Learning Objectives
- 說明為什麼樹莓派要透過 ADC 晶片才能讀類比電壓
- 用位元數算出 ADC 的階數、每一階的電壓與量化誤差
- 把 MCP3008 接到樹莓派的 SPI 腳位，用 gpiozero 讀出讀值、比例與電壓
- 用可變電阻與光敏電阻分壓電路，做出旋鈕調光與自動夜燈
樹莓派看不懂「一半」
上一課用 PWM 讓腳位「輸出」中間值。這一課反過來：要「讀進」中間值。
旋鈕轉到哪裡、房間有多亮、土壤有多濕，這些感測器給的都是類比訊號：電壓可以是 0V 到 3.3V 之間的任何值。 樹莓派的 GPIO 只能判斷「高電位」或「低電位」，它沒有內建類比輸入，1.2V 和 2.1V 對它來說只是「低」和「高」。
這一課要回答：
- 怎麼把一個電壓變成程式拿得到的數字？
- 為什麼 10 位元的 ADC 讀值是 0～1023？每差 1 代表多少電壓？
- MCP3008 怎麼接到樹莓派，gpiozero 怎麼讀？
類比數位轉換（ADC）
類比數位轉換器（Analog-to-Digital Converter，ADC）把電壓切成固定數量的「階」，回報電壓落在第幾階。 階數由位元數決定：n 位元有 2ⁿ 階。
| 位元數 | 階數 | 讀值範圍 | 參考電壓 3.3V 時，每一階 |
|---|---|---|---|
| 8 | 256 | 0～255 | 約 12.9 mV |
| 10 | 1024 | 0～1023 | 約 3.2 mV |
| 12 | 4096 | 0～4095 | 約 0.8 mV |
MCP3008 是常用來搭配樹莓派的 ADC 晶片：10 位元、8 個輸入通道（CH0～CH7）、用 SPI 和樹莓派溝通， 工作電壓 2.7V～5.5V。資料手冊給的讀值公式是：
讀值 = 1024 × 輸入電壓 ÷ 參考電壓（VREF） 取整數，最大 1023
例：VREF = 3.3V、輸入 1.65V → 1024 × 1.65 ÷ 3.3 = 512
切成階就一定有誤差：真實的電壓是 1.6512V 還是 1.6530V，10 位元的 ADC 可能都讀成 512。 這個落差叫量化誤差，最多差不到一階。位元數越多，一階越小，誤差也越小。
SPI 接線與啟用
MCP3008 用 SPI（Serial Peripheral Interface）和樹莓派溝通。SPI 有四條訊號線：
| 訊號 | 意思 | 樹莓派腳位（BCM） | MCP3008 腳位 |
|---|---|---|---|
| SCLK | 時脈：樹莓派送出節拍 | GPIO11 | 13 CLK |
| MOSI | 樹莓派送給晶片（要讀哪個通道） | GPIO10 | 11 DIN |
| MISO | 晶片送回樹莓派（讀值） | GPIO9 | 12 DOUT |
| CE0 | 片選：選中這顆晶片 | GPIO8 | 10 CS/SHDN |
另外 MCP3008 的 16 VDD、15 VREF 接 3.3V，14 AGND、9 DGND 接 GND。可變電阻兩端接 3.3V 與 GND，中間腳接 CH0（1 號腳）。 同一組 SPI 可以接好幾顆晶片，它們共用時脈與資料線，各用自己的片選線（CE0 是 GPIO8，CE1 是 GPIO7）。
輸入電壓不要超過 VREF 與晶片的工作電壓；參考電壓接 3.3V 時，讀到 1023 就代表大約 3.3V。
樹莓派的 SPI 預設是關閉的。在終端機執行 sudo raspi-config，選 3 Interface Options → I4 SPI，回答要啟用，
或在桌面的 Control Centre 的 Interfaces 分頁打開 SPI。之後 gpiozero 就能讀：
from gpiozero import MCP3008
pot = MCP3008(channel=0) # 預設使用 SPI 0、片選 CE0
pot.raw_value # 讀值 0～1023
pot.value # 換成 0～1 的比例
pot.voltage # value × 3.3（max_voltage 預設 3.3）
逐步看：讀可變電阻
模擬的可變電阻在 2.5 秒內從 10% 轉到 90%（看電路上的數值）。每一輪讀一次讀值，再自己算出比例與電壓，對照上面的公式。
分壓：把電阻的變化變成電壓的變化
ADC 量的是電壓，可是可變電阻、光敏電阻改變的是電阻。中間的橋樑是分壓電路： 兩個電阻串聯接在 3.3V 與 GND 之間，中間點的電壓依兩個電阻的比例決定（「自造者入門」軌第 04 課會詳細算）。
- 可變電阻本身就是一個分壓器：兩端接 3.3V 與 GND，中間腳（滑片）轉到哪裡，就分到多少電壓。
- 光敏電阻越亮阻值越小。把它接在 3.3V 這一側、下面串一顆固定電阻接地，中間點接 ADC：越亮，中間點電壓越高。
讀感測器時有一個好習慣：讀一次、存進變數，再拿變數去用。pot.value 每讀一次都是一次新的轉換，
同一個 if 判斷裡讀兩次，兩次的值可能不同。
逐步看：旋鈕調光
把 ADC 的比例（0～1）直接交給 PWMLED 的 value（也是 0～1），旋鈕就成了調光器。這次模擬的旋鈕先轉到底，再轉回來一些。
逐步看：天黑自動開燈
光敏電阻分壓接在 CH1。模擬的光線先變暗再變亮。比例低於 DARK（0.3）就開燈，看程式在第 10 行往哪邊走。
小測驗：ADC 的數字
MCP3008 是 10 位元的 ADC，讀值的範圍是多少？
下面的程式會印出什麼？
raw = 512
volt = raw / 1023 * 3.3
print(round(volt, 2))
同樣參考電壓 3.3V，8 位元的 ADC 和 10 位元的 ADC 比，哪一個說法正確？
小測驗：接線與程式
MCP3008(channel=0) 預設使用哪一支腳位當作這顆晶片的片選（CE0）？
光敏電阻接 3.3V、固定電阻接 GND，中間點接 CH1。用手把光敏電阻遮住，MCP3008(channel=1).value 會怎樣？
把讀到的比例存進 level，下面的程式會印出什麼？
level = 0.25
DARK = 0.3
if level < DARK:
print("開燈")
else:
print("關燈")
重點整理
- 樹莓派沒有類比輸入，要靠 ADC 晶片把電壓變成數字；n 位元的 ADC 有 2ⁿ 階。
- MCP3008：10 位元（0～1023）、8 個通道、SPI 介面；讀值＝1024 × 輸入電壓 ÷ 參考電壓。
- SPI 四條線：SCLK（GPIO11）、MOSI（GPIO10）、MISO（GPIO9）、片選 CE0（GPIO8）；先用 raspi-config 啟用 SPI。
- gpiozero：
raw_value是整數讀值，value是 0～1 的比例，voltage是電壓；讀一次存進變數再用。 - 可變電阻、光敏電阻透過分壓電路把電阻的變化變成電壓的變化；比例 0～1 可以直接接到 PWMLED 的亮度。
下一課換另一種匯流排 I2C：只用兩條線就能接好幾個感測器，直接讀出已經換算好的溫度。