本系列连载将为您介绍使用Raspberry Pi制作咖啡机控制装置的方法。本系列为我们分享的嘉宾是阿矢谷充先生，他迄今为止在各种媒体上，面向喜欢自己动手制作的群体发表过很多电子作品制作类的文章。在连载的第1部分中，介绍了装置的概况；在第2部分中，介绍了硬件的制作和安装方法；在第3部分中，将为您介绍控制程序的编写方法。
目录
1.环境设置
首先，我们来了解一下运行环境。操作系统是Raspberry Pi标准的Raspbian，我使用的是Release10：buster。在这里我们不会涉及它们的安装方法。
先为您介绍必要的设置。通过菜单打开“Raspberry pi设置”页面，点开“接口”选项卡。
这里必须启用的项目是SSH、VNC和I2C。此次制作的装置中没有使用SPI，但因其是一个像I2C一样常用的外部接口，所以我将其设为“启用”状态。串行端口和串行控制台也不会用到，但因为它们可在发生Wi-Fi等故障时用来进行设置，所以我也将它们设为“启用”了。
关于SSH和VNC，由于本装置一旦将零部件收纳进外壳后，就无法再接入HDMI等外部端口，因此，它们对于通过远程进行所有设置而言至关重要。VNC需要在PC端或Mac端安装“VNC Viewer”等客户端软件，所以请安装所需软件。要想通过VNC进行远程操作，当然需要通过Wi-Fi进行IP连接。
2.Python的开发和运行环境
我使用“Python”作为控制软件，并选择了最常用的RPi.GPIO库来控制GPIO。关于这个RPi.GPIO的基础知识，请参考Dvice Plus曾经发表过的一篇非常通俗易懂的介绍文章《通过RPi.GPIO Python库使用Raspberry Pi GPIO引脚》。
通过RPi.GPIO Python库使用Raspberry Pi GPIO引脚
如果您还不了解RPi.GPIO，建议您务必先阅读此文。
使用Python开发Raspberry Pi用的程序时，方法有很多。编写源代码时，也有多种方法可选，比如是在Raspberry Pi端编写还是在PC或Mac上使用熟悉的编辑器编写。
此次，我尝试使用了一个在Raspberry Pi上运行的名为“Thonny”的软件。Thonny是一个集成了编辑器、执行环境和调试环境的IDE（集成开发环境）。Thonny在Raspbian操作系统中已经默认安装好了，属于开箱即用的功能，可以通过菜单直接调用。Thonny的GUI如下：
首先，关于编辑器，Thonny是Python专用的软件，具有重要的缩进功能，会自动缩进，可以放心使用。还有，保留字是用不同颜色区分的，CTRL+Space支持自动补全（显示保留字候选），用起来非常方便。
Thonny还配有调试器，可以单步执行和显示变量的值。Thonny的功能仅限于初学者的基本需要，所以使用方法很简单，不过我认为它足以应对中小型程序的需求。
我是用VNC连接Raspberry Pi上的Thonny来编辑和运行程序的。用VNC连接后，Raspbian的GUI只是虚拟的，因此即使您断开连接，正在执行的任务和环境也会继续保持。本装置的Python控制程序也是通过Thonny执行的，可以直接使用。
关于Raspberry Pi的VNC连接，请参考以下链接中介绍的详细设置方法。
VNC远程桌面连接Raspberry Pi（兼容Windows/Mac/Linux）
3.I2C液晶工作确认模块
在第2部分中，我们了解了硬件相关的内容，在这里我们先来确认一下I2C液晶的工作情况。测试是使用Raspberry Pi命令和通过Python编写的程序进行的。另外，由于该测试程序是模块化的，因此可以通过咖啡机控制程序来导入和使用。
首先，使用Raspberry Pi命令确认I2C的连接是否正常。通过Raspbian上的LXTerminal或通过SSH连接的终端上的shell输入“i2cdetect -y 1”命令。
pi@raspberrypi:~ $ i2cdetect -y 1
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 a b c d e f
00: -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- --
10: -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- --
20: -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- --
30: -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- 3e --
40: -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- --
50: -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- --
60: -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- --
70: -- -- -- -- -- -- -- --
如果I2C连接正常，会显示LCD模块的地址：3e。如果不显示，需要检查一下看看是否有接线错误等问题。
