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Arduino教程 Lesson 4 -- 互动交通信号灯

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该教程实验平台:Arduino入门套件
上一篇教程:Arduino教程 Lesson 3 -- 做一个S.O.S求救信号灯

简单回顾下Lesson 3的内容:

  • for循环语句的使用
  • x++是什么意思?

有没有试着做上面那个课后作业呢?做出来的话,说明你已经基本掌握上面所学的东西了,如果不会也没关系,我相信,看完这个章节,前面那个问题就不攻自破了!我们这回就基于上面这个交通灯来进行一个拓展,增加一种行人按键请求通过马路的功能。当按钮被按下时,Arduino会自动反应,改变交通灯的状态,让车停下,允许行人通过。

这个项目中,我们开始要实现Arduino的互动了,也会在代码学习到如何创建自己的函数。这次的代码相对长一点,耐下心来,等看完这一章,相信你能收获不少!

我们之后在所需元件中将不再重复罗列以下三样,UNO、扩展板+面包板、跳线。但是!每次都还是需要用到的。

STEP1: 所需元件
L4-1.png
这里5个LED灯,为什么会用到了6个电阻呢?我们知道5个电阻是LED的限流电阻。还有一个电阻是给按钮的,它叫做下拉电阻


STEP2: 硬件连接

按下图的连线图连接你的电路。特别要注意的是,这次连线比较多,注意不要插错。下图中,面包板上标出淡绿色的不是跳线,只是为了说明纵向的孔导通,避免你插错。给Arduino上电前认真检查你的接线是否正确。在连线时,保持电源是断开的状态,也就是没有插USB线。


互动交通信号灯.png


STEP 3: 输入代码打开Arduino IDE,输入下面这段代码。
  1. //项目三 -- 互动交通信号灯
  2. int carRed = 12; //设置汽车灯
  3. int carYellow = 11;
  4. int carGreen = 10;
  5. int button = 9; //按钮引脚
  6. int pedRed = 8; //设置行人灯
  7. int pedGreen = 7;
  8. int crossTime = 5000;//允许行人通过的时间
  9. unsigned long changeTime;//按钮按下后的时间

  10. void setup() {
  11.      //所有LED设置为输出模式
  12.       pinMode(carRed, OUTPUT);
  13.       pinMode(carYellow, OUTPUT);
  14.       pinMode(carGreen, OUTPUT);
  15.       pinMode(pedRed, OUTPUT);
  16.       pinMode(pedGreen, OUTPUT);
  17.       pinMode(button, INPUT); //按钮设置为输入模式
  18.       digitalWrite(carGreen, HIGH); //开始时,汽车灯绿灯
  19.       digitalWrite(pedRed, HIGH);  //行人灯为红灯
  20. }

  21. void loop() {
  22.      int state = digitalRead(button);
  23.      //检测按钮是否被按下,并且是否距上次按下后有5秒的等待时间
  24.      if(state == HIGH && (millis() - changeTime)> 5000){
  25.                 //调用变灯函数
  26.                changeLights();
  27.        }
  28. }

  29. void changeLights() {
  30.        digitalWrite(carGreen, LOW); //汽车绿灯灭
  31.        digitalWrite(carYellow, HIGH); //汽车黄灯亮
  32.        delay(2000); //等待2秒
  33.                
  34.        digitalWrite(carYellow, LOW); //汽车黄灯灭
  35.        digitalWrite(carRed, HIGH); //汽车红灯亮
  36.        delay(1000); //为安全考虑等待1秒
  37.                
  38.        digitalWrite(pedRed, LOW); //行人红灯灭
  39.        digitalWrite(pedGreen, HIGH); //行人绿灯亮

  40.        delay(crossTime); //等待一个通过时间
  41.                
  42.        //闪烁行人灯绿灯,提示可过马路时间快到
  43.        for (int x=0; x<10; x++) {
  44.                digitalWrite(pedGreen, HIGH);
  45.                delay(250);
  46.                digitalWrite(pedGreen, LOW);
  47.                delay(250);
  48.         }                        
  49.         digitalWrite(pedRed, HIGH);//行人红灯亮
  50.         delay(500);

  51.         digitalWrite(carRed, LOW); //汽车红灯灭
  52.         digitalWrite(carYellow, HIGH); //汽车黄灯亮        
  53.         delay(1000);
  54.         digitalWrite(carYellow, LOW); //汽车黄灯灭
  55.         digitalWrite(carGreen, HIGH); //汽车绿灯亮

  56.         changeTime = millis(); //记录自上一次灯变化的时间
  57.         //返回到主函数循环中
  58. }
复制代码
下载完成后,可以尝试按下按钮。看看是个什么的效果?我们可以看到整个变化过程是这样的——开始时,汽车灯为绿灯,行人灯为红灯,代表车行人停。一旦行人,也就是你,按下按钮,请求过马路,那么行人灯就开始由红变绿,汽车灯由绿变黄,变红。在行人通行的过程中,设置了一个过马路的时间crossTime,一旦到点,行人绿灯开始闪烁,提醒行人快速过马路。闪烁完毕,最终,又回到了开始的状态,汽车灯为绿灯,行人灯为红灯。

