Een Raspberry Pi is een mini-computer waar je allerlei leuke dingen mee kunt doen. Je kan de Raspberry Pi als computer gebruiken. Daarnaast kun je er ook allerlei apparaatjes en elektronische schakelingen aan koppelen.

We gaan met bewegingssensoren, afstandssensoren en een stappenmotor aan de slag.

De Raspberry Pi aansluiten

Pi aansluiten

Zoals hierboven genoemd is een Raspberry Pi een mini-computer, waar je net als een gewone computer een scherm, toetsenbord en muis op moet aansluiten. Via de volgende stappen bereiden we de Raspberry Pi voor op gebruik:

In de doos van de Raspberry Pi zit een HDMI-kabel die je op het scherm aansluit en op aansluiting 1.
Op USB aansluitingen 2 en 3 sluit je het toetsenbord en de muis aan.
Tenslotte pak je de voeding uit de doos en sluit je deze aan op aansluiting 4 en in het stopcontact.

Zodra je de stroom hebt aangesloten, begint de Raspberry Pi op te starten. Als het scherm aanstaat, kan je zien hoe de computer opstart.

De software

De Raspberry Pi’s die we gebruiken zijn al wat ouder en daardoor niet zo snel. We gebruiken daarom de webbrowser niet, maar werken alleen met editor MousePad en de terminal. Deze zijn te zien op de volgende afbeelding:

Mousepad en LXTerminal

Met MousePad maken we de *.py bestanden met daarin de code. Vervolgens voeren we die uit in de terminal met het commando:

sudo python3 <scriptnaam>.py

Een led aansturen

We gaan beginnen met het aanzetten van een led lampje met de Raspberry Pi. Hiervoor hebben we nodig:

Een led lampje
Een weerstandje (330 ohms)
Een paar draadjes
Een breadboard

We gaan nu eerst de draadjes aansluiten, hoe dat moet is te zien op de afbeelding hieronder. We verbinden de 3.3 volt aansluiting op de Raspberry Pi met de onderste rij op het breadboard. We verbinden de GROUND met de rij erboven op het breadboard. Daarna pluggen we de weerstand en het ledje in zoals het op de afbeelding staat. Als laatste verbinden we de weerstand en het ledje met de rijen op het breadboard, en het bruine draadje met de controller pin op de Raspberry Pi.

De pins op de afbeelding zijn hetzelfde als op jouw Raspberry Pi, je kan dus tellen waar de draadjes horen te zitten!

led op Pi

Het led lampje gaat nu nog niet branden, dat komt omdat het circuit nog niet compleet is. We hebben net de led aangesloten op de GND en op de controller pin met het bruine draadje. Om het circuit compleet te maken en het ledje aan te laten gaan moeten we de controller pin aanzetten. De pin die wij hebben gebruikt heet pin 18. We moeten dus met code pin 18 gaan aanzetten. Dit dit we in Python als volgt:

from gpiozero import LED
led = LED(18)
while True:
    led.on()

De bovenstaande code begint met het importeren van de code (gpiozero) om de pin te besturen. Hierna zeggen we dat er een ledje zit op pin 18 met de regel code: LED(18). Daarna zetten we deze led aan. Start het script met:

python3 script.py

Het ledje zou nu moeten aangaan.

We kunnen het ledje laten knipperen door ons script te vervangen met het volgende script:

from gpiozero import LED
from time import sleep
led = LED(18)
while True:
    led.on()
    sleep(1)
    led.off()
    sleep(1)

Dit werkt door de led steeds aan- en uit te zetten. Tussendoor pauzeren we het programma met sleep(1). Door het getal hier aan te passen kan je de led sneller of langzamer laten knipperen. Probeer bijvoorbeeld sleep(5) uit!