接下来，使用Thonny创建以下工作确认模块。我在/home/pi下创建了一个名为“python”的目录，用来保存程序，这方面您可以自由决定。程序名称为“lcdtest_2x8.py”。
import smbus
import time
i2c = smbus.SMBus(1)
addr = 0x3e
def initlcd():
data = [0x38, 0x39, 0x14, 0x78, 0x5f, 0x6a, 0x0c, 0x01, 0x06]
i2c.write_i2c_block_data(addr, 0, data)
time.slee p(0.3)
def write_data_to_lcd(upper,lower):
#write upper
i2c.write_byte_data(addr, 0, 0x80)
data1 =["" for j in range(len(upper))]
for i in range(len(upper)):
data1[i] = ord(upper[i])
i2c.write_byte_data(addr, 0, 0x80)
i2c.write_i2c_block_data(addr, 0x40, data1)
#write lower
data2 =["" for j in range(len(lower))]
for i in range(len(lower)):
data2[i] = ord(lower[i])
i2c.write_byte_data(addr, 0, 0xc0)
i2c.write_i2c_block_data(addr, 0x40, data2)
def clsc():
i2c.write_byte_data(addr, 0, 0x01)
time.slee p(0.3)
if __name__ == '__main__':
initlcd()
write_data_to_lcd("line1","line2")
time.slee p(2)
clsc()
write_data_to_lcd("--LCD---","**Test**")
time.slee p(2)
clsc()
write_data_to_lcd("Test","==end===")
运行程序，如果程序正常工作，会在液晶显示屏上显示三个测试信息。这个程序中导入了python的I2C控制用的“smbus”和时间用的“time”两个模块。另外，还设置了以下三个函数：
initlcd()用来初始化LCD模块。该函数在程序开始时会运行一次，发送模块中使用的“AQM0802A”芯片的控制命令。
write_data_to_lcd(upper,lower)用来将字符串写入LCD模块。这个程序用于8个字符×2行的LCD，参数upper显示上一行，参数upper显示下一行。使用ord()函数将字符串转换为ASCII码并发送给模块。
clsc()用来清除LCD显示。将这些函数作为模块导入另一个程序，即可引用和使用这些函数。
4. 咖啡机控制主程序（整体结构）
首先，控制程序的整体结构如下所示。
左侧的蓝色部分是在开始时只运行一次的初始设置模块。绿色部分是与确定杯数的中断例程相关的模块。这也就是在第2部分中提到的硬件——黑色微动开关按钮，通过它来决定要萃取多少杯咖啡。每按一次开关，就会通过中断处理更改杯数。
右侧的橙色部分是主例程。首先是等待启动按钮（红色微动开关）输入，然后是由第一步、第二步、第三步组成的定时器循环。
第一步是“初次注水”。在进入第二步“闷蒸”之前，让热水浸润咖啡粉。咖啡机将只在这个设置时间内处于ON（通电）状态。
第二步是“闷蒸”。热水浸润咖啡粉后，保持一段时间。此时，咖啡机处于OFF（断电）状态。
第三步是“萃取”。此时，咖啡机基本上是ON（通电）状态。作为附加功能，我增加了基于PWM的ON/OFF控制功能。这可以分别设置咖啡机ON的时间（秒）和OFF的时间（秒）。我希望用这个功能尝试通过软件实现一种叫做“节奏萃取”（加入一定量的热水然后暂停，反复此操作）的方法。关于PWM功能的详细内容，将在python程序介绍部分中进行说明。
下表1中汇总了上述设置参数。
表1 设置参数一览表
设置时间单位为“秒”。此次使用的咖啡机为Kalita ET-102，最大容量为5杯。我让该程序最多允许设置6杯，设置为6杯时，是将闷蒸时间设置为“0”，快速冲泡咖啡的“最快模式”。
目前，我们已经可以使用表1中的参数通过电脑或智能手机上的Web浏览器来设置参数了，具体设置方法将在本系列连载的第4部分进行介绍。
5.使用Python完成控制程序
针对在第2部分中提到的功能，我用Raspberry Pi的Python编写了程序，下面对该程序进行说明。
程序内容如下：
# -*- coding: utf-8 -*-
#咖啡机控制程序 rev 1.0
#导入库
import RPi.GPIO as GPIO
import time
import lcdtest_2x8
#设置变量
BUTTON1 = 24
BUTTON2 = 25
START_STOP_LED = 23
AC_OUT_LED = 17
SSR = 18
CUPIDX = 1
#Parameters:初次注水时间、闷蒸时间、萃取时间、ON时间、OFF时间
