Raspberry Pi 控制硬體與周邊裝置整合技術

Raspberry Pi 作為一個功能強大的開發平臺，常被應用於控制各種硬體周邊。本文將介紹如何整合 OLED 顯示器、相機模組以及 DC 馬達、步進馬達和伺服馬達等裝置。透過 I2C 或 CSI 等介面，搭配 Python 程式語言及相關函式庫，即可實作硬體控制與資料擷取。文章提供詳細的程式碼範例、電路圖和流程圖，讓讀者能快速上手，並根據自身需求調整程式邏輯，打造客製化的硬體控制應用。

硬體連線

首先，我們需要將 OLED 顯示器連線到 Raspberry Pi。OLED 顯示器通常透過 I2C 通訊協議與 Raspberry Pi 通訊，因此我們需要使用 Raspberry Pi 的 I2C 引腳。具體連線步驟如下：

將 OLED 顯示器的 VCC 引腳連線到 Raspberry Pi 的 3.3V 引腳（引腳 1）。
將 OLED 顯示器的 SDA 引腳連線到 Raspberry Pi 的 SDA 引腳（引腳 3）。
將 OLED 顯示器的 SCL 引腳連線到 Raspberry Pi 的 SCL 引腳（引腳 5）。
將 OLED 顯示器的 GND 引腳連線到 Raspberry Pi 的 GND 引腳（引腳 9）。

啟用 I2C

在連線 OLED 顯示器之前，我們需要啟用 Raspberry Pi 的 I2C 功能。有兩種方法可以啟用 I2C：

方法 1：透過 Raspberry Pi 配置工具

點選 Raspberry Pi 的圖示（左上角），然後點選「偏好設定」。
在「偏好設定」視窗中，點選「Raspberry Pi 配置」。
在「Raspberry Pi 配置」視窗中，點選「介面」標籤。
在「介面」標籤中，勾選「I2C」選項。

方法 2：透過命令提示符

開啟命令提示符。
輸入以下命令：sudo raspi-config
使用箭頭鍵滾動到「介面選項」。
按下 Enter 鍵。
選擇「I2C」選項。
按下 Enter 鍵。

安裝 Adafruit_Python_SSD1306 庫

在啟用 I2C 之後，我們需要安裝 Adafruit_Python_SSD1306 庫，以便使用 OLED 顯示器。具體步驟如下：

更新和升級 Raspberry Pi：sudo apt update 和 sudo apt upgrade
安裝 Adafruit_Python_SSD1306 庫：在 Thonny IDE 中，選擇「工具」>「管理外掛」>「Adafruit_Python_SSD1306」，然後點選「搜尋 PyPi」。

驗證 I2C 地址

在安裝 Adafruit_Python_SSD1306 庫之後，我們需要驗證 OLED 顯示器的 I2C 地址。具體步驟如下：

開啟命令提示符。
輸入以下命令：i2cdetect -y 1

這將顯示 OLED 顯示器的 I2C 地址。

OLED 顯示器安裝與測試

安裝 OLED 顯示器庫

為了在 Raspberry Pi 上使用 OLED 顯示器，首先需要安裝適當的庫。這可以透過在終端機中執行安裝命令來完成。安裝過程中，系統會下載並安裝必要的庫檔，包括 OLED 顯示器的驅動程式。

執行範例程式

安裝完成後，下一步是執行一個範例程式來測試 OLED 顯示器。這個範例程式可以從 OLED 顯示器的範例檔案中找到，例如 shapes.py。這個程式示範瞭如何在 OLED 顯示器上顯示文字、矩形等圖形。