Een led met een schakelaar

De volgende stap is het toevoegen van een echte knop om de led mee te bedienen. Hiervoor moeten we eerst het onderstaande circuit nabouwen. Dit circuit is al wat lastiger, vraag daarom gerust om hulp als je deze nodig hebt!

led en schakelaar op Pi

De knop is aangesloten op pin 2 (met het gele draadje op de afbeelding). Als je de knop indrukt is het circuit compleet en staat er spanning op pin 2. Dit kunnen wij uitlezen met Python:

from gpiozero import Button
button = Button(2)
while True: 
    if button.is_pressed: 
        print("Button is pressed") 
    else:
        print("Button is not pressed")

Dit script laat wat op je scherm zien als je de knop indrukt. Net zoals eerst vertellen we dat er een knop op pin 2 zit met de regel: Button(2). De led doet het nu niet meer, deze sturen we namelijk niet maar aan in het script. We combineren nu ons script van net met dit script:

from gpiozero import LED, Button
from signal import pause
led = LED(18)
button = Button(2)
button.when_pressed = led.on
button.when_released = led.off
pause()

Bewegingssensor en buzzer

Behalve de led en de knop zijn er natuurlijk veel meer apparaten die we kunnen aansluiten op een Raspberry PI. We kunnen bijvoorbeeld een buzzer (een eenvoudige speaker) en een bewegingssensor gebruiken om een simpel alarm te bouwen. Als het alarm iemand ziet bewegen dan gaat het af!

Zoals voorheen bouwen we eerst het circuit op de foto na. Let goed op dat alle draadjes op de juiste plek zitten!

bewegingssensor en buzzer op Pi

Het circuit werkt als volgt: als de bewegingssensor iets ziet bewegen, geeft deze een stroompje af op het draadje dat we hebben aangesloten op de pins van de Raspberry Pi. Dit stroompje kunnen wij detecteren met onze code, en vervolgens kunnen we de buzzer geluid laten maken door stroom te zetten op de pin waar de buzzer op is aangesloten.
Om het alarm nog effectiever te maken kunnen we ook de led laten knipperen.

We kunnen de bewegingssensor als volgt gebruiken in de code:

from gpiozero import MotionSensor
pir = MotionSensor(23)
pir.wait_for_motion()
print("Motion detected!")

Herken je de manier waarop we de deze code schrijven? Het is bijna hetzelfde als in de vorige voorbeelden. Deze keer zit de bewegingssensor (MotionSensor) aangesloten op pin 23.
Dit scriptje print Motion detected! als de sensor iets ziet bewegen.

We gaan deze code nu combineren met onze code om de led aan te sturen. Ook passen we dit toe op de buzzer. Het resultaat is als volgt:

from gpiozero import MotionSensor, Buzzer, LED
import time
pir = MotionSensor(23)
bz = Buzzer(24)
led = LED(18)
print("Waiting for PIR to settle")
pir.wait_for_no_motion()
while True:
    led.off()
    print("Ready")
    pir.wait_for_motion()
    led.on()
    print("Motion detected!")
    bz.beep(0.5, 0.25, 8)
    time.sleep(3)

Snap je hoe het werkt? Probeer eens wat waardes aan te passen!

Stappenmotor

We hebben nu al een led, knop, sensor en buzzer aangesloten. Het volgende onderdeel is natuurlijk een motor. We gaan een zogeheten stappenmotor aansluiten op de sensor.

Het aansturen van een motor is wat ingewikkelder dan het aansturen van de andere onderdelen. Dat is ook logisch, want een ledje of of buzzer kan alleen aan of uit. Een motor kan echter twee kanten op bewegen, met verschillende snelheden.

Gelukkig hebben we een apart circuitje om ons daarmee te helpen. We gaan weer het circuitje nabouwen op de foto! stappenmotor op Pi

Zoals je kan zien moeten er veel draadjes worden aangesloten voor de motor:

twee draadjes voor 5 Volt en de GND;
vier draadjes om de motor instructies te sturen.