wtimer = [[60,40,360,60,10],[68,50,480,60,20],[70,50,600,60,20],[74,50,600,60,20],[0,0,600,60,0]]
#GPIO Setup
GPIO.setmode(GPIO.BCM)
GPIO.setup(BUTTON1,GPIO.IN, pull_up_down=GPIO.PUD_DOWN)
GPIO.setup(BUTTON2,GPIO.IN, pull_up_down=GPIO.PUD_DOWN)
GPIO.setup(START_STOP_LED,GPIO.OUT,initial=GPIO.LOW)
GPIO.setup(AC_OUT_LED,GPIO.OUT,initial=GPIO.LOW)
GPIO.setup(SSR,GPIO.OUT)
ssr_pwm=GPIO.PWM(SSR,1)
ssr_pwm.start(0)
#杯数设置中断例程
def button_pushed1(BUTTON1):
GPIO.remove_event_detect(BUTTON1)
global CUPIDX
if CUPIDX == 1:
print("Pressed!! Cups=3")
lcdtest_2x8.write_data_to_lcd("Cups=3","")
CUPIDX = CUPIDX+1
elif CUPIDX == 2:
print("Pressed!! Cups=4")
lcdtest_2x8.write_data_to_lcd("Cups=4","")
CUPIDX = CUPIDX+1
elif CUPIDX == 3:
print("Pressed!! Cups=5")
lcdtest_2x8.write_data_to_lcd("Cups=5","")
CUPIDX = CUPIDX+1
elif CUPIDX == 4:
print("Pressed!! Cups=6")
lcdtest_2x8.write_data_to_lcd("Cups=6","")
CUPIDX = CUPIDX+1
elif CUPIDX == 5:
print("Pressed!! Cups=2")
lcdtest_2x8.write_data_to_lcd("Cups=2","")
CUPIDX = 1
time.slee p(0.3)
GPIO.add_event_detect(BUTTON1, GPIO.RISING, callback=button_pushed1, bouncetime=200)
#初始设置
GPIO.add_event_detect(BUTTON1, GPIO.RISING, callback=button_pushed1, bouncetime=200)
lcdtest_2x8.initlcd()
lcdtest_2x8.write_data_to_lcd("Coffee","Timer")
time.slee p(2)
lcdtest_2x8.clsc()
lcdtest_2x8.write_data_to_lcd("Cups=2","")
#主循环
try:
while True:
print("Waiting for rising edge on BUTTON2")
GPIO.wait_for_edge(BUTTON2, GPIO.RISING)
print("Rising edge detected on BUTTON2.")
GPIO.remove_event_detect(BUTTON1)
#Set Freqency and DutyCycle
freq_int = 1/(wtimer[CUPIDX-1][3] + wtimer[CUPIDX-1][4])
duty = wtimer[CUPIDX-1][3]/(wtimer[CUPIDX-1][3] + wtimer[CUPIDX-1][4])*100
print("Frequency(Hz) =",freq_int)
print("Duty cycle(%) =",duty)
#1st step
current_time = time.time()
stop_time = current_time + wtimer[CUPIDX-1][0]
ssr_pwm.ChangeDutyCycle(100)
GPIO.output(AC_OUT_LED,1)
ledflag = True
while time.time() < stop_time:
ctime = int(stop_time - time.time())
print(ctime)
GPIO.output(START_STOP_LED,ledflag)
lcdtest_2x8.write_data_to_lcd("","1st:"+str(ctime)+" ")
ledflag = not ledflag
time.slee p(1)
print("Timer1 out")
print('Time: ' + str(time.time() - current_time))
#2nd step: Murashi
current_time = time.time()
stop_time = current_time + wtimer[CUPIDX-1][1]