整段代码看起来很复杂,其实理清一下思路并不难。如果你还是没有办法理不清里面变化关系的话,可以试着画一个示意图,像Lesson 3的课后作业那样,这样一来可能会方便你理解程序。


STEP 4: 代码回顾

通过前面两个项目,你应该能够理解这个代码的大部分内容。代码开始是一串的变量的声明,在声明中,出现了一个新名词。这里就解释一下这个新名词:
  1. unsigned long changeTime;
复制代码
这是一个新的变量类型。我们之前,只创建过int整型变量。这次要创建的是一个long的变量类型,它可以存放更大的数。而unsigned long表示不存储负数。

如果我们使用一个int型的话,信号灯状态变化的时间,它只能存储最大32秒(int决定的),一旦出现变量溢出就会造成程序运行出现错误,所以,为了避免这样的情况,要选用能存储更大数的一个变量,并且不为负,我们就可以考虑使用unsigned long型。算了下,这个变量最大能存储的数累计时间可达49天。


怎么理解这个变量呢?我们做个这样的比方,变量好比一个盒子,盒子的空间用来存放东西的,想要放的东西一定要比盒子小,那样才放的下,否则会溢出。变量也是一样,你存储的数据一定要在变量的范围内,否则会出现溢出。所以也就是为什么我们这里要用unsigned long,而不用int的原因。变量开始如果没有赋初值的话,默认从0开始。(对变量类型如果感兴趣可以查看该网页中的Data Types部分)


随即进入setup()函数,对LED和按钮进行一些设置,在设置时,需要注意到的是:
  1. pinMode(button, INPUT);
复制代码
pinMode()函数我们已经很熟悉了,在LESSON 1的时候就介绍过,只是和LED有所不同的是,按钮要设置为INPUT


简单说下,我理解的INPUT和OUTPUT。
我是这么理解的,INPUT是输入的信号,是外部往控制器输入信号的。可以理解为像键盘,鼠标,他们都是给电脑(控制器)输入信号的。比如按钮,它就是典型的 INPUT模式,它需要我们按下按键后,控制器才能接收到外部给它的指令。
而OUTPUT是往外输出信号的。可以理解为电脑的显示屏,它是电脑往外输出信号的。这是就为什么LED使用OUTPUT,它闪烁的过程就是向外部发出信号的过程。我们之后会用到的蜂鸣器(一个会发出声音的玩意儿),也是典型的OUTPUT。


在setup()函数中,先给定行人灯和汽车灯的一个初始状态:
  1. digitalWrite(carGreen, HIGH); //开始时,汽车灯绿灯
  2. digitalWrite(pedRed, LOW);    //行人灯为红灯
复制代码

进入到的主程序中的第一句,就是来检测button(引脚9)的状态的:

  1. int state = digitalRead(button);
复制代码
此时,一个新函数出现了——digitalRead()!


digitalRead(pin)函数
Arduino官方:digitalRead()

pinMode()与digitalWrite()、digitalRead()的关系
一开始总是在什么时候用digitalWrite(),什么时候又该用digitalRead()中迷惑。后来我自己把自己给说服了,我是这么理解它们的关系,前面说了INPUT和OUTPUT的区别。digitalWrite和digitalRead是基于这个的基础上说的。有了前面设置的INPUT,才能有后面的ditialRead。有了外部数据的输入,才存在控制器对输入数据的读取。同样,OUTPUT对应的后面要用digitalWrite。既然需要向外部输出信号,那么首先控制器要给它先写入信号啊——digitalWrite!我不知道有没有把他们之间的关系讲清楚,但愿说清楚了。。

我列了这么个表便于初学者参考吧!

L4-2.png


好了,digitalRead后就是对按键的值进行判断了。
  1. if(state == HIGH && (millis() - changeTime)> 5000) {
  2.                 //调用变灯函数
  3.                 changeLights();
  4. }
复制代码
这里涉及新的语句-- if语句。if语句是一种条件判断的语句,判断是否满足括号内的条件,如满足则执行花括号内的语句,如不满足则跳出if语句。


if语句格式如下:
if(表达式){
    语句;
}


表达式是指我们的判断条件,通常为一些关系式或逻辑式,也可是直接表示某一数值。如果if表达式条件为真,则执行if中的语句。表达式条件为假,则跳出if语句。

我们代码中,第一个条件是state变量为HIGH。如果按键被按下,state就会变为HIGH。第二个条件是millis()的值减changeTime的值大于5000。这两个条件之间有个“&&”符号。这是一种逻辑运算符,表示的含义是两者同时满足。

常用的一些逻辑运算符有

  • && ——  逻辑与  (两者同时满足)
  • ||     ——  逻辑或  (两者其中一个满足)
  • !   ——  逻辑非  (取反,相反的情况)

  1. (millis() - changeTime)> 5000)
复制代码
millis()函数用法
millis()是一个函数,该函数是Arduino语言自有的函数,它返回值是一个时间,Arduino开始运行到执行到当前的时间,也称之为机器时间,就像一个隐形时钟,从控制器开始运行的那一刻起开始计时,以毫秒为单位。

