【ラズパイ電子工作】スイッチのON／OFF状態を読み取る方法

ラズベリーパイは基板上に「GPIO」と呼ばれる、ラズベリーパイ上で作成したプログラムから信号の入力・信号の出力といった制御をすることができるピンが存在します。

信号の入力とは「スイッチのON/OFF」「温度計で室温の計測」といった、ラズベリーパイの外の情報を入力(インプット)してプログラム上で使用することです。

対して、信号の出力とは「LEDを点灯させる」「モータを回す」といった、ラズベリーパイで制御した結果を外に出力(アウトプット)することです。

この記事では、ラズベリーパイのGPIOピンを用いてスイッチのON/OFF状態を読み取り、実行結果に”0” or ”1”として表示させる方法について解説します。

1. 完成イメージ（スイッチのON/OFF状態を読み取る）

この記事で完成するものは以下のようになります。

↑はラズベリーパイでPythonを実行するアプリケーション「Thonny（トニー）」の実行結果を映しています。(ちょっと見えにくいですが…)

今回はスイッチが押されている時に”1”、押されていないときに”0”を1秒間隔で表示するようにしています。

↓スイッチが押されていないとき

↓スイッチを途中で押したとき

2. 使用する部品

今回使用する部品は以下の通りです。

ラズベリーパイ本体（モデル3B+）

『Raspberry Pi 3 Model B+』を使用します。※2019年12月時点で最新はRaspberry Pi 4になります。

ブレッドボード

LEDや抵抗といった各種部品や(後述する)ジャンパ線などを穴に差し込み、部品間を電気的に接続する板(ボード)です。

電子工作をする上で必須の部品です。

ジャンパ線

ブレッドボートに差し込み、電子部品の間を電気的に接続します。

↑の写真では両側が「ピン」になっており、ブレッドボートの穴に差し込んで使用します。

タクトスイッチ

スイッチを押すと、内部の回路が繋がり電流を流します。

↑のタクトスイッチの場合、黒い部分を指などで押します。

オススメの電子工作セット

電子工作をするため、これまで解説した部品の他にもスイッチやセンサなど、色々な部品が必要になってきます。個々で購入するには手間がかかるため、最初はセット品を購入することをおススメします。

電気設計人

私は以下のセット品を購入しました！

また、これからラズベリーパイを購入する場合、ラズベリーパイ本体を含めたセット品を購入することをおススメします。

ラズベリーパイ本体を収めるケースや、OSをインストールするためmicroSDカードなど必要なものを個々に購入する手間を省くことができます。

3. 回路図・配線の様子

ラズベリーパイのGPIOピンを用いてスイッチのON/OFF状態を読み取り、実行結果に”0” or ”1”として表示させる回路を解説します。

回路図

回路図は以下のようになります。

ラズベリーパイの3.3Vをタクトスイッチの片側に接続します。(赤いジャンパ線)

ラズベリーパイのGPIO 23番ポートをタクトスイッチのもう一方に接続します。(白いジャンパ線)

配線の様子

配線の様子です。こんな感じになりました。

↑では、フラットケーブルでGPIOの全ピンをブレッドボードに接続しています。回路図と実際の配線は異なる部分がありますがご了承ください。

※電気的には「回路図」と同じ意味です。

4. プログラム(Python)

ラズベリーパイのGPIOピンを用いてスイッチのON/OFF状態を読み取り、実行結果に”0” or ”1”として表示させるプログラム(Python)は以下のようになります。

ソースコード

#必要なモジュールをインポート
import RPi.GPIO as GPIO             #GPIO用のモジュールをインポート
import time                         #時間制御用のモジュールをインポート
import sys                          #sysモジュールをインポート

#ポート番号の定義
Sw_pin = 23                         #変数"Sw_pin"に23を格納

#GPIOの設定
GPIO.setmode(GPIO.BCM)              #GPIOのモードを"GPIO.BCM"に設定
#GPIO23を入力モードに設定してプルダウン抵抗を有効にする
GPIO.setup(Sw_pin, GPIO.IN, pull_up_down=GPIO.PUD_DOWN)