執行步驟

開啟範例程式：找到 shapes.py 範例程式並將其複製到 Thonny IDE 中。
執行程式：在 Thonny IDE 中執行 shapes.py 程式。

程式碼解析

以下是用於在 OLED 顯示器上顯示圖形的程式碼片段：

from PIL import Image
from PIL import ImageDraw
from PIL import ImageFont

# Raspberry Pi 的 pin 配置
RST = 24
DC = 23
SPI_PORT = 0
SPI_DEVICE = 0

# 初始化 OLED 顯示器
disp1 = Adafruit_SSD1306.SSD1306_128_32(rst=RST)
disp1.begin()

# 清除顯示器
disp1.clear()
disp1.display()

# 載入必要的庫
import time
import Adafruit_GPIO.SPI as SPI
import Adafruit_SSD1306

程式碼解說

匯入庫：程式開始時匯入必要的庫，包括 PIL 用於影像處理和 Adafruit_SSD1306 用於控制 OLED 顯示器。
設定 Raspberry Pi 的 pin：定義 Raspberry Pi 上的 pin 配置，包括重置（RST）、資料命令（DC）等。
初始化 OLED 顯示器：使用 Adafruit_SSD1306 庫初始化 OLED 顯示器，設定其尺寸和重置 pin。
清除顯示器：清除 OLED 顯示器上的內容，並更新顯示器使變化生效。

顯示圖形流程

顯示圖形的流程包括初始化 OLED 顯示器、清除顯示器、繪製圖形和更新顯示器。以下是流程圖：

  flowchart TD
    A[初始化 OLED 顯示器] --> B[清除顯示器]
    B --> C[繪製圖形]
    C --> D[更新顯示器]

流程解說

初始化 OLED 顯示器：設定 OLED 顯示器的引數，包括尺寸和 pin 配置。
清除顯示器：清除 OLED 顯示器上的所有內容。
繪製圖形：使用 PIL 庫繪製圖形，包括文字、矩形等。
更新顯示器：更新 OLED 顯示器，使繪製的圖形顯示出來。

OLED 顯示器介面

OLED（有機發光二極體）顯示器是一種薄、輕、低耗能的顯示技術，廣泛應用於各種電子裝置中。為了在 Raspberry Pi 上使用 OLED 顯示器，我們需要安裝適當的庫，並瞭解如何使用 Python 進行程式設計。

安裝 Adafruit_Python_SSD1306 庫

首先，我們需要安裝 Adafruit_Python_SSD1306 庫，這是一個為 SSD1306 晶片驅動的 OLED 顯示器提供的 Python 庫。這個庫允許我們控制 OLED 顯示器，顯示文字、矩形等圖形。

安裝步驟

開啟終端機，輸入以下命令安裝必要的庫：

sudo apt-get update
sudo apt-get install python3-pip
sudo pip3 install pillow
sudo pip3 install adafruit-ssd1306

安裝完成後，確認您的 OLED 顯示器是否正確連線到 Raspberry Pi。

OLED 顯示器程式設計

現在，我們可以開始使用 Python 進行 OLED 顯示器的程式設計。以下是一個簡單的範例，展示如何在 OLED 顯示器上顯示文字和圖形。

範例程式碼

from PIL import Image, ImageDraw
import adafruit_ssd1306

# 初始化 OLED 顯示器
disp1 = adafruit_ssd1306.SSD1306()

# 建立一個空白影像
width = disp1.width
height = disp1.height
image = Image.new('1', (width, height))

# 建立一個繪圖物件
draw = ImageDraw.Draw(image)

# 清除影像
draw.rectangle((0,0,width,height), outline=0, fill=0)

# 繪製一些圖形
padding = 2
shape_width = 20
top = padding
bottom = height-padding

# 左到右移動，繪製圖形
x = padding
while x < width:
    draw.rectangle((x, top, x+shape_width, bottom), outline=1, fill=0)
    x += shape_width + padding

# 顯示影像
disp1.image(image)
disp1.show()

程式碼解說

我們首先匯入必要的庫，包括 PIL 用於影像處理和 adafruit_ssd1306 用於 OLED 顯示器控制。
我們初始化 OLED 顯示器，建立一個空白影像，並設定繪圖物件。
我們清除影像，然後繪製一些圖形，包括矩形和文字。
最後，我們顯示影像在 OLED 顯示器上。

Raspberry Pi 相機介面

Raspberry Pi 可以透過相機介面（Camera Serial Interface，CSI）連線相機模組，以拍照、錄製影片和應用影像效果。所有當前的 Raspberry Pi 模型都具有 CSI 埠，用於連線相機模組。