Je kan de code hieronder gebruiken om de motor aan te sturen. Dit is complexe code! We raden het aan om een mentor om hulp te vragen als je dit beter wilt begrijpen.

import time
import sys
from gpiozero import OutputDevice as stepper
IN1 = stepper(12)
IN2 = stepper(16)
IN3 = stepper(20)
IN4 = stepper(21)
stepPins = [IN1, IN2, IN3, IN4]  # Motor GPIO pins
stepDir = -1  # Set to 1 for clockwise
              # Set to -1 for anti-clockwise
              
mode = 1  # mode = 1: Low Speed ==> Higher Power
          # mode = 0: High Speed ==> Lower Power

if mode:  # Low Speed ==> High Power
    seq = [[1, 0, 0, 1],
          [1, 0, 0, 0],
          [1, 1, 0, 0],
          [0, 1, 0, 0],
          [0, 1, 1, 0],
          [0, 0, 1, 0],
          [0, 0, 1, 1],
          [0, 0, 0, 1]]  # Define step sequence as shown in manufacturers datasheet
else:
    seq = [[1, 0, 0, 0], 
           [0, 1, 0, 0], 
           [0, 0, 1, 0], 
           [0, 0, 0, 1]]  # Define step sequence as shown in manufacturers datasheet
stepCount = len(seq)
if len(sys.argv) > 1:  # Read wait time from command line
    waitTime = int(sys.argv[1]) / float(1000)
else:
    waitTime = 0.004 
    while True:                          # Start main loop
        for pin in range(0, 4):
            xPin = stepPins[pin]  # Get GPIO
            if seq[stepCounter][pin] != 0:
                xPin.on()
            else:
                xPin.off()
        stepCounter += stepDir
        if stepCounter >= stepCount:
            stepCounter = 0
        if stepCounter < 0:
            stepCounter = stepCount + stepDir
        time.sleep(waitTime)  # Wait before moving on

Omdat deze code zo lastig is leggen we het even in een paar onderdelen uit.

Eerst importeren we de juiste dingen. We importeren het OutputDevice, deze gebruiken we om de motor aan te sturen. Dit hernoemen we naar stepper zodat we het zo kunnen noemen in de code. Net zoals eerst zeggen op welke pins de draadjes zitten aangesloten. We stoppen deze pins in een lijst (stepPins), aangegeven met de [blokhaken].

import time
import sys
from gpiozero import OutputDevice as stepper
IN1 = stepper(12)
IN2 = stepper(16)
IN3 = stepper(20)
IN4 = stepper(21)
stepPins = [IN1, IN2, IN3, IN4]  # Motor GPIO pins

Hierna configureren we een aantal dingen, met stepDir geven we de richting van de motor aan (linksom of rechtsom). Met de mode geven we aan hoe hard de motor draait. We kunnen kiezen tussen 1 en 0.

stepDir = -1  # Set to 1 for clockwise
              # Set to -1 for anti-clockwise
              
mode = 1  # mode = 1: Low Speed ==> Higher Power
          # mode = 0: High Speed ==> Lower Power

Op basis van de mode kiezen we een sequence. Dit is een reeks signalen die we naar de motor sturen om te zeggen wat hij moet doen.

if mode:  # Low Speed ==> High Power
    seq = [[1, 0, 0, 1],
          [1, 0, 0, 0],
          [1, 1, 0, 0],
          [0, 1, 0, 0],
          [0, 1, 1, 0],
          [0, 0, 1, 0],
          [0, 0, 1, 1],
          [0, 0, 0, 1]]  # Define step sequence as shown in manufacturers datasheet
else:
    seq = [[1, 0, 0, 0], 
           [0, 1, 0, 0], 
           [0, 0, 1, 0], 
           [0, 0, 0, 1]]  # Define step sequence as shown in manufacturers datasheet

Als laatste gaan we een voor een de signalen in de sequence (reeks) naar de motor te sturen. Dit doen we in een while true, een oneindige loop. Hierdoor blijft de motor doordraaien.
We sturen de signalen naar alle 4 pins gebaseerd op de eerste regel in de sequence. Daarna pakken we de volgende regel en sturen die ook allemaal naar de pins. Hierdoor gaat de motor draaien.

