[3회차-4] 라즈베리파이 GPIO 실습

[3회차-4] 라즈베리파이 GPIO 실습 - 1

SSEM👌 2020. 9. 7. 23:40

1. Thonny Python IDE

지금까지 우리는 Windows 환경에서 Python 프로그램을 설치하고 IDLE을 실행하여 Python 프로그래밍을 해왔습니다. 라즈베리파이에 라즈비안 운영체제를 설치하면 기본적으로 Python 프로그램이 설치되어있습니다. Windows에서 IDLE 역할을 하는 Thonny Python IDE를 실행하여 Python 프로그래밍을 해보겠습니다.

가. 바탕화면에 아이콘 만들기

아래 사진을 따라 하여 바탕화면에 Thonny Python IDE 아이콘을 만들어 보겠습니다.

[Thonny Python IDE] 마우스 우클릭 - Add to desktop

바탕화면에 만들어진 아이콘을 더블클릭하여 프로그램을 실행해줍니다.

나. Thonny Python IDE 실행화면

프로그램을 실행하면 아래와 같은 화면을 볼 수 있습니다. 화면은 3 부분으로 나눌 수 있는데 우리가 사용하던 IDLE과 달리 프로그램 코딩하는 부분과 Shell 부분이 한 화면에 위치하여 프로그램 실행 시 결과를 좀 더 편리하게 볼 수 있습니다.

가운데 Debug, Over, Info, Out은 현재 수준에서는 중요하지 않지만 다른 아이콘들은 자주 사용됩니다. 입력 창에 프로그램을 입력하고 [Run] 아이콘을 클릭하여 실행할 수 있습니다.

IDLE에서 New File로 별도 입력 창을 불러왔던 것을 기억하고 있을 것입니다. Thonny Python IDE 프로그램에서는 화면에 보이는 입력 창에 Python 프로그램을 입력하여 실행할 수 있습니다.

Shell은 프로그램 실행 결과 확인, 키보드 입력, 간단한 프로그램 명령어 작성, 오류 안내 등 IDLE에서와 같은 기능을 합니다.

다. 실습 폴더 만들기

Thonny Python IDE도 IDLE과 같이 입력한 프로그램을 저장한 후 실행합니다. 앞으로는 여러분이 다양한 실습 예제를 저장할 폴더를 만들어 관리해 보겠습니다.

바탕화면에서 폴더 아이콘을 클릭하여 /home/pi 폴더 안에 새로운 폴더를 만듭니다. 새로운 폴더를 만들 폴더 안에서 [마우스 우클릭] - [New Folder]를 실행합니다.

여러분이 알아볼 수 있는 폴더 이름을 입력하여 [확인]을 누릅니다.

/home/pi 폴더 안에 [robot] 폴더가 만들어진 것을 볼 수 있습니다. 앞으로 Thonny Python IDE에서 프로그램을 만들 경우에는 위 [robot] 폴더 안에 저장하도록 합니다.

라. 파일 저장하기

Thonny Python IDE에서 간단한 프로그램을 만들고 폴더에 저장해서 실행해보겠습니다.

2. 전자회로

가. Vcc, Gnd

위 그림은 우리가 많이 보는 AA 건전지입니다. 우리가 사용하는 RC카나 장난감, 리모컨 등에는 크기는 다르지만 위와 같은 형태의 건전지를 넣어 작동합니다. 건전지에는 +극과 -극이 있어 그 방향에 맞추어서 넣어주어야 기기가 작동하는 것을 볼 수 있습니다.

Vcc +극을 의미합니다. 라즈베리파이에서는 3.3v나 5v를 사용합니다.

Gnd -극을 의미합니다. 0v를 뜻하며 기기가 동작하려면 Vcc와 Gnd가 바르게 연결되어야 합니다.

나. Pin Numbering

GPIO는 라즈베리파이에서 입출력 장치를 연결할 수 있는 부분으로 이를 이용해서 입력장치인 온도센서, 초음파 센서의 값을 입력받을 수 있으며 LED. 서보모터 같은 출력장치를 연결하여 제어할 수 있습니다.

출처 : https://www.raspberrypi.org/documentation/usage/gpio

전압 2개의 5V핀과 2개의 3.3V핀, 8개의 0V GND핀이 있습니다.