相機模組版本

有兩種版本的相機模組：

標準版本：設計用於正常光線下的拍照。
NoIR 版本：具有紅外濾鏡，因此可以使用紅外光源在黑暗中拍照。

安裝 Picamera 庫

要安裝 Picamera 庫，請按照以下步驟進行：

更新套件列表：sudo apt-get update
安裝 Picamera 庫：sudo apt-get install python-picamera （適用於 Python 2）或 sudo apt-get install python3-picamera （適用於 Python 3）

或者，您也可以使用 Python 的 pip 工具安裝 Picamera 庫：

安裝 Picamera 庫：pip install picamera

使用相機模組

要使用相機模組，請先匯入 Picamera 庫，然後建立一個相機物件。您可以使用 capture() 方法拍照，或者使用 start_recording() 和 stop_recording() 方法錄製影片。

import picamera

# 建立相機物件
camera = picamera.PiCamera()

# 拍照
camera.capture('image.jpg')

# 錄製影片
camera.start_recording('video.h264')
camera.stop_recording()

影像處理

您可以使用 OpenCV 庫進行影像處理。首先，請安裝 OpenCV 庫：sudo apt-get install libopencv-dev

然後，匯入 OpenCV 庫，並使用 imread() 方法讀取影像，然後使用 imshow() 方法顯示影像。

import cv2

# 讀取影像
image = cv2.imread('image.jpg')

# 顯示影像
cv2.imshow('Image', image)
cv2.waitKey(0)
cv2.destroyAllWindows()

使用 Raspberry Pi 和 Picamera 進行攝影

安裝 Picamera

要使用 Picamera，首先需要安裝 picamera 套件。可以使用以下命令進行安裝：

sudo pip install picamera

接下來，需要安裝 picamera 的 array 模組：

sudo pip install "picamera[array]"

最後，升級 picamera 到最新版本：

sudo pip install -U picamera

連線 Camera Module

連線 Camera Module 到 Raspberry Pi 的步驟如下：

開啟 Camera Port：確保 Raspberry Pi 已經關機，然後找到 Camera Module 的埠。對於 Raspberry Pi 3 B+、2 和 3，Camera 埠位於 LAN 埠和 HDMI 埠之間。
插入 Camera Cable：將 Camera Cable 以正確的方向插入，藍色面向 Ethernet 埠，銀色面向 HDMI 埠。輕輕拉開 CSI 埠的夾子，然後插入 Camera Module 的 ribbon Cable。
關閉 Camera Port：將塑膠夾子的頂部推回原位。

啟用 Camera 介面

啟用 Camera 介面的步驟如下：

啟動 Raspberry Pi：開啟 Raspberry Pi。
開啟 Raspberry Pi Configuration 工具：前往主選單，然後開啟 Raspberry Pi Configuration 工具。
選擇 Interfaces 標籤：選擇 Interfaces 標籤，然後確保 Camera 已經啟用。

測試 Camera Module

測試 Camera Module 的步驟如下：

開啟 Terminal：開啟 Terminal 視窗。
輸入命令：輸入以下命令以拍攝一張靜態圖片並將其儲存在 Desktop 上：

raspistill -o Desktop/image.jpg

當命令執行時，Camera 預覽將會開啟 5 秒鐘，然後拍攝一張靜態圖片。圖片檔案圖示將會出現在 Desktop 上，雙擊圖示即可開啟圖片。

Python 程式碼

以下是使用 Python 控制 Camera Module 的程式碼：

import picamera

# 建立 PiCamera 物件
camera = PiCamera()

# 設定解析度
camera.resolution = (1280, 720)

# 拍攝 5 張圖片，間隔 5 秒
for i in range(5):
    sleep(5)
    camera.capture("/home/pi/Desktop/img%s.jpg" % i)
    print("Image taken")

流程圖

以下是使用 Picamera 拍攝圖片的流程圖：

  flowchart TD
    A[啟動 Raspberry Pi] --> B[啟用 Camera 介面]
    B --> C[連線 Camera Module]
    C --> D[測試 Camera Module]
    D --> E[拍攝圖片]
    E --> F[儲存圖片]

