GPIO Pins nutzen

Jeder Microcontroller hat mehrere GPIO¹ Pins. Über diese Pins können exteren Komponenten angeschlossen werden. Je nach Bedarf können diese als Eingang (Input) oder Ausgang (Outpout) festgelegt werden.

Pinout

Damit man weiß welcher Pin für was verantwortlich ist, benötigt man das sogenannte Pinout.

Hier sehen Sie die Pinouts verschiedener Boards.

ESP32 (DevBoard)

RP Pico (RP2040)

Pins nutzen

Damit wir in Micropython Pins als Eingang oder Ausgang definieren können müssen wir zunächst die Klasse Pin aus dem Module machine einbinden.

main.py

from machine import Pin

Der Konstruktor der Klasse Pin, muss die Nummer des GPIO Pins aus dem Pinout übergeben werden. Außerdem muss festgelegt werden ob der Pin als Eingang oder Ausgang genutzt werden soll.

main.py

from machine import Pin
pin = Pin(19)

In diesem Beispiel wird ein Object für den Pin mit der Nummer 19 angelegt.

Welchen Zustand hat der Pin?

Wenn Sie einfach pin = Pin(19) ausführen, belässt MicroPython den Pin in der Regel in seinem standardmäßigen Einschaltzustand. Bei den meisten Mikrocontrollern (wie dem ESP32 oder RP2040) sind die Pins standardmäßig auf Eingang eingestellt, um versehentliche Kurzschlüsse zu verhindern.

Daher sollte immer ein expliziter Zustand, wie im folgenden gezeigt, gesetzt werden.

Was sind Klassen, Konstruktor, Objekte, ...? Wenn dir diese Begriffe nichts sagen kannst du hier nachlesen.

Ausgang / Output

Um einen Pin als Ausgang festzulegen können wir dem Konstruktor Pin.OUT als zweites Argument übergeben.

main.py

from machine import Pin
output_pin = Pin(19, Pin.OUT)

Zustand des Pins ändern

Um den gewünschten Pegel am Ausgang zu setzen bietet Micropython zwei Möglichkeiten.

Variante 1

main.py

from machine import Pin
output_pin = Pin(19, Pin.OUT)
# Setzen des Pegels auf HIGH.
output_pin.on()
# Setzen des Pegels auf LOW
output_pin.off()

• Die Methode on() setzt den Zustand des Pins auf HIGH.
• Die Methode off() setzt den Zustand des Pins auf LOW.

Variante 2

main.py

from machine import Pin
output_pin = Pin(19, Pin.OUT)
# Setzen des Pegels auf HIGH.
output_pin.value(1)
# Setzen des Pegels auf LOW
output_pin.value(0)

Sie können auch die Methode value(x) verwenden um den Zustand zu setzen.
Wobei x entweder 0 für LOW oder 1 für HIGH sein kann.

Aufgabe: Led blinken lassen

1. Bauen Sie folgende Schaltung auf. (R=220Ω) Hinweis: Aufbau in Wokwi oder Hardware möglich.

   Start Lab in Wokwi

2. Schreiben Sie ein Programm welches die LED mit Hilfe der Sleep Funktion im Takt von 500ms blinken lässt. Das heißt die LED ist 500ms an und danach 500ms aus.

Mögliche Lösung

Variante 1

main.py

import time
from machine import Pin

led_pin = Pin(16, Pin.OUT)

while True:
  led_pin.on()
  time.sleep(0.5)
  led_pin.off()
  time.sleep(0.5)

Variante 2

main.py

import time
from machine import Pin

led_pin = Pin(16, Pin.OUT)

while True:
  led_pin.value(not led_pin.value())
  time.sleep(0.5)

Die LED und ihre Funktionsweise Erfahren Sie mehr über LEDs und deren Funktionsweise.

Eingang / Input

Um einen Pin als Eingang festzulegen können wir dem Konstruktor Pin.IN als zweites Argument übergeben.

main.py

from machine import Pin
input_pin = Pin(18, Pin.IN)

Zustand des Pins abfragen

Die Methode value() liefert uns den aktuellen Zustand am Pin zurück.

main.py

from machine import Pin
input_pin = Pin(18, Pin.IN)
current_value = input_pin.value()

Im folgenden Beispiel wird der Zustand in der Variable current_value gespeichert.

main.py

from machine import Pin
from time import sleep
input_pin = Pin(17, Pin.IN)
while True:
  current_value = input_pin.value()
  print(current_value)
  sleep(0.5)

1. Führen Sie folgenden Code aus.

2. Verbinden Sie GPIO17 mit einer Drahtbrücke zu GND (0V) und anschließend VCC (3.3V).

   • Welche Ausgabe erhalten Sie?
   • Welche Ausgabe erhalten Sie wenn keine Verbindung besteht?

   Gefahr

   Verbinden Sie den Pin niemals mit einer Eingangsspannung von 5V oder höher.
   Dies könnte den Pin oder den ganzen Chip zerstören.

Der Pullup Widerstand

Wenn keine Verbindung zum Pin besteht haben wir einen undefinierten Zustand. Demnach wird “zufällig” HIGH oder LOW eingelesen. Dies ist auch der Fall, wenn man einen Taster an den Pin anschließt und dieser nicht gedrückt ist.

Wichtig.

Ein Taster sollte immer mit einem Pullup oder Pulldown Widerstand verwendet werden, da der Spannungszustand des Taster-Pins sonst nicht stabil ist und der Zustand des Eingangspings sich zufällig ändern kann.

