from tkinter import *
from random import *
 
def newColor(event):
# Zufallsfarbe
    global colors
    nr = int(event.widget["text"])
    digits="0123456789ABCDEF"
    newColor ="#"
    for i in range(3):
        newColor += choice(digits)
    colors[nr] = newColor
    colorLabels[nr].config(bg=colors[nr])
 
def process():
# Bildbearbeitung
    global image
    image = PhotoImage(file=path)
    label.config(image=image)
    for x in range (image.width()):    
        for y in range (image.height()):
            c = image.get(x, y)
            brightness = int(c[0])+ int(c[1]) + int(c[2]) 
            if brightness < 150:
                image.put(colors[0], (x, y))
            elif brightness < 300:
                image.put(colors[1], (x, y))
            elif brightness < 450:
                image.put(colors[2], (x, y))
            else:
                image.put(colors[3], (x, y))
 
def zoomImage():
    global image, label
    image=image.zoom(2)
    label.config(image=image)
 
def loadImage():
    global image, label, path
    p = filedialog.askopenfilename()  
    if p:
        try:
          image = PhotoImage(file=p)
          label.config(image=image)
          path = p
        except:
           messagebox.showerror("", "Foto unleserlich")
 
def saveImage():
    p = filedialog.asksaveasfilename()
    if p:
       image.write(p)
 
# Widgets
window = Tk()
window.title("Bildbearbeitung")
frame = Frame(master=window)
label = Label(master=window, font = ("Arial", 14),
              text="Bitte ein Bild laden")  
 
buttonImage = Button(master=frame,
                text="Bild bearbeiten", width=12,
                font = ("Arial", 12), command=process)
buttonLoad = Button(master=frame,text="Laden", width=12,
                font = ("Arial", 12), command=loadImage)  
buttonSave = Button(master=frame,
                   text="Speichern", width=12,
                font = ("Arial", 12), command=saveImage)
buttonZoom = Button(master=frame,text="Zoom", width=12,
                font = ("Arial", 12), command=zoomImage)
 
colors =["#106", "#0c7", "#DC5", "#9AF"]
colorLabels = []
for i in range(4):
    colorLabels.append(Label(master=frame, 
                  font=("Arial", 12),
                  text=str(i), width=5, bg=colors[i]))
    colorLabels[i].bind("<1>", newColor) 
 
# Layout
frame.pack()
buttonImage.pack(side=LEFT, padx=2, pady=2)
buttonLoad.pack(side=LEFT, padx=2, pady=2)
buttonSave.pack(side=LEFT, padx=2, pady=2)
buttonZoom.pack(side=LEFT, padx=2, pady=2)
for cl in colorLabels:
    cl.pack(side=LEFT, padx=2, pady=2)
label.pack()
 
window.mainloop()           

Der GPIO des Raspberry Pi 3 besteht aus 40 vergoldeten Metallstiften (Pins). Sie sind in zwei Reihen angeordnet und befinden sich an einer Kante der RPi-Platine (siehe Abbildung B.1).

Es gibt unterschiedliche Bezeichnungen für die 40 Pins des GPIO. Wenn Sie das Python-Modul RPi.GPIO verwenden, das in der Raspbian-Distribution mitgeliefert wird, können Sie den Modus der Pin-Bezeichnung einstellen. Im Modus BOARD entspricht die Nummer eines Ein-/Ausgabebits der Position des Pins. Fast alle Skripte in diesem Buch verwenden den Modus BOARD. Er hat den Vorteil, dass man die Nummern der Pins, die man in den Python-Befehlen verwendet, einfach durch Abzählen findet.

Ausnahme sind Projekte mit dem AD-Wandler MCP3008 in Kapitel 9. Hier verwenden wir symbolische Namen, die in Abbildung B.2 angegeben sind.

Drei Pins haben einen konstanten Spannungspegel: Pin 1 (links oben) ist auf der Platine durch P1 markiert (Kreis in Abbildung B.1). An ihm und an Pin 17 liegt eine Spannung von +3,3 Volt an. An Pin 2 und Pin 4 ist eine Spannung von +5,0 Volt. Achtung! Passen Sie auf, dass Sie niemals Pin 2 oder Pin 4 mit anderen Pins des GPIO verbinden. Das könnte Ihren RPi zerstören. Manche Leute schieben zur Sicherheit ein Stück Isolierung von einem Klingeldraht auf diese beiden Pins. Dann sind versehentliche Kurzschlüsse weitgehend ausgeschlossen. An acht Pins (6, 9, 20, 25, 30, 34, 39) ist die Masse (ground, GND).

