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RaspberryPi(ラズパイ)でPWMを使う方法【RPi.GPIO】

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はじめに

RaspberryPi(ラズパイ) でPWMを使う方法を解説します。回路はLEDのみ、プログラム言語は「Python」ライブラリに「RPi.GPIO」を使います。

LEDにPWMを使うことで、LEDの点滅・調光が簡単に扱えるようになります。

記事内では懐かしの「RaspberryPi2」を使っていますが「RaspberryPi2〜4」「Raspberry Zeroシリーズ」なら解説と同じ方法でGPIOが使えます。

【基礎知識】PMW

PWMは、Pulse Width Modulationの略で、GPIOと同じON/OFF信号を指定した周期」で「くり返し」出力できる仕組みです。

この仕組みを使うと、入力の電圧は変えずに、ONのパルス幅(毎周期のONの幅)を変えるだけで、任意の電圧を作ることができます。

PWMの仕組みを説明した画像

PWMでは以下の内容が変更できます。

  1. 周期(周波数):1秒間に何回ON/OFFさせるか
  2. Duty比 : 1周期中のON/OFF時間の割合

上記の仕組みは、モーターやスピーカーなど、いろいろな用途に使用されており、LEDに使うと簡単に光の明暗操作(調光)をすることができます

環境

環境 バージョンなど 備考
RaspberryPi 2 Model B RaspberryPi 2/3/4  Zero各種でも使えます
OS RaspberryPi OS (bullseye) 32bit版です
Python 3.9.2 OS プリインストールのバージョンです
ライブラリ RPi.GPIO

LEDの接続

RaspberryPiの「GPIO 13」ピンにLEDを接続します。抵抗は直結防止程度に手元にあった220Ωを使っています。

RaspberryPiで(Hardware)PWMが使えるのは、GPIO12,13ピンのみなので、どちらかを選択してください。

RaspberyPiとLEDの接続方法を説明する画像

RaspberryPi ピンアサイン

RaspberryPi のピンアサインの画像

RaspberryPi 公式のGitHubより引用

使用する部品

今回の回路では以下の部品を使います。

RaspberryPi 4 (8GBモデル)

解説はRaspberryPi 「2」 ですが、今買うなら、性能が大幅アップした「4」がおすすめです。 後継機なのでピンアサインは同一で、解説と同じように使えます。

ブレッドボード

サンハヤト性のブレッドボードです。少々堅めの指し心地ですが、などの品質も高く、おすすめの一品です。

LED

一般的な砲弾型のLEDでOKです。以下のようなセットで買っておくと、購入の手間がはぶけます。

抵抗

お手持ちのものでOKです。ない方は一度セットで揃えてしまうと送料と時間が節約できます。

プログラム概要

今回のプログラムの概要は以下の通りです。

  1. GPIOの番号指定の設定をする。
  2. GPIO・PWMを設定する
  3. PWMでLEDを点滅させる
  4. PWMでLEDを暗くする
  5. PWMでLEDを消灯する

実行結果

プログラムを実行すると、以下のようにLEDが光ります。

点滅・点灯

プログラムを実行してでLEDが点滅している画像
プログラムを実行してでLEDが点灯している画像

調光(暗く)・消灯

プログラムを実行してでLEDが調光で暗くなっている画像
プログラムを実行してでLEDが消灯している画像

全体コード

全体コードは以下の通りです。詳細は後述する「コードのポイント」で解説します。

# RPi.GPIOのライブラリを「GPIO」という名前で使います
import RPi.GPIO as GPIO
import time

# GPIOのピン番号指定を「BCM」に設定します
GPIO.setmode(GPIO.BCM)

# 設定を確認。BCMの場合は「11」が返ります
mode = GPIO.getmode()
print(mode)

# PWMに使うピンに名前をつけます
PWM = 13

# PWMに使うピンを「Out」に設定します
GPIO.setup(PWM,GPIO.OUT)

# PWMに使うピンと周波数(1秒間に10回)を設定します
pwm = GPIO.PWM(PWM,10)

# PWMの制御を開始します
# 1周期の内,8割がONになるように設定します(Duty:80)
pwm.start(80)
time.sleep(2)

# Dutyは変えずに、周波数を1000に変更します
# この周波数になると、人の目ではLEDが点灯しているように見えます
pwm.ChangeFrequency(1000)
time.sleep(2)

# Dutyを「20」に設定します
# 周波数が早い状態で、Dutyを下げると、LEDが暗くなったように見えます
pwm.ChangeDutyCycle(10)
time.sleep(2)

# Dutyを「0」に設定します
# LEDが消灯します
pwm.ChangeDutyCycle(0)
time.sleep(2)

print("done.")