Folgender Code zeigt wie man dies in Software umsetzt.

main.py

from machine import Pin
btn = Pin(27, Pin.IN, Pin.PULL_UP)

while True:
    current_btn_state = btn.value()
    print(current_btn_state)

Der Ausdruck Pin.PULL_UP aktiviert den internen Pullup-Widerstand des ESP32.

Dadurch liegt ein HIGH-Pegel am Pin an, wenn der Taster nicht gedrückt ist und ein LOW-Pegel wenn der Taster gedrückt wird. Dieses Prinzip nennt man auch LOW active.

externer Pullup

Anstatt der Aktivierung des internen Pullups kann auch ein externer Pullup Widerstand in die Schaltung mit eingebaut werden.

Aufgabe: Taster verwenden.

Ein Taster, nicht zu verwechseln mit einem Schalter ist ein mechanisches Bauteil, welches als Eingang für einen Microcontroller genutzt werden kann.

1. Bauen Sie folgende Schaltung auf. (R=220Ω) Hinweis: Aufbau in Wokwi oder Hardware möglich.

   Start Lab in Wokwi

2. Schreiben Sie ein Programm welches eine LED einschaltet solange der Taster gedrückt ist. Und die LED wieder ausschaltet falls der Taster nicht mehr gedrückt ist.

   Mögliche Lösung

   main.py

   from machine import Pin
   led = Pin(14, Pin.OUT)
   btn = Pin(27, Pin.IN, Pin.PULL_UP)
   
   while True:
       if 0 == btn.value():
           led.on()
       else:
           led.off()

3. Betrachten Sie folgendes Diagram welches den Ablauf darstellt. Versuchen Sie dies in Code umzusetzen.

   flowchart TB
       setup["`**Setup** Pins and
       init *last* state to HIGH `"]
       check["`Check *current* button state`"]
       if_edge{" "}
       do["`set *last* state = *current* state`"]
       if_falling{"is current state LOW"}
       toggle["`*toggle LED*`"]
   
       setup --> check
       check --> if_edge
       if_edge -- last != current --> check
       if_edge -- last == current --> do
       do --> if_falling
       if_falling -- true --> toggle
       if_falling -- false --> check

   Mögliche Lösung

   main.py

   from machine import Pin
   
   led = Pin(14, Pin.OUT)
   btn = Pin(27, Pin.IN, Pin.PULL_UP)
   
   # Set btn state to HIGH as btn is low active.
   last_btn_state = 1
   
   while True:
       current_btn_state = btn.value()
       if current_btn_state != last_btn_state:
           last_btn_state = current_btn_state
           if current_btn_state == 0:
               led.value(not led.value())

Besondere Pins

Achtung manche Pins auf dem ESP32 DevKit werden auch für andere Funktionalitäten genutzt und können daher nicht frei verwendet werden.

Hinweis

• Pins 1 and 3 are REPL UART TX and RX respectively
• Pins 6, 7, 8, 9, 10 and 11 are used for connecting the embedded flash, and are not recommended for other uses.
• Pins 34-39 are input only, and also do not have internal pull-up resistors
• See Deep-sleep mode for a discussion of pin behaviour during sleep

Kontrollfragen

Teste dein Wissen

1. Wofür steht der Begriff GPIO?

   1. Get Pins IN and OUT

   2. General Purpose Input Output

   3. General Pin Input Output

   Absenden

2. Wie legen Sie GPIO 12 als Ausgang fest?

   1. pin = PIN(12, Pin.OUT)

   2. pin = PIN(12)

   3. pin = PIN(12, Pin.OUTPUT)

   Absenden

3. Wie können Sie den Zustand eines Pins abfragen?

   1. pin.state()

   2. pin.is()

   3. pin.value()

   4. pin.get()

   Absenden

4. Wie können Sie den Zustand eines Ausgangs von HIGH auf LOW ändern?

   1. pin.value(1)

   2. pin.value(0)

   3. pin.on()

   4. pin.off()

   Absenden

5. Welche Informationen sind typischerweise nicht im Pinout zu finden.

1. Die Zuordnung der Pinnummern zu den physischen Pins.

2. Besonder Funktionalität der einzelnen Pins.

3. Spannungsgrenzen der einzelnen Pins.

Absenden

7. Welcher Pol der LED muss an GND angeschlossen werden?

1. Der Anode (langer Anschluss)

2. Der Kathode (kurzer Anschluss)

3. Beliebig (beide funktionieren)

Absenden

8. Wie groß sollte der Vorwiderstand für eine LED sein?

1. 4,7kΩ

2. 1kΩ

3. 220Ω

Absenden

9. Was passiert, wenn ein Taster direkt (also ohne Pullup-Widerstand) mit dem Microkontroller verbunden wird.

1. Der Zustand am Eingangspin ist nicht stabil und kann sich zufällig ändern.

2. Der Zustand am Eingangspin wird invertiert.

3. Der Zustand am Eingangspin ist stabil und ändert sich nur wenn der Taster gedrückt wird.

Absenden

10. Ein Taster ist mit einem Pullup-Widerstand verbunden. Welches logische Level liegt am Pin an, wenn der Taster offen ist?

1. HIGH

2. LOW

3. undefiniert

Absenden

Ressources

Micropython Documentation zur Pin Klasse Offiziele Dokumentation zum Module machine.Pin

Micropython ESP32 Quickref Kurze Übersicht über die Verwendung von Pins and GPIO beim ESP32

Dev Kit Documentation Offiziele Dokumentation des ESP32-DevKitC von espressif

Footnotes

1. GPIO steht für General Purpose Input Output. ↩