#while文で無限ループ
#GPIO23の入力を読み取る
while True:
    try:
        print(GPIO.input(Sw_pin))           #GPIO23が「ONで"1"」「OFFで"0"」
        time.sleep(1)                       #5秒間待つ
    except KeyboardInterrupt:               #Ctrl+Cキーが押された
        GPIO.cleanup()                      #GPIOをクリーンアップ
        sys.exit()                          #プログラムを終了

GPIO 23番ポートを入力モードに設定後、while文で無限ループして1秒間隔でGPIO 23番ポートの状態を読み取り、電流が流れている場合は”1”を電流が流れていない場合は”0”を表示しています。

プログラムの解説

#必要なモジュールをインポート
import RPi.GPIO as GPIO             #GPIO用のモジュールをインポート
import time                         #時間制御用のモジュールをインポート
import sys                          #sysモジュールをインポート

2行目～4行目で、GPIOピンを用いてスイッチのON/OFF状態を1秒間隔で読み取るために必要な「モジュール」を宣言します。

#ポート番号の定義
Sw_pin = 23                         #変数"Sw_pin"に23を格納

変数”Sw_pin”に23を格納します。後からGPIOのポート番号を変更する場合はここを変更します。

#GPIOの設定
GPIO.setmode(GPIO.BCM)              #GPIOのモードを"GPIO.BCM"に設定
#GPIO23を入力モードに設定してプルダウン抵抗を有効にする
GPIO.setup(Sw_pin, GPIO.IN, pull_up_down=GPIO.PUD_DOWN)

GPIOの設定を行います。

GPIO.setmode(GPIO.BCM)は、GPIO.setmode()を用いてGPIOをポート番号で扱う方法に設定します。

GPIO.setup(Sw_pin, GPIO.IN, pull_up_down=GPIO.PUD_DOWN)は、GPIO 23番ポートの内部にある抵抗をプルダウン抵抗に設定します。

#while文で無限ループ
#GPIO23の入力を読み取る
while True:
    try:
        print(GPIO.input(Sw_pin))           #GPIO23が「ONで"1"」「OFFで"0"」
        time.sleep(1)                       #5秒間待つ
    except KeyboardInterrupt:               #Ctrl+Cキーが押された
        GPIO.cleanup()                      #GPIOをクリーンアップ
        sys.exit()                          #プログラムを終了

「while文」は条件を指定して、その条件が真の時に繰り返し処理を行うものです。

while 条件式:
    繰り返し処理を行うコード

↑の「条件式」にtrueを指定することにより、条件式は常に真となりwhile文は無限に繰り返します。

ただし、このままではプログラム実行中に無限ループから抜け出す方法がありません。そこでwhile文の中にある「try文」と「except文」を使用します。

このtry-except文を用いることにより、while文の処理は以下のようになります。

while True:
    try:
        繰り返し処理を行うコード
    except KeyboardInterrupt:               #Ctrl+Cキーが押された
        GPIO.cleanup()                      #GPIOをクリーンアップ
        sys.exit()                          #プログラムを終了

except KeyboardInterrupt:は、キーボードのCtrl + Cキーが押された時にwhile文の繰り返し処理から抜けて「GPIOのクリーンアップ」と「プログラムの終了」の処理を行います。

Ctrl + Cキーが押されていないとき、try:文の中の処理を繰り返し行います。(以下で解説)

print(GPIO.input(Sw_pin))は、GPIO 23番ポートの状態を読み取り”1”or”0”を表示します。

もう少し噛み砕くとGPIO.input(Sw_pin)は、GPIO 23番ポートに電流が流れていれば場合”1”となり、流れていなければ”0”となります。

この場合のprint()関数は、実行結果にGPIO.input(Sw_pin)の値を表示させているだけです。

print(表示する変数)
    変数の値を表示するコード

time.sleep(1)は、何もせずに1秒間待ちます。この処理を行うために2行目でtimeモジュールをインポートしています。

while文の中(18,19行目)で、GPIO 23番ポートの状態を読み取り⇒0.5秒待つ処理を無限に繰り返します。

5. おわりに

ラズベリーパイのGPIOピンを用いてスイッチのON/OFF状態を読み取り、実行結果に”0” or ”1”として表示させる方法を解説しました。

まだまだラズベリーパイ初心者の私ですが、以下の参考書が大変参考にさせて頂いております。

2冊とも初学者にも易しい内容になっており、ゼロからラズベリーパイを始める方にもオススメできる参考書です。