此流程圖描述了使用 Raspberry Pi 和 Picamera 拍攝圖片的步驟。首先，啟動 Raspberry Pi，然後啟用 Camera 介面。接下來，連線 Camera Module，然後測試 Camera Module。最後，拍攝圖片並儲存圖片。

在攝影機捕捉的影像上新增文字

有時候，我們需要在攝影機捕捉的影像上新增一些文字，例如在影像上新增時間戳。以下是使用Python程式碼來實作這個功能的範例。

範例程式碼

from picamera import PiCamera
from time import sleep

# 設定影像檔案路徑
filepath = "/home/pi/Desktop/image.jpg"

# 初始化攝影機
camera = PiCamera()

# 設定攝影機解析度
camera.resolution = (2592, 1944)

# 設定攝影機幀率
camera.framerate = 15

# 啟動攝影機預覽
camera.start_preview()

# 設定要新增的文字
camera.annotate_text = "Hello Friends!"

# 設定文字大小
camera.annotate_text_size = 100

# 暫停5秒鐘
sleep(5)

# 捕捉影像
camera.capture(filepath)

# 停止攝影機預覽
camera.stop_preview()

執行結果

執行上述程式碼後，攝影機會捕捉一張影像，並在影像上新增指定的文字。影像會儲存到指定的檔案路徑中。

上述程式碼使用picamera庫來控制攝影機，首先初始化攝影機物件，然後設定攝影機解析度和幀率。接著，啟動攝影機預覽，並設定要新增的文字和文字大小。然後，使用sleep函式暫停5秒鐘，讓攝影機有足夠的時間來捕捉影像。最後，捕捉影像並停止攝影機預覽。

以下是上述程式碼的流程圖：

  flowchart TD
    A[初始化攝影機] --> B[設定攝影機解析度]
    B --> C[設定攝影機幀率]
    C --> D[啟動攝影機預覽]
    D --> E[設定要新增的文字]
    E --> F[設定文字大小]
    F --> G[暫停5秒鐘]
    G --> H[捕捉影像]
    H --> I[停止攝影機預覽]

上述流程圖顯示了攝影機捕捉影像並新增文字的流程。

控制馬達（DC馬達、步進馬達和伺服馬達）

在這個章節中，我們將探討如何使用Raspberry Pi控制不同的馬達，包括DC馬達、步進馬達和伺服馬達。

DC馬達控制

DC馬達的工作原理是當磁場和電場相互作用時，會產生機械力，這被稱為馬達作用。有兩種型別的DC馬達：標準DC馬達和無刷DC馬達。

使用PWM技術控制DC馬達速度

DC馬達的速度與供應電壓成正比；如果電壓從12V降低到6V，則速度將變為原來的一半。但是在實踐中，為了改變DC馬達的速度，我們不能一直改變供應電壓。供應給DC馬達的電壓必須調整以控制速度在不同的扭矩水平（Weber 1965）。DC馬達的速度可以使用PWM技術控制。

import RPi.GPIO as GPIO
import time

# 設定GPIO模式
GPIO.setmode(GPIO.BCM)

# 設定PWM引腳
pwm_pin = 17
GPIO.setup(pwm_pin, GPIO.OUT)

# 設定PWM頻率
pwm_freq = 1000
pwm = GPIO.PWM(pwm_pin, pwm_freq)

# 設定DC馬達速度
def set_motor_speed(speed):
    pwm.ChangeDutyCycle(speed)

# 啟動PWM
pwm.start(0)

try:
    while True:
        # 設定DC馬達速度為50%
        set_motor_speed(50)
        time.sleep(1)
        # 設定DC馬達速度為100%
        set_motor_speed(100)
        time.sleep(1)
except KeyboardInterrupt:
    # 停止PWM
    pwm.stop()
    # 關閉GPIO
    GPIO.cleanup()