# GPIOの設定を解除します
GPIO.cleanup(PWM)

コードのポイント

ピン番号の指定方法の設定

ピン番号の指定方法をsetmode関数で設定します。

# GPIOのピン番号指定を「BCM」に設定します
GPIO.setmode(GPIO.BCM)

# 設定を確認。BCMの場合は「11」が返ります
mode = GPIO.getmode()
print(mode)

指定の種類は「GPIO〇〇の番号を指定する”BCM”」「ピンの物理的な番号を指定する”BOARD”」の二種類がありますが、今回は「GPIO〇〇」の「BCMの方式」を使います。

選択した指定はgetmode関数で確認できます。

名称 指定 設定 getmode()
BCM RPi.GPIO.BCM GPIO〇〇と記載のある番号 11
BOARD RPi.GPIO.BOARD 基板のピン番号(1~40) 10

※ 未設定の場合は「-1」が返ります。

GPIOの設定(出力)

output関数を使って、PWMに使うピンをGPIOの出力に設定します。

引数には「ピン番号」「入力・出力の指定」を渡します。

# PWMに使うピンに名前をつけます
PWM = 13

# PWMに使うピンを「Out」に設定します
GPIO.setup(PWM,GPIO.OUT)

内容 設定 説明
ピン番号 13 GPIO13 (BCM形式です)
入出力指定 RPi.GPIO.OUT 出力用に設定

PWMの設定

PWM関数を使って、上で出力に設定済みのピン番号と、PWMの周波数を設定します。

# PWMに使うピンと周波数(1秒間に10回)を設定します
pwm = GPIO.PWM(PWM,10)

内容 設定 説明
ピン番号 13 GPIO13 (BCM形式です)
周波数 10 単位は[Hz]です。 0.1単位で指定できます

PWM出力の開始

start関数でDuty比を設定すると、PWM出力が始まります。

# PWMの制御を開始します
# 1周期の内,8割がONになるように設定します(Duty:80)
pwm.start(80)
time.sleep(2)

上記コードでは、周期をかなり遅く(10Hz)しているので、Duty比による点滅を目視で確認することができます(LEDを点滅させたいときに便利です).

プログラムを実行してでLEDが点滅している画像
LEDの点滅

周波数の変更

ChangeFrequency関数でPWMの周波数を変更することができます。

# Dutyは変えずに、周波数を1000に変更します
# この周波数になると、人の目ではLEDが点灯しているように見えます
pwm.ChangeFrequency(1000)
time.sleep(2)

上記コードは、周波数の変更だけでDuty比は変えていません。そのため、LEDは変わらず点滅していますが、周期が早いので人の目では「点灯」しているように見えます(扇風機の羽のイメージです)。

プログラムを実行してでLEDが点灯している画像
LEDの点灯

Duty比の変更

ChangeDutyCycle関数でDuty比を変更することができます。

設定範囲は0.0~100.0で「0」を指定するとPWM出力が停止します。

# Dutyを「20」に設定します
# 周波数が早い状態で、Dutyを下げると、LEDが暗くなったように見えます
pwm.ChangeDutyCycle(10)
time.sleep(2)

# Dutyを「0」に設定します
# LEDが消灯します
pwm.ChangeDutyCycle(0)
time.sleep(2)

LEDの明るさを電気的に変えるには電圧値・抵抗値の変更が必要で、プログラムで制御するには大変です。それに対してPWMなら、電圧を変えずにDuty比だけで明るさを調整することが出来ます。

プログラムを実行してでLEDが暗くなっている画像
LEDの調光(暗くする)
プログラムを実行してでLEDが消灯している画像
LEDの消灯

まとめ

RaspberryPi でPythonを使って、PWMを使う方法を解説しました。

LED1つで出来るので、ぜひ遊んでみてください。参考になればうれしいです。

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ABOUT ME
えす
現役のソフトウェアエンジニアです。 C++ C# Python を使ってます。10年ちょい設計/開発部門にいましたが、今はQAエンジニアっぽいことをしています。

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