デジタル出力でLED点灯・消灯。

この記事でわかること

ラズパイPicoWのGPピンにLEDを接続する方法
電流制限抵抗の計算方法
MicroPythonのモジュールの読み込み（インポート）方法
MicroPythonのクラスPinの使用方法
MicroPythonのクラスTimerの使用方法

ラズパイPicoW（Raspberry Pi Pico W）の汎用入出力（GPIO）に接続したLEDを点灯・消灯させます。

実験準備

実験に必要な機器と部品を準備します。

機器

「ラズパイPicoWを始めよう。」記事で書きましたラズパイPicoWと、統合開発環境ThonnyとMicroPythonファームウェアをインストールしたRaspi4Bを準備します。

: ラズパイPicoWを始めよう。
この記事でわかること Thonny（統合開発環境）の基本的な使用方法 ThonnyにMicroPythonファームウェアを追加する方法 Raspberry Pi Pico W上のLEDを制御する方法 ...

部品

LED（発光ダイオード）、固定抵抗など実験に使う部品を準備します。

部品名	規格	数量	取扱い店（参考）
LED	3mm 赤色（OSR5JA3Z74A同等品）	1	電子工作ステーション
カーボン抵抗	1/4W　330Ω	1	電子工作ステーション
ブレッドボード	通常品（訳アリ品はだめ！）	1	電子工作ステーション
ジャンパーワイヤ	オス－メス(約20cm)	1	電子工作ステーション

機器／部品の実装とプログラミング

準備した機器と部品を実際につなぎ、MicroPythonでプログラミングを行いLEDを点灯・消灯させます。

配線

ブレッドボードを使って「赤いLED」、「抵抗」などをジャンパーワイヤでつなぎます。

プログラミング

Raspi4BのThonnyを起動し、次のコードを「エディタ」に入力するか、リストをコピーしてペーストします。

Thonnyの「エディタ」には直接、日本語が入力できませんので、「Text Editor」に入力後、コピー・ペーストします。

#モジュールの読み込み（インポート）
from machine import Pin, Timer

#クラスPinのインスタンス「led」を作成
led = Pin(28, Pin.OUT)

#クラスTimerのインスタンス「tim」を作成
tim = Timer()

#LEDを点灯・消灯する関数「blink」を定義
def blink(t):
    #インスタンス「led」の「toggle」メソッドを呼出
    led.toggle()   

#インスタンス「tim」の「init」メソッドを呼出し
tim.init(period=500, mode=Timer.PERIODIC, callback=blink)

Thonnyの「F5」キーを押して、現在のスクリプトを実行すると、LEDが0.5秒ごとに点灯・消灯します。

確認後、Thonnyの「Ctrl + F2」キーを押して、停止します。

任意のファイル名でラズパイPicoWに保存します。（ここでは「3_2digout.py」で保存しました。）

回路の説明

ブレッドボードの配線を回路図に表すと次にようになります。

接続について

抵抗（R1）に接続されているGPピン28（34ピン）は、プログラムの設定でディジタル信号（HighまたはLow）の入力または出力を行います。（今回の実験ではLEDを点灯・消灯させますので出力として設定します。）
抵抗（R1）は、LEDに大きな電流が流れて壊れることを防ぐための電流制限抵抗です。
LEDはアノードに電源のプラス側を、カソードにマイナス側を接続して電圧を加えると、アノードからカソードに向かって電流が流れ点灯しますので、アノード側に抵抗（R1）を接続し、カソード側をGND（38ピン）に接続します。

電気的特性と設定値

出力状態としてのGPピン28とLED（OSR5JA3Z74A同等品）の電気的特性から、電流制限抵抗（R1）の値を計算・設定します。

▶️出力状態としてのGPピン28の電気的特性

項目	表記	値	備考
Lowレベルの出力電圧	VoL	0V	標準値
Highレベルの出力電圧	VoH	3.3V	標準値
Highレベルの出力電流	IoH	4mA（最大8mA）	初期設定値

