Analoge Sensoren am Raspberry Pi mit nur einem GPIO-Pin auslesen

Das Problem

Anders als viele Mikrocontroller bietet der Raspberry Pi ausschließlich digitale GPIO-Pins. Diese können High (3,3 V) und Low (0 V) Pegel schalten oder einlesen, aber keine analogen Spannungen direkt messen. Glücklicherweise ermöglicht eine einfache RC-Ladetechnik das Auslesen variabler Widerstandssensoren wie LDRs und Thermistoren mit nur einem einzigen GPIO-Pin.

Funktionsprinzip

In einem klassischen RC-Glied sind ein Widerstand und ein Kondensator in Reihe geschaltet. Wird eine Spannung angelegt, steigt die Kondensatorspannung exponentiell an. Die Zeit, bis 63 % der Versorgungsspannung erreicht sind, ergibt sich aus der Zeitkonstante t = R × C, wobei t die Zeit in Sekunden, R der Widerstand in Ohm und C die Kapazität in Farad ist. Indem man misst, wie lange der Kondensator braucht, um den High-Pegel-Schwellwert des GPIO (≈ 2 V bei 3,3 V Pi) zu erreichen, erhält man einen Wert proportional zum Sensorwiderstand – und damit zur gemessenen physikalischen Größe.

Beispiel: Mit 10 kΩ Widerstand und 1 µF Kondensator beträgt die Zeitkonstante 10 ms. Ein LDR mit 1 MΩ im Dunkeln liefert ca. 1 s – Licht und Dunkelheit lassen sich so problemlos unterscheiden.

Praktische Umsetzung

Um einen definierten Widerstand zwischen 3,3 V-Versorgung und GPIO-Pin zu gewährleisten, schaltet man einen 2,2 kΩ Widerstand in Reihe zum LDR. Der vollständige Messablauf:

• Kondensator entladen: GPIO als Ausgang konfigurieren und auf Low ziehen.
• Ladevorgang starten: GPIO als Eingang umschalten. Strom fließt durch das Widerstandsnetzwerk in den Kondensator, dessen Spannung ansteigt.
• Anstiegszeit messen: Einen Zähler (oder High-Resolution-Timer) inkrementieren, bis der GPIO High (≈ 2 V) liest. Die verstrichene Zeit entspricht der RC-Zeitkonstante des Sensors.
• Wiederholen: GPIO wieder auf Ausgang, Low ziehen und für kontinuierliches Monitoring wiederholen.

Für detailliertere Anleitungen siehe die offizielle Raspberry Pi GPIO-Dokumentation und den Wikipedia-Artikel zum RC-Glied. Ein Online-RC-Zeitkonstanten-Rechner hilft bei der Auswahl passender Bauteilwerte für Ihren Sensorbereich.