用樹莓派控制交通紅綠燈(簡(jiǎn)潔版)

前面我們通過(guò)控制LED燈和讀取按鈕狀態(tài)，簡(jiǎn)單演示了樹莓派如何通過(guò)GPIO來(lái)與外部世界溝通。今天我們要用樹莓派模擬一個(gè)控制交通的紅綠燈，讓大家進(jìn)一步學(xué)習(xí)如何通過(guò)程序和計(jì)算機(jī)的I/O來(lái)解決實(shí)際問(wèn)題。

今天要做的紅綠燈是簡(jiǎn)潔版，我們今后還會(huì)講它的進(jìn)階版（高級(jí)版）。簡(jiǎn)潔版的紅綠燈有一個(gè)開關(guān)控制按鈕和紅黃綠三色交通控制燈。當(dāng)程序啟動(dòng)時(shí)，只有黃燈處于閃爍狀態(tài)，提醒來(lái)往車輛注意其他路口的車輛，當(dāng)?shù)谝淮伟聪掳粹o后，則進(jìn)入紅綠燈交替開關(guān)的狀態(tài)，和大家日常在路口看到的類似，再次按下按鈕，則重新恢復(fù)到黃燈閃爍狀態(tài)。這是大部分路口自動(dòng)控制紅綠燈的邏輯。（如果大家不明白紅綠燈相關(guān)的交規(guī)，可以咨詢父母或者上網(wǎng)搜索，這里不說(shuō)了）。

需要的元器件

本次的紅綠燈需要如下的元器件

• 開關(guān)按鈕一個(gè)
• 跳線若干，元器件連接方式不同，需要的跳線數(shù)不同，約6-10個(gè)。
• 發(fā)光二極管(LED)三個(gè)，如果沒有紅黃綠三色，可以用同色LED，用LED位置表示紅黃綠。
• 1K歐姆的電阻三個(gè)
• 面包板（可選）
• 樹莓派GPIO擴(kuò)展組件（可選）

紅綠燈電路

在前面控制發(fā)光二極管時(shí)，我們知道發(fā)光二極管需要連接一個(gè)1K歐姆的電阻來(lái)起到限制電流的保護(hù)作用。所以電路如下圖。

從電路可以看到，控制按鈕連接了GPIO17，紅色LED連接了GPIO26，黃色LED連接了GPIO5，綠色LED連接了GPIO27。

最終的元器件連接如下圖：

Python控制程序

在我們實(shí)際進(jìn)行電路或程序設(shè)計(jì)時(shí)，一般都會(huì)采取循序漸進(jìn)的方式，先從簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)開始，然后一步一步加入更復(fù)雜的邏輯，直到最終實(shí)現(xiàn)我們需要的效果。這在電路或程序較復(fù)雜時(shí)尤其重要。

首先，我們需要確保電路連接都是正確的，有一個(gè)簡(jiǎn)單的驗(yàn)證方法，在前面的發(fā)光二極管控制一講也提到過(guò)，就是在發(fā)光二極管連接到GPIO之前，先直接連接GPIO的第一引腳，也就是3.3V的電源，此時(shí)LED會(huì)亮，則說(shuō)明連接正確無(wú)誤。

其次，我們要確保各器件連接了正確的GPIO引腳，因?yàn)橛行〨PIO引腳緊挨著（如GPIO17,27,22)，如果連接錯(cuò)了，也是沒法成功控制電路的。按我的電路，先用下面的程序運(yùn)行一下看，3個(gè)LED都應(yīng)該亮1秒，滅1秒，同時(shí)按鈕按下超過(guò)1秒，可以看到打印輸出Pressed。

from gpiozero import LED


from time import sleep


red = LED(26)  #紅燈鏈接了GPIO26
yellow= LED(5)   #黃燈鏈接了GPIO5
green = LED(22)  #綠燈連接了GPIO22
control = Button(17) #按鈕連接了GPIO17
while True:
    red.on()
    yellow.on()
    green.on()
    if control.is_pressed:
        print("Pressed")   #保持按鈕按下超過(guò)1秒，可以看到打印輸出
    sleep(1)
    #先讓LED亮1秒
    red.off()
    yellow.off()
    green.off()
    sleep(1)
    #再讓LED滅1秒