▶️LED（OSR5JA3Z74A同等品）の電気的特性

項目	表記	値	備考
順方向電圧	VF	2.1V	標準値
順方向電流	IF	20mA	順方向電圧の時の電流

▶️電流制限抵抗（R1）値の計算・設定

電流制限抵抗「R1」にかかる電圧「VR」は、GPピン28のHighレベルの出力電圧「VoH」からLEDの順方向電圧「VF」を引いた値になります。

$$VR= {VoH}-{VF}={3.3V}-{2.1V}={1.2V}$$

LEDに電気的特性ではる順方向電流「IF」は20mAですが、GPピン28のHighレベルの出力電流は4mAですので、実際の「IF」は4mAとなります。

電流制限抵抗「R1」に流れる電流は、LEDに流れる順方向電流「IF」と等しいので、オームの法則より電流制限抵抗「R1」を計算します。

$$R1= \frac {\ VR}{IF}= \frac {\ 1.2V}{4mA}= \frac {\ 1.2V}{0.004A}={300Ω}$$

市販の抵抗はE系列という等比数列になっていますので、ここでは、安全のため計算値より大きい330Ωの抵抗に設定し、LEDに流れる順方向電流「IF」を計算し、GPピン28のHighレベルの出力電流の4mAを超えていないことを確認します。

$$IF= \frac {\ VR}{R1}= \frac {\ 1.2V}{330Ω}= {0.0036A}={3.6mA}<4mA$$

電流制限抵抗の計算の詳細については、「こちら」を参考にしてください。

プログラムの説明

Thonnyを起動し、ラズパイPicoWに保存したプログラムファイル（3_2digout.py）を読み込みます。

#モジュールの読み込み（インポート）
from machine import Pin, Timer

#クラスPinのインスタンス「led」を作成
led = Pin(28, Pin.OUT)

#クラスTimerのインスタンス「tim」を作成
tim = Timer()

#LEDを点灯・消灯する関数「blink」を定義
def blink(t):
    #インスタンス「led」の「toggle」メソッドを呼出
    led.toggle()   

#インスタンス「tim」の「init」メソッドを呼出し
tim.init(period=500, mode=Timer.PERIODIC, callback=blink)

プログラム全体の流れ

「デジタル出力でLED点灯・消灯」プログラムは次の処理を行います。

流れ	処理	説明
1	GPピン番号の設定	LEDを点灯・消灯させるGPピン番号を設定します。（実際のピン番号ではありません。）
2	GPピンの状態を設定	指定したGPピンを出力、入力などの状態を設定します。本プログラムでは出力を設定します。
3	LEDの点灯・消灯時間の管理するための時計を設定	タイマー・クラスを使って、LEDの点灯・消灯用の時計を設定します。
4	LEDの点灯・消灯させる関数を実装	タイマー期間が終了したときに呼び出されるコールバック関数を実装し、LEDを点灯・消灯させます。
5	LEDの点灯・消灯時間の設定と呼出し	指定した時計を0.5秒間隔に設定し、タイマー期間が終了したときに呼び出されるコールバック関数を設定し呼出します。

コメントはプログラムの処理に関係ないメモ書きです。

「#モジュールの読み込み（インポート）」、「#Pinクラスのインスタンス「led」を作成」のように、「#」が付けられた文は、その行の末尾（改行）まで「コメント」とみなします。

主に、書かれたコードを読みやすくする目的で、プログラム処理のはじめや終わりに、その部分がどのような処理をしているのかを書いたりします。

モジュールの読み込み（インポート）

プログラムを再利用するための仕組みの一つとして、「モジュール」という仕組みがMicropythonには備わっています。

モジュールはデータと関数、クラスなどをひとまとめにしたファイルで、ユーザが目的に応じて作成するモジュールの他、Micropythonに標準で用意されたモジュールがあります。

