本文介紹如何使用 Python 程式設計搭配樹莓派控制和讀取多種感測器資料，包含數位溫度感測器 DS18B20、三軸加速度計 MMA8452Q 以及整合多種感測器的 Sense HAT。文章將逐步說明硬體連線方式、軟體程式碼撰寫、資料處理與應用場景，讓讀者能快速上手並應用於實際專案中。其中包含 DS18B20 的單線介面設定、MMA8452Q 的 I2C 通訊設定、以及 Sense HAT 的磁力計資料讀取與應用。透過這些範例，讀者可以學習如何整合不同型別的感測器，並運用程式碼實作資料擷取、處理和應用。
使用 DS18B20 數位溫度感測器
問題
您想要使用精確的數位溫度感測器來測量溫度。
解決方案
使用 DS18B20 數位溫度感測器。這個裝置比 TMP36 (用於配方 13.9) 更準確，並使用數位介面，因此不需要 ADC 晶片。
雖然這個晶片的介面被稱為一線介面，但這只指的是資料引腳。您仍需要至少一根其他線來連線到一線裝置。
要製作這個配方，您需要以下元件：
*麵包板和跳線 (見「原型設計裝置和套件」) *DS18B20 溫度感測器 (見「積體電路」) *4.7kΩ 電阻器 (見「電阻器和電容器」)
將元件安裝在麵包板上，如圖 13-17 所示。確保 DS18B20 的方向正確。
最新版本的 Raspbian 核心已經支援 DS18B20 使用的一線介面，但您需要使用 Raspberry Pi 組態工具 (圖 13-18) 來啟用它。
開啟一個編輯器並貼入以下程式碼 (ch_13_temp_DS18B20.py)：
import glob, time
base_dir = '/sys/bus/w1/devices/'
Mermaid 圖表：Sense HAT 感測器架構
graph LR
A[Raspberry Pi] -->|連線|> B[Sense HAT]
B -->|內建|> C[溫度感測器]
B -->|內建|> D[濕度感測器]
B -->|內建|> E[氣壓感測器]
C -->|讀取|> F[溫度資料]
D -->|讀取|> G[濕度資料]
E -->|讀取|> H[氣壓資料]
圖表翻譯：
這個 Mermaid 圖表展示了 Sense HAT 感測器的架構。Raspberry Pi 連線到 Sense HAT，Sense HAT 內建有溫度、濕度和氣壓感測器。這些感測器可以讀取各自的資料，並將其傳回給 Raspberry Pi。
讀取溫度感測器資料
簡介
在本文中，我們將探討如何使用Python指令碼讀取DS18B20溫度感測器的資料。這個感測器是一種廣泛使用的數字溫度感測器，能夠提供高精確度的溫度讀數。
設定感測器檔案路徑
首先，我們需要設定感測器檔案路徑。這個路徑通常位於 /sys/bus/w1/devices/ 目錄下，後面跟著感測器的ID號碼。
import glob
base_dir = '/sys/bus/w1/devices/'
device_folder = glob.glob(base_dir + '28*')[0]
device_file = device_folder + '/w1_slave'
讀取原始資料
接下來，我們定義了一個函式 read_temp_raw()，用於讀取感測器的原始資料。這個函式開啟感測器檔案，讀取所有行，並將其儲存在 lines 變數中。
def read_temp_raw():
f = open(device_file, 'r')
lines = f.readlines()
f.close()
return lines
處理資料
然後，我們定義了一個函式 read_temp()，用於處理原始資料。這個函式首先呼叫 read_temp_raw() 函式，然後檢查第一行的最後三個字元是否為 “YES”。如果不是，它會等待0.2秒後重新讀取資料。
def read_temp():
lines = read_temp_raw()
while lines[0].strip()[-3:]!= 'YES':
time.sleep(0.2)
lines = read_temp_raw()
提取溫度值
如果第一行的最後三個字元是 “YES”，我們就可以提取溫度值了。溫度值儲存在第二行的 “t=” 之後的位置。我們使用 find() 方法找到 “t=” 的位置，然後提取溫度值。
equals_pos = lines[1].find('t=')
if equals_pos!= -1:
temp_string = lines[1][equals_pos+2:]
temp_c = float(temp_string) / 1000.0
temp_f = temp_c * 9.0 / 5.0 + 32.0
結果
最後，我們可以得到攝氏和華氏溫度值。
return temp_c, temp_f
內容解密：
上述程式碼示範瞭如何使用Python讀取DS18B20溫度感測器的資料。首先，我們需要設定感測器檔案路徑，然後定義函式來讀取原始資料和處理資料。最後，我們可以提取溫度值並將其轉換為攝氏和華氏溫度。
圖表翻譯：
flowchart TD
A[設定感測器檔案路徑] --> B[讀取原始資料]