接下來(lái)我們加入更多的邏輯。只讓黃燈閃爍，還是紅綠燈交替控制，需要有一個(gè)變量來(lái)進(jìn)行判斷，因?yàn)榉谴思幢?，所以可以把這個(gè)變量設(shè)置為布爾型（True或False)，我們把它命名為kaiguan。代碼先改為如下：

from gpiozero import LED,Button


from time import sleep


kaiguan = False   #控制變量默認(rèn)設(shè)置為False，此時(shí)黃燈閃爍


red = LED(26)  #紅燈鏈接了GPIO26
yellow= LED(5)   #黃燈鏈接了GPIO5
green = LED(22)  #綠燈連接了GPIO22
control = Button(17) #按鈕連接了GPIO17
while True:
    if kaiguan == False:   #當(dāng)kaiguan變量為False時(shí)，黃燈閃爍
        yellow.on()
        sleep(0.5)
        yellow.off()
        sleep(0.5)
    else:
        red.on()
        yellow.on()
        green.on()
        if control.is_pressed:
            print("Pressed")
        sleep(1)
        red.off()
        yellow.off()
        green.off()


        sleep(1)

運(yùn)行上面的程序，可以看到黃燈閃爍，按按鈕沒有任何效果，因?yàn)閑lse部分的代碼永遠(yuǎn)執(zhí)行不到。

接著我們加入按鈕是否按下的判斷邏輯，代碼改為：

from gpiozero import LED,Button


from time import sleep


kaiguan = False   


red = LED(26)  #紅燈鏈接了GPIO26
yellow= LED(5)   #黃燈鏈接了GPIO5
green = LED(22)  #綠燈連接了GPIO22
control = Button(17) #按鈕連接了GPIO17
while True:
    if kaiguan == False:   #當(dāng)kaiguan變量為False時(shí)，黃燈閃爍
        yellow.on()
        sleep(0.5)
        yellow.off()
        sleep(0.5)
    else:             #當(dāng)kaiguan變量為True時(shí)，和原來(lái)邏輯一樣
        red.on()
        yellow.on()
        green.on()

        sleep(1)
        red.off()
        yellow.off()
        green.off()


        sleep(1)
    if control.is_pressed:  #判斷按鈕是否被按下
            print("Pressed")
            kaiguan = bool(1-kaiguan)    #取反。

運(yùn)行上面的程序，可以看到，一開始只有黃燈閃爍，當(dāng)我們按下按鈕時(shí)（保持按下狀態(tài)直到看到Pressed被打印出來(lái)），會(huì)變成所有燈亮1秒滅1秒，再次按按鈕，又會(huì)變成黃燈閃爍，如此反復(fù)。

現(xiàn)在看來(lái)，我們需要修改else部分的邏輯，使它實(shí)現(xiàn)綠燈亮3秒，然后熄滅，同時(shí)黃燈亮1秒，然后熄滅，同時(shí)紅燈亮，3秒后紅燈熄滅，綠燈亮，如此反復(fù)。大家也可以按自己喜好調(diào)整紅綠燈的時(shí)間。最新的代碼如下：

from gpiozero import LED,Button


from time import sleep


kaiguan = False   


red = LED(26)  #紅燈鏈接了GPIO26
yellow= LED(5)   #黃燈鏈接了GPIO5
green = LED(22)  #綠燈連接了GPIO22
control = Button(17) #按鈕連接了GPIO17
while True:
    if kaiguan == False:   #當(dāng)kaiguan變量為False時(shí)，黃燈閃爍
        yellow.on()
        sleep(0.5)
        yellow.off()
        sleep(0.5)
    else:          #當(dāng)kaiguan變量為True時(shí)
        green.on()   
        sleep(3)    #綠燈亮3秒
        green.off()
        yellow.on()  #黃燈亮1秒
        sleep(1)
        yellow.off()
        red.on()     #紅燈亮3秒 
        sleep(3)
        red.off()
    if control.is_pressed:  ##判斷按鈕是否被按下
            print("Pressed")
            kaiguan = bool(1-kaiguan)

上面代碼中 bool(1-kaiguan)可以實(shí)現(xiàn)取反的效果，也就是當(dāng)kaiguan現(xiàn)在是True時(shí)，運(yùn)算后會(huì)被改為False，如果kaiguan現(xiàn)在是False，則會(huì)被改為True。

運(yùn)行上面的代碼基本可以實(shí)現(xiàn)我們需要的邏輯，但是存在以下不足：

按鈕不是按下后就會(huì)觸發(fā)改變，而是需要多按一會(huì)，尤其是在紅綠燈交替亮滅時(shí)，需要多按一會(huì)，直到屏幕輸出Pressed后才會(huì)變化為黃燈閃爍。這是因?yàn)樵诩t綠燈交替亮滅時(shí)，約7秒的時(shí)間沒有檢測(cè)按鈕是否按下，只有這7秒的程序執(zhí)行完畢后才能進(jìn)入按鈕檢測(cè)部分的代碼，可以在紅燈亮了后再按，會(huì)減少按下的時(shí)間。

大家可以看看我的紅綠燈電路運(yùn)行起來(lái)的樣子。

如何才能讓按鈕更靈敏，同時(shí)加入更高級(jí)的控制邏輯呢？下一次我們將在紅綠燈高階版進(jìn)行介紹。