使用L293D馬達驅動IC控制DC馬達

L293D是一個強大的IC，可以控制兩個DC馬達的方向和速度，供應電壓範圍從4.5V到36V。為了避免對Raspberry Pi的處理器造成負載，通常使用一個單獨的電源供應DC馬達。

  flowchart TD
    A[開始] --> B[初始化GPIO]
    B --> C[設定PWM引腳]
    C --> D[啟動PWM]
    D --> E[設定DC馬達速度]
    E --> F[停止PWM]
    F --> G[關閉GPIO]

此圖表展示了控制DC馬達的流程，從初始化GPIO到設定DC馬達速度，然後停止PWM和關閉GPIO。

步進馬達控制

步進馬達是一種可以精確控制旋轉角度的馬達。它的工作原理是透過控制電磁鐵的磁場來驅動馬達的旋轉。

import RPi.GPIO as GPIO
import time

# 設定GPIO模式
GPIO.setmode(GPIO.BCM)

# 設定步進馬達引腳
step_pin = 17
dir_pin = 23
GPIO.setup(step_pin, GPIO.OUT)
GPIO.setup(dir_pin, GPIO.OUT)

# 設定步進馬達速度
def set_motor_speed(speed):
    # 設定步進馬達方向
    if speed > 0:
        GPIO.output(dir_pin, GPIO.HIGH)
    else:
        GPIO.output(dir_pin, GPIO.LOW)
    # 設定步進馬達速度
    for i in range(abs(speed)):
        GPIO.output(step_pin, GPIO.HIGH)
        time.sleep(0.001)
        GPIO.output(step_pin, GPIO.LOW)
        time.sleep(0.001)

try:
    while True:
        # 設定步進馬達速度為100步
        set_motor_speed(100)
        time.sleep(1)
        # 設定步進馬達速度為-100步
        set_motor_speed(-100)
        time.sleep(1)
except KeyboardInterrupt:
    # 關閉GPIO
    GPIO.cleanup()

伺服馬達控制

伺服馬達是一種可以精確控制旋轉角度的馬達。它的工作原理是透過控制電磁鐵的磁場來驅動馬達的旋轉。

import RPi.GPIO as GPIO
import time

# 設定GPIO模式
GPIO.setmode(GPIO.BCM)

# 設定伺服馬達引腳
servo_pin = 17
GPIO.setup(servo_pin, GPIO.OUT)

# 設定伺服馬達速度
def set_motor_speed(speed):
    # 設定伺服馬達方向
    if speed > 0:
        GPIO.output(servo_pin, GPIO.HIGH)
    else:
        GPIO.output(servo_pin, GPIO.LOW)
    # 設定伺服馬達速度
    for i in range(abs(speed)):
        GPIO.output(servo_pin, GPIO.HIGH)
        time.sleep(0.001)
        GPIO.output(servo_pin, GPIO.LOW)
        time.sleep(0.001)

try:
    while True:
        # 設定伺服馬達速度為100步
        set_motor_speed(100)
        time.sleep(1)
        # 設定伺服馬達速度為-100步
        set_motor_speed(-100)
        time.sleep(1)
except KeyboardInterrupt:
    # 關閉GPIO
    GPIO.cleanup()

此圖表展示了控制步進馬達和伺服馬達的流程，從初始化GPIO到設定馬達速度，然後停止馬達和關閉GPIO。

Raspberry Pi 的簡單應用：使用 L293D 驅動模組控制 DC 馬達

L293D 是一種中功率的 H-橋式馬達驅動器，適合用於驅動 DC 馬達。它包含兩個 H-橋式電路，用於控制每個馬達。H-橋式電路可以改變輸出的極性，以便 DC 馬達可以在兩個方向上控制。它可以驅動高達 12V 的馬達，總 DC 電流可達 600mA。L293D 的引腳圖如圖 3.18 所示，引腳描述如下：

啟用 1 和啟用 2 是啟用引腳。馬達只有在這些引腳為高電位時才會移動。
Vs 是供應電壓。
Vss 是邏輯供應電壓。
輸入 1、輸入 2、輸入 3 和輸入 4 是輸入引腳。
輸出 1、輸出 2、輸出 3 和輸出 4 是輸出引腳。馬達將連線到這些引腳。
GND 引腳是用於裝置接地和散熱。

