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Ein Raspberry Pi kann LEDs, Sensoren, Taster oder Displays direkt über seine GPIO-Pins ansteuern. Diese Pins sind jedoch empfindlich, da sie direkt mit dem Prozessor verbunden sind. Deshalb muss beim Aufbau der Hardware sorgfältig gearbeitet werden: richtige Spannungen verwenden, Bauteile korrekt anschließen und Änderungen nur im ausgeschalteten Zustand vornehmen. Ziel ist es, einfache Schaltungen sicher aufzubauen und die Grundlagen für spätere Projekte mit Elektronik zu erlernen.

• Hardware ansteuern
• Programmstruktur anlegen
• Projekt: LED mit Python
• Projekt: Temperatursensor mit Python

Ein Raspberry Pi kann LEDs, Sensoren, Taster oder Displays direkt über seine GPIO-Pins ansteuern. Diese Pins sind jedoch empfindlich, da sie direkt mit dem Prozessor verbunden sind. Deshalb muss beim Aufbau der Hardware sorgfältig gearbeitet werden: richtige Spannungen verwenden, Bauteile korrekt anschließen und Änderungen nur im ausgeschalteten Zustand vornehmen. Ziel ist es, einfache Schaltungen sicher aufzubauen und die Grundlagen für spätere Projekte mit Elektronik zu erlernen.

Raspberry Pi Layout und Orientierung.

Nur die GPIO, GND und VCC werden benutzt. GND VCC GPIO 17, GPIO 27, GPIO 22, GPIO 23, GPIO 24 In diesem Kurs werden die oben aufgelisteten Pins verwendet!

Dieses LED-Modul besitzt vier Anschlüsse:

• R → rote LED
• G → grüne LED
• B → gelbe LED (je nach Modul als Y oder B bezeichnet)
• GND → gemeinsame Masse

Auf dem Modul sind bereits Vorwiderstände (Kennzeichnung „331“ = 330 Ohm) verbaut. Es ist daher kein zusätzlicher Widerstand erforderlich.

Das Modul ist als Common-Cathode aufgebaut:

• Alle LEDs teilen sich eine gemeinsame Masse (GND).
• Jede LED wird über einen 330 Ω Widerstand angesteuert.
• Ein GPIO-Pin mit 3,3 V reicht aus, um die LED zu betreiben.

Strom bei 3,3 V:

(3,3 V − ca. 2,0 V LED) / 330 Ω ≈ 4 mA

Dies ist für den Raspberry Pi unkritisch.

Hinweis: Die GPIO-Nummern sind frei wählbar. Die oben genannten sind nur ein Beispiel.

GPIO → LED (mit 330 Ω Widerstand) → GND

Ein GPIO-Pin wird auf HIGH (3,3 V) gesetzt, um die jeweilige LED einzuschalten. LOW (0 V) schaltet sie aus.

• Keine 5 V auf GPIO-Pins geben.
• GND des Moduls muss mit GND des Raspberry Pi verbunden sein.
• Pro GPIO maximal ca. 16 mA, Gesamtstrom aller GPIOs beachten.

# LED an GPIO17 kurz testen
echo 17 > /sys/class/gpio/export
echo out > /sys/class/gpio/gpio17/direction
echo 1 > /sys/class/gpio/gpio17/value
sleep 2
echo 0 > /sys/class/gpio/gpio17/value

Danach wieder freigeben:

echo 17 > /sys/class/gpio/unexport

Das LED-Ampel-Modul kann direkt am Raspberry Pi betrieben werden. Es sind keine zusätzlichen Widerstände oder Pegelwandler notwendig.

Wechsle anschließend in die Umgebung, um das Example zu bearbeiten!

Folgende Programmstruktur wird verwendet.

• gpio_led – Projektordner im Verzeichnis ~/devel
• gpio_env – Python-Environment
• src – Ordner für den Quellcode (engl. source)
• core – Unterordner in src

gpio_led/
├── gpio_env
└── src
    ├── core
    │   ├── gpio_hw.py
    │   ├── logic.py
    │   └── __init__.py
    └── ledcontrol.py

Lege alle Verzeichnisse so an, wie oben dargestellt. Alle Dateien – bis auf __init__.py – kommen später dazu.

Die __init__.py muss lediglich vorhanden sein, damit Python dieses Verzeichnis als Modulverzeichnis erkennt. Dies kann mit dem folgenden Befehl erledigt werden:

touch __init__.py

Bevor weitergearbeitet werden kann, sollte die Programmstruktur überprüft werden.

Systemweit GPIO-Unterstützung über apt zur Verfügung stellen:

sudo apt install python3-rpi.gpio

Jetzt die ENV aktivieren und RPi.GPIO installieren:

source ~/devel/gpio_led/gpio_env/bin/activate
pip install RPi.GPIO

Der Sourcecode besteht aus drei Dateien: das eigentliche Programm ledcontrol.py sowie die Dateien im Hintergrund (im Verzeichnis core), die für die Programmlogik und die Hardware-Ansteuerung benötigt werden. Im Kurs wird das Programm ausführlich erklärt. Diese Dateien enthalten noch keinen Header – dies sollte geändert werden.

gpio_hw.py

import RPi.GPIO as GPIO
 
PIN = 17
 
GPIO.setmode(GPIO.BCM)
GPIO.setup(PIN, GPIO.OUT)
 
def on():
    GPIO.output(PIN, GPIO.HIGH)
 
def off():
    GPIO.output(PIN, GPIO.LOW)
 
def status():
    return GPIO.input(PIN)
 
def cleanup():
    GPIO.cleanup()

logic.py

from core import gpio_hw
 
def turn_on():
    gpio_hw.on()
    return "on"
 
def turn_off():
    gpio_hw.off()
    return "off"
 
def get_status():
    return "on" if gpio_hw.status() else "off"

ledcontrol.py

#!/usr/bin/env python3
 
from core import logic
from core import gpio_hw
 
def main():
    print("GPIO CLI gestartet (CTRL+C beendet)")
 
    try:
        while True:
            cmd = input("on / off / status > ").strip()
 
            if cmd == "on":
                print(logic.turn_on())
            elif cmd == "off":
                print(logic.turn_off())
            elif cmd == "status":
                print(logic.get_status())
 
    except KeyboardInterrupt:
        pass
 
    finally:
        gpio_hw.cleanup()
 
if __name__ == "__main__":
    main()

Bevor mit dem Projekt weitergearbeitet wird, muss überprüft werden, ob das LED-Programm korrekt gestartet werden kann.

Dazu müssen folgende Voraussetzungen erfüllt sein:

• die Python-Environment ist aktiviert,
• die Programmstruktur wurde korrekt angelegt,
• der Abschnitt „Pakete & Bibliotheken installieren“ wurde vollständig gelesen und umgesetzt.

Anschließend wird in den Quellcode-Ordner gewechselt und das Programm gestartet:

cd ~/devel/gpio_led/src
./ledcontrol.py

Bei erfolgreichem Start erscheint die Eingabeaufforderung von ledcontrol.py:

on / off / status >

• on → die LED wird eingeschaltet und „on“ ausgegeben.
• off → die LED wird ausgeschaltet und „off“ ausgegeben.
• status → der aktuelle Zustand wird angezeigt.
• unbekannte Eingabe → das Programm bleibt aktiv und fordert erneut zur Eingabe auf.

Wenn das Verhalten wie beschrieben ist, läuft das Programm korrekt und die Einrichtung war erfolgreich.