if len(sys.argv) > 1:  # Read wait time from command line
    waitTime = int(sys.argv[1]) / float(1000)
else:
    waitTime = 0.004 
    while True:                          # Start main loop
        for pin in range(0, 4):
            xPin = stepPins[pin]  # Get GPIO
            if seq[stepCounter][pin] != 0:
                xPin.on()
            else:
                xPin.off()
        stepCounter += stepDir
        if stepCounter >= stepCount:
            stepCounter = 0
        if stepCounter < 0:
            stepCounter = stepCount + stepDir
        time.sleep(waitTime)  # Wait before moving on

Afstandssensor

Aansluiten

Met een ultrasoonsensor kun je de afstand van de sensor tot een object meten, bijvoorbeeld je hand. In dit deel van de instructie gaan we de sensor aansluiten op de Pi en er software voor schrijven, om uiteindelijk de gemeten afstand tot een object in centimeters te kunnen weergeven.

In het onderstaande schema vind je de componenten en hoe je ze moet aansluiten.

afstandssensor op Pi

De weerstandjes zijn allemaal 1kOhm met kleurtjes bruin-zwart-rood.

De ultrasoonsensor wordt gevoed vanuit 5Vdc, maar de IO-pinnen van de Pi ondersteunen maximaal 3.3Vdc. Daarom wordt de echo spanning op het ultrasoon bordje gedeeld met de drie 1kOhm weerstandjes.

Software schrijven

De code voor het gebruik van de afstandssensor is niet makkelijk in kleine onderdelen op te splitsen. Daarom vind je hieronder het volledige script.
Onder de code vind je uitleg over de verschillende onderdelen.

#!/usr/bin/python3

import PRi.GPIO as GPIO
from time import sleep, time

PIN_TRIGGER = 7
PIN_ECHO = 11
GELUIDSSNELHEID = 34300

try:
    GPIO.setmode(GPIO.BOARD)
    GPIO.setup(PIN_TRIGGER, GPIO.OUT)
    GPIO.setup(PIN_ECHO, GPIO.IN)
    
    print("wacht 2 seconden tot de sensor stabiel is")
    sleep(2)
    
    print("maak puls")
    print("start een klok zodra het begin van de echo wordt gemeten")
    
    GPIO.output(PIN_TRIGGER, GPIO.HIGH)
    sleep(0.00001)
    GPIO.output(PIN_TRIGGER, GPIO.LOW)
    
    while GPIO.input(PIN_ECHO) == 0:
        puls_start_tijd = time()
        
    while GPIO.input(PIN_ECHO) == 1:
        puls_eind_tijd = time()
    
    print("stop de klok als de echo voorbij is")
    puls_duur = puls_eind_tijd - puls_start_tijd
    afstand = round(puls_duur * GELUIDSSNELHEID / 2, 2)
    print(f"gemeten afstand: {afstand}cm\n\n")
finally:
    GPIO.cleanup()

Input/Output pinnen gebruiken

Op de Rasberry Pi zitten twee rijen met pinnetjes waar je van alles op aan kunt sluiten. In deze code gebruiken we alleen I/O-pinnen. Ofwel, de pinnen kunnen geen spanning (0) of de maximale spanning (1) uitsturen. Ook kunnen ze alleen maar meten of de spanning 0V (0) of maximaal 3.3V (1) is.

De pinnen zijn instelbaar op verschillende manieren, dus als je ze wilt gebruiken, zul je de juiste instelling moeten gebruiken:

De software voor het gebruik van de I/O-pinnen importeren:

import PRi.GPIO as GPIO

Pin nummering modus:

GPIO.setmode(GPIO.BOARD)

Bij GPIO.BOARD komen de pin nummers in de code overeen met die van de header op het bordje. Voor de andere modus GPIO.BCM komen de nummers overeen met die van de chip die wordt gebruikt. Dat is een stuk lastiger, dus we gebruiken GPIO.BOARD.