Die übrigen Pins sind frei programmierbar und können als Ein- oder Ausgang verwendet werden. An ihnen liegt entweder die Spannung 0 Volt oder +3,3 Volt an. Diese beiden Levels repräsentieren die Wahrheitswerte False und True. Der maximale Stromfluss ist insgesamt 50 mA. Das reicht z.B. aus, um LEDs mit niedrigem Energieverbrauch zu betreiben.

Starten Sie Idle und probieren Sie im interaktiven Modus die GPIO-Funktionen aus.

Import des Moduls RPi.GPIO (RPi mit kleinem i):

>>> from RPi import GPIO

Einstellung des Modus für die Pinbelegung:

>>> GPIO.setmode(GPIO.BOARD)

Für Pin 8 und Pin 10 des GPIO den Modus Ausgabe setzen.

>>> GPIO.setup(8, GPIO.OUT)
>>> GPIO.setup(10, GPIO.OUT)

Logische Werte ausgeben:

>>> GPIO.output(8, False)
>>> GPIO.output(10, True)

Mit einem Universalmessgerät (Multimeter) können Sie die Spannungen an Pin 8 und Pin 10 des GPIO prüfen. An Pin 8 liegen gegenüber der Masse (Pin 6) 0 Volt und an Pin 10 etwa 3,3 Volt an.

Wenn Sie einen Pin als Eingabekanal geschaltet haben, können Sie ihn von außen auf einen Spannungspegel bringen. Verbinden Sie den Pin mit der Masse (z.B. Pin 6), befindet er sich im Zustand False. Verbinden Sie ihn mit +3,3 Volt (z.B. Pin 1), dann ist er im Zustand True. Was aber, wenn der Eingangs-Pin mit nichts verbunden ist? Sie können für Pins, die als Eingabekanal genutzt werden, einen Grundzustand definieren. Beispiel:

GPIO.setup(12, GPIO.INPUT, pull_up_down=GPIO.PUD_DOWN)

Hier wird der Wahrheitswert False als Grundzustand festgelegt. Über einen internen Pull-down-Widerstand ist der Eingang mit der Masse verbunden und hat somit den Spannungspegel 0 Volt.

Wenn Sie den Parameter pull_up_down auf die Konstante GPIO.PUD_UP setzen, ist True der Grundzustand.

Die Eingänge des RPi sind durch Widerstände abgesichert. Das heißt, wenn Sie einen Eingangs-Pin mit Pin 1 (3,3 Volt) oder Pin 6 (0 Volt) verbinden, fließt nur ein ganz geringer Strom. Messen Sie es nach!

Schalten Sie Pin 12 als Eingang mit Grundzustand False und messen Sie die Spannung gegenüber Pin 6. Es sind 0 Volt. Stellen Sie das Multimeter auf Stromstärkemessung (DCA, 2 Milliampere). Verbinden Sie den Pluspol (rot) mit Pin 1 und den Minuspol mit Pin 12. Sie messen eine Stromstärke von etwa 0,08 Milliampere.

Projekte mit dem GPIO finden Sie in den meisten Kapiteln.

Tabelle B.1 gibt einen Überblick über die wichtigsten Befehle des Moduls GPIO.

Um an den GPIO etwas anzuschließen, kann man einfache Jumperkabel (female-male) verwenden. Man verbindet dann einzelne Pins des RPi mit einer Steckplatine (Breadboard), auf der eine Schaltung aufgebaut ist. Manchmal ist ein Flachbandkabel mit einem Pfostenverbinder (Pfostenstecker) ganz nützlich. Für wenig mehr als einen Euro erhalten Sie die Einzelteile:

• Flachbandkabel mit 40 Leitern. (Sie können auch ein breiteres Kabel nehmen und dann die überflüssigen Leiterbahnen abtrennen.)

• 40-poliger Pfostenverbinder

• Zugentlastung

Als Hilfsmittel brauchen Sie noch einen Schraubstock. Abbildung B.3 illustriert, wie Sie vorgehen:

• Setzen Sie zunächst den Bügel mit der geriffelten Innenoberfläche (nicht die Zugentlastung!) ein Stück weit auf das Hauptteil des Pfostenverbinders (Bild 1 von Abbildung B.3).

• Schauen Sie sich den Pfostenverbinder genau an. An einer Stelle sehen Sie ein kleines Dreieck. (Es ist nicht leicht zu finden.) Dieses Dreieck markiert Pin 1.

• Schieben Sie das Flachbandkabel durch den Spalt, sodass das rote Kabel an der Seite mit Pin 1 ist (Dreieck). Drücken Sie dann den Bügel nach unten in den weichen Kunststoff der Kabelisolierung. Spannen Sie den Stecker in einen Schraubstock und pressen Sie die Teile fest zusammen. Das Kabel sieht dann aus wie in Bild 2 von Abbildung B.3.

• Setzen Sie den Zugentlastungsbügel auf wie in Bild 3 von Abbildung B.3.