나머지 핀은 모두 3.3V 입출력이 가능한 GPIO 핀입니다.

출력 출력 핀으로 지정된 GPIO는 높음(HIGH, 3.3V) 또는 낮음(LOW, 0V)으로 설정할 수 있습니다.

입력 입력 핀으로 지정된 GPIO는 높음(HIGH, 3.3V) 또는 낮음(LOW, 0V)으로 읽을 수 있습니다.

(GPIO2 및 GPIO3에는 고정 풀업 저항이 있음)

PWM 모든 핀에서 소프트웨어 PWM 사용 가능합니다.

(하드웨어 PWM은 GPIO12, GPIO13, GPIO18, GPIO19)

3. LED 실습

가. LED

LED는 전기 에너지를 빛 에너지로 바꿔주는 반도체입니다. LED는 백열전구나 형광등에 비해 소비전력이 적고, 수명이 긴 장점이 있습니다.

우리가 사용할 LED는 단색 LED로 다리가 긴 쪽이 +극, 짧은 쪽이 -극에 해당됩니다. LED에 과도한 전류가 흐르면 안 됩니다. 1.8~2V의 전압에서 작동하며, 그 이상의 전원을 가할 경우 고장의 원인이 될 수 있습니다.

따라서 직렬로 저항을 연결해서 큰 전류가 흐르는 것을 방지해 주어야 합니다. 만약 저항을 연결하지 않으면 LED에 큰 전류가 흘러서 타버릴 수 있습니다.

LED에는 다리가 두 개밖에 없으므로 LED를 켜려면 긴 쪽 다리에 Vcc를 연결하고, 짧은 쪽 다리에 Gnd를 연결하는 형태로 회로를 구성합니다. 여기서 라즈베리파이의 5V나 3.3V에 저항을 연결하여 직접 연결해주면 LED는 전기가 공급되는 한 계속 LED가 켜져 있어 LED를 제어(불을 켜거나 끄는 것)하기는 어렵습니다.

이때 GPIO를 사용하면 LED를 제어할 수 있습니다. LED의 긴 다리를 GPIO에 연결하여 연결된 GPIO에 신호(3.3V)를 보내면 불을 켜거나 끌 수 있습니다.

나. Vcc, Gnd 브레드보드 연결하기, LED극 실험

코블러가 연결된 브레드보드에 Vcc와 Gnd 회로를 구성하여 보겠습니다. 아래 그림과 같이 전선을 이용하여 브레드보드 왼쪽에는 3.3V의 전원과 Gnd를 연결하여 주고, 오른쪽에는 5V의 전원과 Gnd를 연결하여 줍니다.

이제 LED를 하나 준비하여 줍니다. 아래 LED를 자세히 보면 한쪽 다리가 더 긴 것을 알 수 있습니다. 이전에 살펴본 내용에서 긴 쪽 다리가 +극이라는 것을 기억하고 있나요? 이제 LED를 회로에 연결하여 보겠습니다.

LED를 브레드보드에 연결된 3V와 GND에 아래와 같이 연결하여 LED가 켜지는지 확인하여 봅니다. 저항을 연결하지 않아 LED가 고장이 날 수도 있지만 3V에 연결하였으므로 고장률이 낮습니다. 브레드보드 오른쪽 5V에는 저항 없이 연결하지 마세요.

LED가 전원에 바르게 연결되었으면 위 그림과 같이 LED가 켜집니다. 이번에는 LED를 반대로 긴 쪽 다리를 Gnd에 꽂고 짧은 쪽 다리를 3.3V에 꽂아 불이 켜지는지 확인해봅시다.

위 그림같이 LED가 켜지지 않아야 합니다. LED가 켜진다면 회로의 Vcc와 Gnd를 확인해야 합니다.

LED의 긴 쪽 다리를 이번에는 GPIO 5번에 연결하여 어떤 변화가 있는지 관찰하여 봅니다. 프로그래밍으로 GPIO 5번에 불을 켜도록 하지도 않았는데 약하게 불이 켜지는 경우가 있을 것입니다. 이를 통해 GPIO에 약한 전류가 흐르고 있음을 알 수 있습니다.

다. 회로 구성

LED를 파이썬으로 제어하기 위해서 회로를 구성하여 보겠습니다.