B --> C[處理資料]
C --> D[提取溫度值]
D --> E[傳回攝氏和華氏溫度值]
圖表說明：
上述流程圖示範了讀取DS18B20溫度感測器資料的過程。首先，我們設定感測器檔案路徑，然後讀取原始資料。接下來，我們處理資料，然後提取溫度值。最後，我們傳回攝氏和華氏溫度值。
使用DS18B20模組測量溫度
模組介紹
DS18B20是一種數位溫度感測器，可以測量-55°C至125°C的溫度範圍。它使用一線式通訊協定，易於連線和使用。
程式碼
import time
import os
def read_temp():
# 開啟DS18B20模組的w1_slave檔案
with open('/sys/bus/w1/devices/28-000005e6c952/w1_slave', 'r') as f:
# 讀取檔案內容
lines = f.readlines()
# 提取溫度資料
temp_c = float(lines[1].split('t=')[1]) / 1000
# 轉換為華氏溫度
temp_f = temp_c * 9 / 5 + 32
return temp_c, temp_f
while True:
# 讀取溫度資料
temp_c, temp_f = read_temp()
# 印出溫度資料
print('Temp C={:.2f}\ttemp F={:.2f}'.format(temp_c, temp_f))
# 暫停1秒
time.sleep(1)
內容解密：
上述程式碼使用DS18B20模組來測量溫度。它先開啟模組的w1_slave檔案，然後讀取檔案內容，提取溫度資料，最後轉換為華氏溫度並印出結果。
Mermaid 圖表
flowchart TD
A[開始] --> B[開啟w1_slave檔案]
B --> C[讀取檔案內容]
C --> D[提取溫度資料]
D --> E[轉換為華氏溫度]
E --> F[印出溫度資料]
F --> G[暫停1秒]
G --> A
圖表翻譯：
上述Mermaid圖表展示了程式碼的執行流程。它從開始到開啟w1_slave檔案，然後讀取檔案內容，提取溫度資料，轉換為華氏溫度，印出溫度資料，最後暫停1秒。
討論
DS18B20模組是一種方便使用的數位溫度感測器。它使用一線式通訊協定，易於連線和使用。程式碼中使用了read_temp函式來讀取溫度資料，然後轉換為華氏溫度並印出結果。這個模組可以用於各種應用，例如溫度監測、控制等。
連線三軸加速度計到樹莓派
問題描述
您想要將三軸加速度計連線到樹莓派，以測量X、Y和Z軸的加速度。
解決方案
使用I2C通訊協定的加速度計晶片來測量X、Y和Z軸的加速度。為了實作這個解決方案，您需要以下元件：
*麵包板（見「原型設計裝置和套件」） *四根母對母跳線（見「原型設計裝置和套件」） *MMA8452Q三軸加速度計（見「模組」）
圖13-19顯示了使用麵包板的連線安排。它使用三個ADC通道來測量X、Y和Z軸的加速度。
步驟1：啟用I2C功能
在樹莓派上啟用I2C功能。如果您尚未啟用，請按照配方9.3中的步驟進行。
步驟2：編寫程式碼
開啟編輯器並貼入以下程式碼（ch_13_i2c_acc.py）：
import smbus
import time
bus = smbus.SMBus(1)
i2c_address = 0x1D
control_reg = 0x2A
bus.write_byte_data(i2c_address, control_reg, 0x01) # 啟動
bus.write_byte_data(i2c_address, 0x0E, 0x00) # 2g範圍
time.sleep(0.5)
def read_acc():
data = bus.read_i2c_block_data(i2c_address, 0x00, 7)
x = (data[1] * 256 + data[2]) / 16
if x > 2047:
x -= 4096
y = (data[3] * 256 + data[4]) / 16
if y > 2047:
y -= 4096
#...（其他軸的計算）
步驟3：讀取加速度資料
呼叫read_acc()函式來讀取加速度資料。這個函式從I2C匯流排上讀取7個位元組的資料，然後計算X和Y軸的加速度值。
內容解密：
上述程式碼使用smbus函式庫來與I2C匯流排進行通訊。SMBus類別代表I2C匯流排，write_byte_data()方法用來向I2C裝置寫入資料。read_i2c_block_data()方法用來從I2C裝置讀取資料。read_acc()函式計算X和Y軸的加速度值，並傳回這些值。
圖表翻譯：
flowchart TD
A[啟動I2C] --> B[初始化I2C匯流排]
B --> C[寫入控制暫存器]
C --> D[設定2g範圍]
D --> E[延遲0.5秒]
E --> F[讀取加速度資料]
F --> G[計算X和Y軸加速度]
G --> H[傳回加速度值]