• Schieben Sie das andere Ende des Kabels in einer Schlaufe durch den neuen Spalt, drücken Sie den Zugentlastungsbügel ganz herunter und ziehen Sie das Kabel stramm. Es sieht dann aus wie in Bild 4 von Abbildung B.3.

Was machen Sie mit dem anderen Ende des Flachbandkabels? Da gibt es mehrere Möglichkeiten.

• Sie lösen die Einzelkabel ab und verbinden Sie dann später einzeln mit kleinen Steckern oder Bauteilen.

• Wenn Sie die Leitungen an eine Steckplatine anschließen wollen, empfiehlt es, sich Stifte anzulöten (Abbildung B.4). Sie können natürlich auch ein flexibles Leitungsende in ein Loch der Steckplatine stecken und dann mit einem Dupontkabel (Jumperkabel) fixieren.

Neben dem RPi benötigen Sie mindestens folgende Hardware-Komponenten:

• Speicherkarte. Der Peripheriespeicher ist eine kleine Mikro-SDHC-Karte. Es werden mittlerweile mindestens 8 GB benötigt.

• USB-Tastatur. Sehr komfortabel ist eine Funktastatur, weil weniger Kabel benötigt werden.

• Energieversorgung. Sie können den RPi mit Batterien oder einem Netzteil betreiben. Auf der Platine des RPi gibt es einen Mikro-USB-Eingang, den Sie für die Stromversorgung verwenden können.

• Monitor mit HDMI-Eingang und HDMI-Kabel (Mikro-HDMI für den Ausgang am RPi)

• USB-Maus

Betriebssysteme für den RPi können Sie von der Raspberry-Pi-Website herunterladen: https://www.raspberrypi.org/software/. Das offizielle Standard-Betriebssystem ist Raspberry Pi OS (früher hieß es Raspbian), eine Debian-Variante (Linux), die speziell an den RPi angepasst ist.

Das Betriebssystem muss auf der SD-Karte installiert werden. Am einfachsten geht das mit dem Programm Raspberry Pi Imager. Verwenden Sie irgendeinen Computer mit Internetzugang und SD-Kartenleser (oder USB-Eingang und passendem Adapter) und legen Sie eine Mikro-SDHC-Karte ein. Besuchen Sie die Webseite https://www.raspberrypi.org/software/ und laden Sie das Installationsprogramm für Ihren Computer herunter. Für Windows-Systeme lautet der Name so ähnlich wie imager_1.6.1.exe. Starten Sie das Installationsprogramm und installieren Sie den Raspberry Pi Imager auf Ihrem System.

Starten Sie den Raspberry Pi Imager. Wählen Sie das Betriebssystem für Ihren RPi (Raspberry Pi OS) und wählen Sie die SD-Karte. Klicken Sie dann auf die Schaltfläche Schreiben.

Setzen Sie die Hardware Ihres Systems zusammen (RPi, Tastatur, Maus, Display, SD-Karte mit dem frisch erstellten Image) und schließen Sie dann die Stromversorgung an. Auf diese Weise starten​​ Sie Ihren RPi. Er hat keinen Schalter.

Sie sehen den Desktop der grafischen Benutzungsoberfläche des Betriebssystems (Buster). Beim ersten Start erscheint in der Mitte das Anwendungsfenster eines Assistenzprogramms, das Sie durch die wichtigsten Schritte der Grundkonfiguration führt (Ländereinstellungen, Passwort, Verbindung zum WLAN etc.).

Alle Einstellungen können Sie bei Bedarf später wieder ändern.

Dazu klicken Sie oben links in der Ecke auf den Startbutton mit der Himbeere und starten Sie im Menü Einstellungen (Preferences) das Programm Raspberry Pi Konfiguration.

Eine Alternative für Freunde der Kommandozeile ist das Konfigurationsprogramm raspi-config. Sie starten es in einem LXTerminal-Fenster mit dem Kommando

sudo raspi-config

Die Oberfläche des Raspberry Pi wird gelegentlich geändert. Dieser Abschnitt beschreibt, wie sie im April 2021 aussah. Die entscheidenden Programme wird man aber auch dann finden können, wenn das Layout wieder verändert worden ist.

Am oberen Rand sehen Sie einen Streifen (Application Launch Bar​) mit einigen Funktionen, die besonders häufig gebraucht werden. Die vier wichtigsten Icons sind (von links nach rechts):

• das Startmenü, das den schnellen Zugang zu Standardsoftware ermöglicht;

• der Webbrowser Chromium;

• der Dateimanager (PCManFM);

• das LXTerminal, eine Konsole zur Eingabe von Linux-Kommandos.

sudo apt-get update
sudo apt-get dist-upgrade

pi@raspberrypi ~ $