준비물 LED, 전선, 저항(여기서는 330Ω)

LED에는 다리가 두 개밖에 없으므로 LED를 켜려면 긴 쪽 다리에 Vcc를 연결하고, 짧은 쪽 다리에 Gnd를 연결하는 형태로 회로를 구성합니다. 여기서는 LED를 프로그래밍으로 켜고 끌 것이기 때문에 긴 쪽 다리를 GPIO 13번에 연결하겠습니다.

전선을 GPIO 13번에 연결하여 다른 쪽 선을 LED 긴 쪽 다리와 연결합니다. 저항은 Gnd에 연결하고 나머지 한쪽을 LED의 짧은 다리에 연결되도록 회로를 구성합니다.

위 사진은 완성된 회로의 모습입니다. 이를 참고하여 여러분의 회로를 완성해봅시다.

다. 프로그래밍

GPIO.setmode(GPIO.BOARD) : 헤더 핀의 번호를 순서대로 나열
GPIO.setmode(GPIO.BCM) : 약속된 GPIO 번호로 표시하는 것

While True: True는 참이라는 말이므로 명령문1을 끝없이 반복함.
명령문1

예제 소스(1-led1.py)

예제 소스(1-led(1).py)

import RPi.GPIO as GPIO
import time

GPIO.setwarnings(False)

GPIO.setmode(GPIO.BCM)
GPIO.setup(13,GPIO.OUT)

while True:
     GPIO.output(13,True)
     time.sleep(1)
     GPIO.output(13,False)
     time.sleep(1)

GPIO.cleanup()

from gpiozero import LED
from time import sleep

led = LED(13)

while True:
    led.on()
    sleep(1)
    led.off()
    sleep(1)

예제 소스(1-led2.py)

예제 소스(1-led(2).py)

import RPi.GPIO as GPIO
import time

GPIO.setwarnings(False)

GPIO.setmode(GPIO.BCM)
GPIO.setup(13,GPIO.OUT)

for i in range(3):
    GPIO.output(13,True)
    time.sleep(1)
    GPIO.output(13,False)
    time.sleep(1)

GPIO.cleanup()

from gpiozero import LED
from time import sleep

led = LED(13)

for i in range(3):
    led.on()
    sleep(1)
    led.off()
    sleep(1)

예제 소스(1-led3.py)

예제 소스(1-led(3).py)

import RPi.GPIO as GPIO
import time

GPIO.setwarnings(False)

GPIO.setmode(GPIO.BCM)
GPIO.setup(13,GPIO.OUT)

for i in range(0,50):
    GPIO.output(13,True)
    time.sleep(i/20)
    GPIO.output(13,False)
    time.sleep(i/20)

GPIO.cleanup()

from gpiozero import LED
from time import sleep

led = LED(13)

for i in range(0,50):
    led.on()
    sleep(i/20)
    led.off()
    sleep(i/20)

예제 소스(2-led_blink.py)

from gpiozero import LED
from signal import pause

led = LED(13)

led.blink()

pause()

예제 소스(3-led_PWM_pulse.py)

예제 소스(3-led_PWM_value.py)

from gpiozero import PWMLED
from signal import pause

led = PWMLED(13)

led.pulse()

pause()

from gpiozero import PWMLED
from time import sleep

led = PWMLED(13)

while True:
    led.value = 0
    sleep(1)
    led.value = 0.5
    sleep(1)
    led.value = 1
    sleep(1)

예제 소스(4-led1.py)

예제 소스(4-led(1).py)

import RPi.GPIO as GPIO
import time

GPIO.setwarnings(False)

GPIO.setmode(GPIO.BCM)
GPIO.setup(13,GPIO.OUT)

p=GPIO.PWM(13,50)
p.start(0)

while True:
    for i in range(0,101,5):
        p.ChangeDutyCycle(i)
        time.sleep(0.1)
    for i in range(100,-1,-5):
        p.ChangeDutyCycle(i)
        time.sleep(0.1)

p.stop()
GPIO.cleanup()

from gpiozero import PWMLED
from time import sleep

led = PWMLED(13)

while True:
i=0
    while i<=1:
led.value = i
sleep(0.1)
i = i+0.05
  i=1
    while i>=0:
led.value = i
sleep(0.1)
i = i-0.05

실습) 지금까지 배운 내용을 바탕으로 다양하게 LED를 켜고 끄는 프로그램을 만들어봅시다.