPIO.HIGH:と同じですが、最初の部分が異なります：ifの代わりにelifを使用しています。elifはElse Ifの略です。これは、上のすべてのコードが偽を返した場合、Pythonがこのelse-if文を実行することを示しています。

最後に、sleep(0.15)はコードを0.15秒間一時停止させます。なぜコードを一時停止させるのか？主にパフォーマンスの問題のためです。Raspberry Piは出力コードを非常に速く送信するため、GUIが少し遅れることになります。SSH経由でRaspberry Piを使用している場合は、さらに顕著です。時間が経つにつれて遅延が目立つようになります。コードを一時停止させることで、パフォーマンスの問題を回避できます。

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