真值表

真值表 3.1 提供了邏輯條件，以便在順時針或逆時針方向旋轉馬達。表 3.2 顯示了馬達與 Raspberry Pi 的連線，後者具有 L293 馬達驅動器。圖 3.19a 和 3.19b 分別顯示了電路圖和馬達介面到 Raspberry Pi 的照片。圖 3.19c 給出了控制 DC 馬達的流程圖。

程式碼實作

以下是使用 Thonny IDE 執行的程式碼：

import RPi.GPIO as GPIO
import time

# 設定 GPIO 模式
GPIO.setmode(GPIO.BCM)

# 設定輸入和輸出引腳
input1 = 12  # GPIO18
input2 = 18  # GPIO24
enable = 23  # GPIO23

# 設定輸出引腳
GPIO.setup(input1, GPIO.OUT)
GPIO.setup(input2, GPIO.OUT)
GPIO.setup(enable, GPIO.OUT)

# 設定啟用引腳為高電位
GPIO.output(enable, GPIO.HIGH)

# 旋轉馬達
def rotate_motor(direction):
    if direction == "clockwise":
        GPIO.output(input1, GPIO.LOW)
        GPIO.output(input2, GPIO.HIGH)
    elif direction == "anti-clockwise":
        GPIO.output(input1, GPIO.HIGH)
        GPIO.output(input2, GPIO.LOW)
    else:
        GPIO.output(input1, GPIO.LOW)
        GPIO.output(input2, GPIO.LOW)

# 測試馬達
rotate_motor("clockwise")
time.sleep(2)
rotate_motor("anti-clockwise")
time.sleep(2)
rotate_motor("stop")
time.sleep(2)

# 清除 GPIO 設定
GPIO.cleanup()

此圖示為 L293D 馬達驅動器的電路圖，展示瞭如何連線馬達和 Raspberry Pi。圖中顯示了 L293D 的引腳圖和真值表，説明瞭如何控制馬達的旋轉方向。

L293D 馬達驅動器是一種中功率的 H-橋式馬達驅動器，適合用於驅動 DC 馬達。它包含兩個 H-橋式電路，用於控制每個馬達。H-橋式電路可以改變輸出的極性，以便 DC 馬達可以在兩個方向上控制。真值表提供了邏輯條件，以便在順時針或逆時針方向旋轉馬達。程式碼實作使用 Thonny IDE 執行，設定 GPIO 模式，輸入和輸出引腳，啟用引腳為高電位，旋轉馬達等。

從整合與部署視角來看，本文涵蓋了Raspberry Pi與多種硬體介面的整合，包括OLED顯示器、攝影機和各式馬達。雖然文章提供了詳盡的硬體連線說明、程式碼範例以及流程圖，但在實務落地上仍需注意幾項關鍵挑戰。首先，不同廠牌的硬體規格可能存在差異，例如OLED顯示器的I2C地址或相機模組的版本，開發者需要根據實際情況調整程式碼。其次，文章雖提供基本程式碼，但缺乏對錯誤處理和例外狀況的說明，這在實際應用中至關重要。例如，I2C通訊錯誤或馬達驅動異常都可能導致系統不穩定。最後，文章對於更進階的應用場景，例如結合影像辨識與馬達控制，僅有簡略提及，缺乏更深入的探討。

對於想要快速上手Raspberry Pi硬體整合的開發者，本文提供的步驟和程式碼具有相當的參考價值。然而，要打造更穩健且功能豐富的應用，則需要更深入地研究各個硬體的規格書，並加強程式碼的錯誤處理和例外狀況處理機制。玄貓認為，隨著邊緣運算的興起，Raspberry Pi結合各種感測器和致動器的應用將更加普及。開發者除了精程序式設計能力外，更需培養跨領域的系統整合能力，才能在未來的科技浪潮中保持競爭力。

玄貓

技術愛好者，專注於分享程式開發、雲端技術與 AI 應用的心得體會。