這個流程圖顯示了程式碼的執行流程。首先，啟動I2C功能並初始化I2C匯流排。然後，寫入控制暫存器並設定2g範圍。接下來，延遲0.5秒以確保設定生效。然後，讀取加速度資料並計算X和Y軸的加速度值。最後，傳回加速度值。
加速計資料讀取與顯示
程式碼
import time
def read_accelerometer(data):
x = (data[0] * 256 + data[1]) / 16
if x > 2047:
x -= 4096
y = (data[2] * 256 + data[3]) / 16
if y > 2047:
y -= 4096
z = (data[4] * 256 + data[5]) / 16
if z > 2047:
z -= 4096
return x, y, z
while True:
# 讀取加速計資料
data = [0, 0, 0, 0, 0, 0] # 模擬讀取資料
x, y, z = read_accelerometer(data)
# 顯示資料
print("x={:.6f}\ty={:.6f}\tz={:.6f}".format(x, y, z))
# 等待0.5秒後繼續讀取
time.sleep(0.5)
內容解密：
上述程式碼示範如何讀取加速計資料並顯示出來。read_accelerometer函式負責將原始資料轉換為加速計的x、y、z軸的值。若資料超過2047，則進行調整以確保正確的表示。
在主程式中，使用while迴圈不斷讀取加速計資料，並使用print函式顯示出來。time.sleep(0.5)用於設定間隔時間，以控制讀取頻率。
圖表翻譯：
flowchart TD
A[開始] --> B[讀取加速計資料]
B --> C[轉換資料]
C --> D[顯示資料]
D --> E[等待]
E --> B
圖表翻譯：
此流程圖顯示了程式的運作流程。首先，程式開始運作（A），然後讀取加速計資料（B），接著轉換資料（C），顯示出來（D），最後等待一段時間後（E）再次迴圈讀取資料。
討論：
在使用加速計時，可能需要根據具體的硬體情況調整I2C地址。可以使用sudoi2cdetect -y 1命令檢查I2C地址。同時，需要注意的是，加速計的讀取結果可能會受到硬體和環境的影響，因此需要根據具體情況進行調整和校準。
加速計與傾斜檢測
加速計是一種可以測量物體加速度的感測器，常用於偵測傾斜、振動和衝擊等。其中，MMA8452Q是一種常用的加速計模組，它透過I2C通訊協定與微控制器進行通訊。
MMA8452Q的設定
要使用MMA8452Q，加速計需要設定其I2C地址、控制暫存器和組態命令。根據資料表，MMA8452Q的I2C地址為0x1D，控制暫存器為0x2A，組態命令為0x01。設定完成後，加速計開始工作。
讀取加速度資料
當需要讀取加速度資料時，透過I2C匯流排讀取資料，並將其分割為X、Y、Z三個方向的加速度資料。這些資料可以用於偵測傾斜、振動和衝擊等。
傾斜檢測
加速計最常用的應用之一就是傾斜檢測。當加速計傾斜時，重力沿著Z軸的分量會變化，從而影響其他軸的加速度資料。透過分析這些資料，可以偵測出傾斜的方向和角度。
Python程式範例
以下是使用Python程式語言讀取MMA8452Q加速計資料並偵測傾斜的範例：
import smbus
import time
# 設定I2C匯流排和加速計地址
bus = smbus.SMBus(1)
i2c_address = 0x1D
# 設定控制暫存器和組態命令
control_reg = 0x2A
bus.write_byte_data(i2c_address, control_reg, 0x01) # 啟動加速計
bus.write_byte_data(i2c_address, 0x0E, 0x00) # 設定2g範圍
time.sleep(0.5)
# 定義讀取加速計資料的函式
def read_acc():
data = bus.read_i2c_block_data(i2c_address, 0x00, 7)
x = (data[1] * 256 + data[2]) / 16
if x > 2047:
x -= 4096
y = (data[3] * 256 + data[4]) / 16
#... 處理其他軸的資料
return x, y
# 讀取加速計資料並偵測傾斜
while True:
x, y = read_acc()
#... 處理傾斜檢測邏輯
time.sleep(0.1)
這個範例程式展示瞭如何使用Python語言讀取MMA8452Q加速計資料並偵測傾斜。透過分析加速計資料，可以實作各種應用，如傾斜檢測、振動監測和運動追蹤等。
圖表翻譯：
flowchart TD
A[啟動加速計] --> B[設定控制暫存器]
B --> C[設定組態命令]
C --> D[讀取加速計資料]
D --> E[分析資料並偵測傾斜]
E --> F[處理傾斜檢測邏輯]
這個流程圖展示了使用MMA8452Q加速計偵測傾斜的步驟，從啟動加速計到處理傾斜檢測邏輯。
加速計資料處理與方向判斷
程式碼解說
if y > 2047:
y -= 4096
此段程式碼負責將加速計的y軸資料進行調整，以確保其在正確的範圍內。當y軸資料大於2047時，減去4096以進行調整。
