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.. _py_bubble_level:

7.12 デジタル水平器
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`水平器 <https://ja.wikipedia.org/wiki/水準器>`_ は、面が水平（レベル）か垂直（垂直）かを示すための計測器具です。大工、石工、レンガ職人、他の建築関連の作業者、測量士、精密機械工、そして一部の写真やビデオ作業にも使用されるさまざまな種類の水平器があります。

ここでは、MPU6050と8x8 LEDマトリックスを使用してデジタル水平器を作成します。MPU6050を傾けると、LEDマトリックス上のバブルも傾きます。

**必要なコンポーネント**

このプロジェクトで必要なコンポーネントは以下の通りです。

一式をまとめて購入する方が便利です。リンクはこちら：

.. list-table::
    :widths: 20 20 20
    :header-rows: 1

    *   - 名前	
        - このキットに含まれるアイテム
        - リンク
    *   - ケプラーキット	
        - 450+
        - |link_kepler_kit|

以下のリンクから個別にも購入できます。

.. list-table::
    :widths: 5 20 5 20
    :header-rows: 1

    *   - SN
        - コンポーネント	
        - 数量
        - リンク

    *   - 1
        - :ref:`cpn_pico_w`
        - 1
        - |link_picow_buy|
    *   - 2
        - Micro USBケーブル
        - 1
        - 
    *   - 3
        - :ref:`cpn_breadboard`
        - 1
        - |link_breadboard_buy|
    *   - 4
        - :ref:`cpn_wire`
        - いくつか
        - |link_wires_buy|
    *   - 5
        - :ref:`cpn_dot_matrix`
        - 1
        - 
    *   - 6
        - :ref:`cpn_74hc595`
        - 2
        - |link_74hc595_buy|
    *   - 7
        - :ref:`cpn_mpu6050`
        - 1
        - 

**回路図**

|sch_bubble_level|

MPU6050は、各方向の加速度値を取得し、姿勢角を計算します。
その結果、プログラムは、2つの74HC595チップからのデータに基づいて、ドットマトリックス上に2x2のドットを描画します。
姿勢角が変わると、プログラムは74HC595チップに異なるデータを送信し、ドットの位置が変わり、バブル効果が生まれます。

**配線**

|wiring_digital_bubble_level|

**コード**

.. note::

    * ``kepler-kit-main/micropython`` フォルダの ``7.12_digital_bubble_level.py`` ファイルを開いて実行するか、このコードをThonnyにコピーして「Run Current Script」をクリック、またはF5キーを押して実行してください。

    * 右下の角にある「MicroPython（Raspberry Pi Pico）」のインタープリターを選択することを忘れないでください。

    * 詳細なチュートリアルは、 :ref:`open_run_code_py` を参照してください。
    * ここでは ``imu.py`` と ``vector3d.py`` が必要です。Pico Wにアップロードされているかどうか確認してください。詳細なチュートリアルは :ref:`add_libraries_py` を参照してください。

.. code-block:: python

    import machine
    from machine import I2C, Pin
    import time
    import math
    from imu import MPU6050

    # Initialize I2C communication with MPU6050 sensor
    i2c = I2C(1, sda=Pin(6), scl=Pin(7), freq=400000)
    mpu = MPU6050(i2c)

    # Function to calculate the distance between two points
    def dist(a, b):
        return math.sqrt((a * a) + (b * b))

    # Function to calculate rotation along the y-axis
    def get_y_rotation(x, y, z):
        radians = math.atan2(x, dist(y, z))
        return -math.degrees(radians)

    # Function to calculate rotation along the x-axis
    def get_x_rotation(x, y, z):
        radians = math.atan2(y, dist(x, z))
        return math.degrees(radians)

    # Function to get the current angles from the MPU6050 sensor
    def get_angle():
        y_angle = get_y_rotation(mpu.accel.x, mpu.accel.y, mpu.accel.z)
        x_angle = get_x_rotation(mpu.accel.x, mpu.accel.y, mpu.accel.z)
        return x_angle, y_angle

    # Initialize shift register pins for controlling the LED matrix
    sdi = machine.Pin(18, machine.Pin.OUT)
    rclk = machine.Pin(19, machine.Pin.OUT)
    srclk = machine.Pin(20, machine.Pin.OUT)

    # Function to shift data into the shift register
    def hc595_in(dat):
        for bit in range(7, -1, -1):
            srclk.low()
            time.sleep_us(30)
            sdi.value(1 & (dat >> bit))
            time.sleep_us(30)
            srclk.high()

    # Function to output the data from the shift register to the LED matrix
    def hc595_out():
        rclk.high()
        time.sleep_us(200)
        rclk.low()

    # Function to display a glyph (8x8 matrix) on the LED matrix
    def display(glyph):
        for i in range(0, 8):
            hc595_in(glyph[i])
            hc595_in(0x80 >> i)
            hc595_out()

    # Convert a 2D matrix to a glyph that can be displayed on the LED matrix
    def matrix_2_glyph(matrix):
        glyph = [0 for i in range(8)]
        for i in range(8):
            for j in range(8):
                glyph[i] += matrix[i][j] << j
        return glyph

    # Clamp a value between a specified minimum and maximum
    def clamp_number(val, min_val, max_val):
        return min_val if val < min_val else max_val if val > max_val else val

    # Map a value from one range to another
    def interval_mapping(x, in_min, in_max, out_min, out_max):
        return (x - in_min) * (out_max - out_min) / (in_max - in_min) + out_min

    # Calculate the position of the bubble in the matrix based on the MPU6050 readings
    sensitivity = 4  # Sensitivity of the bubble movement
    matrix_range = 7  # The matrix size is 8x8, so the range is 0-7
    point_range = matrix_range - 1  # Bubble's position should be between 0 and 6

    # Function to calculate the position of the bubble based on sensor data
    def bubble_position():
        y, x = get_angle()  # Get the current rotation angles
        x = int(clamp_number(interval_mapping(x, 90, -90, 0 - sensitivity, point_range + sensitivity), 0, point_range))
        y = int(clamp_number(interval_mapping(y, -90, 90, point_range + sensitivity, 0 - sensitivity), 0, point_range))
        return [x, y]

    # Drop the bubble (represented by turning off 2x2 LEDs) into the matrix
    def drop_bubble(matrix, bubble):
        matrix[bubble[0]][bubble[1]] = 0
        matrix[bubble[0] + 1][bubble[1]] = 0
        matrix[bubble[0]][bubble[1] + 1] = 0
        matrix[bubble[0] + 1][bubble[1] + 1] = 0
        return matrix

    # Main loop
    while True:
        matrix = [[1 for i in range(8)] for j in range(8)]  # Create an empty matrix (all LEDs on)
        bubble = bubble_position()  # Get the current bubble position based on sensor data
        matrix = drop_bubble(matrix, bubble)  # Drop the bubble into the matrix
        display(matrix_2_glyph(matrix))  # Display the matrix on the LED grid
        time.sleep(0.1)  # Add a small delay to slow down updates


プログラムを実行した後、ブレッドボードを水平な面に置いてください。
LEDマトリックスの中央にドットが表示されます（中央にない場合は、MPU6050が水平でない可能性があります）。
ブレッドボードを傾けると、ドットも傾けた方向に動きます。