De gebruikte pinnen instellen:

GPIO.setup(PIN_TRIGGER, GPIO.OUT)
GPIO.setup(PIN_ECHO, GPIO.IN)

Variabelen PIN_TRIGGER en PIN_ECHO zijn makkelijk te lezen, maar bevatten de waarden 7 en 11. Ofwel pin 7 en pin 11.
PIN_TRIGGER wordt ingesteld als output met GPIO.OUT en kan dus een spanning van 0V of 3.3V leveren.
PIN_ECHO wordt gebruikt als input met GPIO.IN en kan juist meten of het signaal hoog of laag is.

PIN_TRIGGER hoog of laag zetten:

GPIO.output(PIN_TRIGGER, GPIO.HIGH)
GPIO.output(PIN_TRIGGER, GPIO.LOW)

Met GPIO.HIGH of GPIO.LOW kun je pin PIN_TRIGGER hoog of laag zetten.

PIN_ECHO uitlezen:

pin_waarde = GPIO.input(PIN_ECHO)

pin_waarde krijgt de waarden van PIN_ECHO, een 1 als er een hoge spanning op de pin staat en een 0 als er geen spanning op staat.

Pin instellingen weer terugzetten:

GPIO.cleanup()

Hoe werkt het afstand meten eigenlijk?

Met dit stukje code laat je de sensor een ultrasoon signaal maken.

GPIO.output(PIN_TRIGGER, GPIO.HIGH)
sleep(0.00001)
GPIO.output(PIN_TRIGGER, GPIO.LOW)

De duur van het echo-signaal van de sensor is een maat voor de duur van de echo en daarmee van de afstand. Hoe groter de afstand is, hoe langer de echo duurt en daarmee het echo-signaal op PIN_ECHO.
Met de volgende code kunnen we meten hoe lang het echo-signaal duurt:

while GPIO.input(PIN_ECHO) == 0:
    puls_start_tijd = time()
    
while GPIO.input(PIN_ECHO) == 1:
    puls_eind_tijd = time()

Het eerste stukje wacht tot het begin van het echo-signaal begint. Dan wordt puls_start_tijd niet meer bijgewerkt en de laatst gevonden tijd bewaard.
De volgende while wordt dan uitgevoerd en als het echo-signaal stopt, wordt de puls_eind_tijd bewaard.

Door puls_start_tijd van puls_eind_tijd af te trekken, weet je hoe lang de echo duurde. De snelheid van ultrasoon geluid (ultrageluid) is 34300 cm/s. Het geluid gaat van de sensor naar het object en dan weer terug, dus de afstand is gelijk aan:

afstand = snelheid ultrasoon geluid * duur echo / 2

Omdat het geluid heen-en-weer gaat, wordt het resultaat door 2 gedeeld:

puls_duur = puls_eind_tijd - puls_start_tijd
afstand = round(puls_duur * GELUIDSSNELHEID / 2, 2)

Zelf proberen

De code meet nu een enkele keer de afstand en sluit dan af. Kun je de code zo aanpassen dat de code de meting bijvoorbeeld iedere seconde herhaalt en je kunt zien dat de afstand varieert als je je hand beweegt?
Is er een maximum afstand die je kunt meten?

Als je de afstand meerdere keren achter elkaar meet, zou je ook kunnen uitrekenen wat de snelheid was van de beweging tussen de twee metingen. Hoe zou je dat kunnen doen?

Bron

Deze instructie is gebaseerd op het werk van Marcelo Rovai en de instructie van Gus van PiMyLifeUp.

Licentie

Deze instructies worden, net als alle andere instructies van CoderDojo Nijmegen, aangeboden onder een Creative Commons Attribution-NonCommercial-ShareAlike 4.0 International Licentie.

Python - Raspberry Pi