ssr_pwm.ChangeDutyCycle(0)
GPIO.output(AC_OUT_LED,0)
ledflag = True
while time.time() < stop_time:
ctime = int(stop_time - time.time())
print(ctime)
GPIO.output(START_STOP_LED,ledflag)
lcdtest_2x8.write_data_to_lcd("","2nd:"+str(ctime)+" ")
ledflag = not ledflag
time.slee p(1)
print("Timer2 out")
print('Time: ' + str(time.time() - current_time))
#3rd step:
current_time = time.time()
stop_time = current_time + wtimer[CUPIDX-1][2]
ssr_pwm.ChangeFrequency(freq_int)
ssr_pwm.ChangeDutyCycle(duty)
GPIO.output(AC_OUT_LED,1)
ledflag = True
while time.time() < stop_time:
ctime = int(stop_time - time.time())
print(ctime)
GPIO.output(START_STOP_LED,ledflag)
lcdtest_2x8.write_data_to_lcd("","3rd:"+str(ctime)+" ")
ledflag = not ledflag
time.slee p(1)
ssr_pwm.ChangeFrequency(1)
ssr_pwm.ChangeDutyCycle(0)
GPIO.output(AC_OUT_LED,0)
GPIO.output(START_STOP_LED,False)
print("Timer3 out")
print('Time: ' + str(time.time() - current_time))
lcdtest_2x8.write_data_to_lcd("","Sto p ")
GPIO.add_event_detect(BUTTON 1, GPIO.RISING, call back=button_pushed1, bouncetime=200)
except KeyboardInterrupt:
GPIO.remove_event_detect(BUTTON1)
ssr_pwm.stop()
GPIO.cleanup() # clean up GPIO on CTRL+C exit
print("STOP")
下面介绍各程序块的运行要点。这个程序的名称是“coffee_control_rev1.py”。
#导入库
在这里，先导入“RPi.gpio”和“time”标准库。然后将“I2C液晶工作确认模块”一节中提到的“lcdtest_2x8.py”作为库加载进来。请将“lcdtest_2x8.py”放在与这个主程序相同的目录中（我是放在/home/pi/python/中）。
#设置变量
我将GPIO使用的BCM编号放在命名变量中了。这是为了在设置GPIO时更容易理解（在下面的介绍说明中，会有类似“BUTTON1（24）”这样的带有BCM编号的表述）。最后的“CUPIDX”用作全局变量，用来保存当前的杯数。
#Parameters：设置参数列表
前面提到的“表1 设置参数一览表”中的值在二维列表wtimer中。值通过wtimer[杯数][项目]索引来引用。在这个程序中，设置值是以编程方式描述的，在第4部分中，我们将对其进行更新，以便可以通过Web浏览器更改这些值。
# GPIO Setup
首先，通过“GPIO.setmode(GPIO.BCM)”将模式设置为使用BCM编号的模式。连接微动开关的BUTTON1（24）和BUTTON2（25）为“GPIO.IN”输入模式，将内部上拉电阻指定为下拉“GPIO.PUD_DOWN”。将START_STOP_LED（23）、AC_OUT_LED（17）、SSR（18）设置为“GPIO.OUT”模式。
SSSR（18）使用PWM功能。Raspberry Pi有两个由硬件控制的PWM端口，端口（18）是其中之一。
通过以下语句来启动PWM。
ssr_pwm=GPIO.PWM(SSR,1)
ssr_pwm.start(0)
上面参数中的数字1是频率，单位是Hz。可以用实数来指定这个数字，所以也支持1以下的低频。下面参数中的数字0是占空比，用%来指定。这个数值也可以用实数来设置。初始状态的占空比=0，输出为OFF。
#杯数设置中断例程
咖啡杯数用黑色微动开关“BUTTON1（24）”进行设置。需要检测到此按钮被按下并启动中断处理设置所定义的函数。其中断动作例程——函数为“def button_pushed1”。每按一下黑色的微动开关，该例程——函数就会被调用。
中断设置是通过下面的“#初始设置”开头的语句来完成的：
GPIO.add_event_detect(BUTTON1, GPIO.RISING, callback=button_pushed1, bouncetime=200)