▶️モジュールの読み込み方法

モジュールの読み込みはインポートと呼ばれ、「import」文により実行されます。

import文の書式は複数ありますが、ここではモジュール内の特定な関数やクラスだけをインポートする方法を使いました。

from モジュール import メンバー, メンバー･･･
モジュール	モジュール名
メンバー	モジュール内の関数やクラス名で、カンマで区切ることで複数のメンバーを指定できます。

▶️machineモジュール内のメンバーを読み込む

from machine import Pin, Timer
machine	machineモジュール
Pin	クラスPin
Timer	クラスTimer

MicroPythonに標準に組み込まれている「machine」モジュールの「クラスPin」と「クラスTimer」を読み込みます。

クラスPinのインスタンス「led」を作成

クラスPinは、主にGPピンの設定やデジタル論理レベルの取得、設定を行います。

GPピンの番号を設定
GPピンの状態（入力／出力）を設定
GPピンの出力レベル（High／Low）を設定
GPピンの入力状態時のプルアップ／プルダウンの設定
GPピンからに割込み指定の設定

参考：MicroPythonライブラリ／クラス Pin -- I/O ピンの制御

▶️クラスPinのインスタンス化とGPピンの初期化

led = Pin(28, Pin.OUT)
led	クラスPinを使うため、インスタンス名「led」に代入します。
Pin(28, Pin.OUT)	呼出されるコンストラクタの引数として、GPピンを28（LEDを接続）に状態を出力に設定します。

クラスTimerのインスタンス「timer」を作成

クラスTimerは、ハードウェアタイマーで、周期処理や時間イベントの処理を行います。

設定した周波数（Hz）で定期的に処理を実行します。
設定した時間（ms）で定期的に処理を実行します。
設定した時間が経過した後、処理を実行します。

参考：MicroPythonライブラリ／クラス Timer -- ハードウェアタイマーの制御

▶️クラスTimerのインスタンス化

tim = Timer()
tim	クラスTimerを使うため、インスタンス名「tim」に代入します。

LEDを点灯・消灯する関数「blink()」を定義

LEDを0.5秒ごとに点灯／消灯させる関数を実装します。

def blink(t): 　#インスタンス「led」の「toggle」メソッドを呼出　led.toggle()
def blink(t):	関数「blink()」を定義します。関数「blink()」は、タイマー期間が終了したときに呼び出されるコールバック関数です。コールバック関数はタイマーオブジェクトを受取るため、任意の名前の引数が一つ必要です。（ここでは「t」としています。）
led.toggle()	インスタンス「led（GPピン28、出力）」の出力レベル（High／Low）を反転させるメソッド（toggle()）を呼出します。

インスタンス「tim」の「init」メソッドを呼出し

タイマーの動作を初期設定します。

tim.init(period=500, mode=Timer.PERIODIC, callback=blink)
tim.init	「init」メソッドは、タイマーを初期化します。
period=500	タイマー期間をミリ秒単位で設定します。（ここでは500msを設定しています。）タイマーの周波数単位（Hz）で設定しする場合は「freq」を使います。（freq = 2 ）
mode=Timer.PERIODIC	タイマーの実行方法を設定します。・mode=Timer.PERIODIC：タイマーは、設定した周期で定期的に実行します。・mode=Timer.ONE_SHO：タイマーは、設定した周期が経過した後に1回だけ実行します。
callback=blink	タイマー期間が終了したときに呼び出されるコールバック関数を設定します。（ここではblinkを設定しています。）

まとめ

ラズパイPicoWのGPピンにLEDを接続し、点灯／消灯を行いました。

LEDの接続の方法と、ラズパイPicoWやLEDを壊さないために用いる、電流制限抵抗の計算方法を学びました。

MicroPythonに組み込まれているモジュールを読み込み、LEDを周期的に点灯／消灯させるために必要な「クラスPin」、「クラスTimer」の使い方を学びました。