z = (data[5] * 256 + data[6]) / 16
此段程式碼計算z軸的加速計資料。它將data陣列中的第5和第6個元素進行位元運算，然後除以16以取得最終結果。
if z > 2047:
z -= 4096
此段程式碼與前面的y軸調整類別似，對z軸資料進行調整，以確保其在正確的範圍內。
return (x, y, z)
此函式傳回x、y、z三個軸的加速計資料。
方向判斷迴圈
while True:
x, y, z = read_acc()
此迴圈不斷地讀取加速計的資料，並將其儲存在x、y、z變數中。
if x > 400:
print("Left")
elif x < -400:
print("Right")
elif y > 400:
print("Back")
elif y < -400:
print("Forward")
此段程式碼根據x和y軸的資料判斷方向。如果x軸資料大於400，則印出"Left"；如果x軸資料小於-400，則印出"Right"；如果y軸資料大於400，則印出"Back"；如果y軸資料小於-400，則印出"Forward"。
time.sleep(0.2)
此行程式碼使得迴圈每0.2秒執行一次，避免過度消耗系統資源。
圖表翻譯：
flowchart TD
A[開始] --> B[讀取加速計資料]
B --> C[判斷方向]
C --> D[印出方向]
D --> E[等待0.2秒]
E --> B
此流程圖描述了方向判斷迴圈的流程。從開始到讀取加速計資料，然後判斷方向，印出方向，最後等待0.2秒後再次讀取資料。
使用 Sense HAT 的磁力計來偵測磁北
在這個範例中，我們將使用 Sense HAT 的內建三軸磁力計來偵測磁北。首先，請按照 9.16 節的步驟安裝 Sense HAT 函式庫。
接下來，開啟編輯器並貼入以下程式碼（ch_13_sense_hat_compass.py）：
from sense_hat import SenseHat
# 初始化 Sense HAT
sense = SenseHat()
# 取得磁力計的資料
magnetometer_data = sense.get_compass_raw()
# 將磁力計的資料轉換為方向
direction = sense.get_compass()
# 列印方向
print("Magnetic North: ", direction)
這個程式碼會取得 Sense HAT 的磁力計資料，並將其轉換為方向。最後，會列印出磁北的方向。
執行程式碼
執行程式碼後，你會看到磁北的方向被列印出來。這個結果可以用來控制一個機器人或一個帶有 webcam 的電動 pan-tilt 頭。
相關資訊
如果你想要了解更多關於 MMA8452Q 的資訊，可以參考 13.15 節的內容。Sense HAT 還包括了一個加速度計，可以用來偵測傾斜和振動。
Mermaid 圖表
flowchart TD
A[初始化 Sense HAT] --> B[取得磁力計資料]
B --> C[轉換資料為方向]
C --> D[列印方向]
圖表翻譯：
這個圖表顯示了使用 Sense HAT 的磁力計來偵測磁北的流程。首先，初始化 Sense HAT，然後取得磁力計的資料。接下來，將資料轉換為方向，最後列印出方向。
內容解密：
在這個範例中，我們使用了 Sense HAT 的內建三軸磁力計來偵測磁北。首先，初始化 Sense HAT，然後取得磁力計的資料。接下來，將資料轉換為方向，最後列印出方向。這個結果可以用來控制一個機器人或一個帶有 webcam 的電動 pan-tilt 頭。
程式碼解說：
from sense_hat import SenseHat：匯入 Sense HAT 函式庫。sense = SenseHat()：初始化 Sense HAT。magnetometer_data = sense.get_compass_raw()：取得磁力計的資料。direction = sense.get_compass()：將磁力計的資料轉換為方向。print("Magnetic North: ", direction)：列印出磁北的方向。
從使用者經驗的角度來看，本文介紹了多種感測器應用於樹莓派的實務操作，涵蓋溫度、加速度和磁場偵測，展現了豐富的應用場景。透過詳盡的程式碼範例和圖表說明，降低了讀者理解和實作的門檻，尤其對於初學者更具實用價值。然而，文章缺乏對不同感測器選型的比較分析，例如在不同精確度需求、成本考量或功耗限制下如何選擇合適的感測器。此外，對於感測器資料的校準和誤差處理也未深入探討，這在實際應用中至關重要。
綜合評估後，本文提供的程式碼範例和圖表有助於快速上手感測器應用，但仍需在實務中結合具體需求進行調整和最佳化。對於追求更高精確度和穩定性的應用，建議深入研究感測器資料處理、校準以及誤差分析等進階議題。從技術演進角度，隨著物聯網和邊緣計算的發展，感測器應用將更加普及，未來更需關注感測器資料的融合、分析和應用，以創造更多價值。玄貓認為，掌握感測器應用基礎，並持續探索進階技術，將是未來開發者不可或缺的核心能力。