通过“GPIO.RISING”指定应在从L到H的上升沿检测输入。“callback=button_pushed1”是检测到输入时要调用的函数名。“bouncetime=200”是非检测窗口时间，用来防止由于开关抖动而导致的误检测。在这个案例中，设置为在第一次检测后200ms内不工作。
另外，在这个中断函数例程的开头，插入了用来禁用中断的“GPIO.remove_event_detect”。这是防止在中断处理过程中发生多重中断的措施。在该例程的最后，加上“GPIO.add_event_detect”来重新启用中断。
接下来，为保存当前杯数的变量“CUPIDX”指定“global”。如果不进行这个指定，就会被视为其函数中的局部变量，将无法在主程序中引用该值。
然后，由if语句在每次按下开关时递增杯数。在shell和液晶显示器上将会显示杯数。
#初始设置
进行前述的中断设置和液晶显示器中的启动消息显示设置。
#主循环
我在介绍整体结构时提到过，主循环由等待启动按钮输入和三个定时器循环组成。
首先是等待启动按钮——BUTTON2（25）的输入。
GPIO.wait_for_edge(BUTTON2, GPIO.RISING)
使用“GPIO.RISING”检测上升沿。启动时，首先禁用杯数输入的中断处理。
GPIO.remove_event_detect(BUTTON1)
这是为了禁止在萃取咖啡过程中改变杯数。在三个定时器循环结束后，会再次启用中断，以便我们能够设置杯数。
#Set Freqency and DutyCycle：PWM参数设置
我在主循环中添加了基于PWM的咖啡机ON/OFF功能。其工作示意图如下：
PWM（Pulse Width Modulation＝脉冲宽度调制）是一种周期性地改变脉冲ON/OFF宽度的信号方式，常被用于改变LED的亮度和控制电机转速等应用。在这类应用中，频率为几十Hz以上，导通脉冲宽度为毫秒级。在Raspberry Pi的PWM中，是通过频率和占空比设置的，可以用实数代入，因此，即使在1Hz以下的低频条件下也可以正常运行。
于是，我以“秒”为单位设置了咖啡机的热水注入时间和暂停时间，并尝试将其应用于注入热水注入时间（ON）=60秒、暂停时间（OFF）=20秒等萃取方法。在本案例中，我将频率设置为0.0125Hz，占空比设置为75%，虽然频率非常低，但PWM还是能工作正常的。
#1st step：初次注水
这是先用热水浸润咖啡粉的初次注水定时器循环。使用“time.time()”函数获取当前时间。以秒为单位输入变量。将初次注水时间添加到这里成为“stop_time”。在当前时间超过这个“stop_time”时，定时器的while循环结束。
while time.time() < stop_time:
该方法与后续的第二步和第三步相同。
至于启动咖啡机的方法，SSR（18）使用PWM设置。因此，要使电源连续ON，请将占空比设置为100%。
ssr_pwm.ChangeDutyCycle(100)
然后是要使LED点亮来表示工作中这个状态。
GPIO.output(AC_OUT_LED,1)
GPIO.output(START_STOP_LED,ledflag)
“AC_OUT_LED”表示咖啡机已启动（ON）。“START_STOP_LED”表示定时器正在运行，每隔1秒点亮一次。我是将“time.slee p(1)”加入循环中，以“ledflag = not ledflag”来实现间隔闪烁的。在LCD上，每隔1秒会显示定时器的剩余时间。
#2nd step: 闷蒸
程序结构与#1st step基本相同。由于咖啡机在闷蒸过程中处于OFF状态，所以将SSR（18）的PWM占空比设置为0%。
之后，让“AC_OUT_LED”熄灭。
#3rd step：萃取
第三步的结构也与#1st step 和#2nd step相同。通过执行以下语句来启用前述的基于PWM的ON/OFF功能。
ssr_pwm.ChangeFrequency(freq_int)
ssr_pwm.ChangeDutyCycle(duty)
“freq_int”和“duty”变量中含有前述的#Set Freqency and DutyCycle计算值。定时器循环结束后，将PWM设置如下，关闭咖啡机（频率＝1Hz、duty＝0%）：
ssr_pwm.ChangeFrequency(1)
ssr_pwm.ChangeDutyCycle(0)
最后，允许设置杯数的中断并恢复开始按钮输入。
“except KeyboardInterrupt：”部分是当程序被CTRL+C中止时的异常处理，会清理GPIO并初始化所有的端口。
对python程序列表的说明就到这里。您可以通过下面的YouTube视频观察本装置的运行情况。
在下一篇也就是第4部分（剧终篇）中，我们将对这个软件进行扩展和修改，以便可以通过网络进行远程设置。我们会通过Raspberry Pi控制Web服务器功能，并从客户端Web浏览器进行设置。我们将使用html、Java Script、Ajax、PHP等Web编程来实现该功能。
最后，我还打算谈谈如何更好地使用本装置制作咖啡，敬请期待！
本系列连载的内容
第1部分：装置概况和咖啡萃取
第2部分：硬件制作
第3部分：使用Python完成控制软件（本文）
第4部分：远程设置软件