这里是,通过millis()函数不断记录时间,判断两次按键之间的时间是不是大于5秒,如果在5秒之内不予反应。这样做的目的是,防止重复按键而导致的运行错误。

if语句内只有一个函数:
  1. changeLights();
复制代码
这是一个函数调用的例子。该函数单独写在了loop()函数之外。我们需要使用的时,直接写出函数名就可以实现调用了。运行完之后,再跳回主函数。需要特别注意的:函数调用时,函数名后面的括号不能省,要和所写的函数保持一致。changeLights() 函数内部就不做说明了。



STEP5: 硬件回顾

按键开关

按键一共有4个引脚,下面分别显示了正面与背面。而再下面一张则说明了按键的工作原理。一旦按下后,左右两侧就被导通了,而上下两端始终导通。  
     
L4-3.png                       按键示意图.png

图示.png

上图传达的意思是,按钮就是起到一个通断的作用。在我们这个,按钮控制数字引脚是否接高(接5V)。按下的话,数字引脚9就能检测到为高电平。否则就是保持一个低电平的状态(接GND)。
下一篇教程:
Arduino教程 Lesson 5 -- 呼吸灯


如有写的不对,也望各位大仙批评指正~
如果有没看懂的,当然也欢迎回帖啦~



Holiday  初级技匠

发表于 2014-1-8 13:41:59

好用心的发帖、。
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xj123306351  学徒

发表于 2014-1-11 20:12:40

谢谢分享!
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lvyangyang1314  学徒

发表于 2014-6-10 11:31:48

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htp  高级技匠

发表于 2014-6-23 11:24:00

非常详细,有空试一下。
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青云山馒头神  学徒

发表于 2014-6-24 20:07:39

程序有个地方弄反了,刚开始行人灯的红灯应该是HIGH,楼主写的是LOW
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Jane  管理员
 楼主|

发表于 2014-6-25 10:32:36

青云山馒头神 发表于 2014-6-24 20:07
程序有个地方弄反了,刚开始行人灯的红灯应该是HIGH,楼主写的是LOW

谢谢提醒~
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翻滚的魔方  初级技师

发表于 2014-8-29 21:46:03

为什么按键开关要接地
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Jane  管理员
 楼主|

发表于 2014-9-1 09:59:55

翻滚的魔方 发表于 2014-8-29 21:46
为什么按键开关要接地

是呀 常态接地,按下接5V
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midpoint  见习技师

发表于 2014-12-20 11:04:59

谢谢分享!
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Jane  管理员
 楼主|

发表于 2014-12-28 15:45:14

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Youyou  初级技匠

发表于 2014-12-28 18:14:57

Jane老师的帖子都是非常用心去写的,怒赞!
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半水  见习技师

发表于 2015-1-27 20:25:38

Jane 发表于 2014-9-1 09:59
是呀 常态接地,按下接5V

按下接5V为什么啊?
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Jane  管理员
 楼主|

发表于 2015-1-28 10:12:46

半水 发表于 2015-1-27 20:25
按下接5V为什么啊?

按下和5V导通,测得的就是高电平。没有按下的时候,接地,测得是低电平
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半水  见习技师

发表于 2015-1-29 10:01:59

Jane 发表于 2014-9-1 09:59
是呀 常态接地,按下接5V

接引脚不行吗?引脚常态也是5V~
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Jane  管理员
 楼主|

发表于 2015-1-29 10:10:50

半水 发表于 2015-1-29 10:01
接引脚不行吗?引脚常态也是5V~

你是直接让引脚输出高电平,是这个意思吗?
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Jane  管理员
 楼主|

发表于 2015-1-29 10:11:20

半水 发表于 2015-1-29 10:01
接引脚不行吗?引脚常态也是5V~

你怎么接线的,拍张照片看得清楚点
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半水  见习技师

发表于 2015-1-29 20:58:43

Jane 发表于 2015-1-29 10:10
你是直接让引脚输出高电平,是这个意思吗?

是的,直接让引脚输入高电平。因为我记得入门教程里讲到给LED灯接的引脚就是5V。
但我自己试验了一下,给按钮使用引脚输入,是不行的。不知道为什么,同样都是5V
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Jane  管理员
 楼主|

发表于 2015-1-30 11:09:44

半水 发表于 2015-1-29 20:58
是的,直接让引脚输入高电平。因为我记得入门教程里讲到给LED灯接的引脚就是5V。
但我自己试验了一下,给 ...

那可能是电流不够,虽然有电压,电流不够也是不行的。
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Mr.why  见习技师

发表于 2015-2-1 11:28:21

Q1:“(millis()-changeTime)”这句判断连续按两次按钮时间必须大于5秒的解释不准确,而是信号灯重新变绿后至少要亮5s(这期间连续按键时间小于5s不予反应),之后再继续调用changeLights函数。
Q2:如果不按按钮,信号灯应该正常工作写个else分支,由绿变红变黄——绿变红变黄——。。。如何在进入else语句后判断btn情况,再break掉,进入changeLight函数。
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a920496044  见习技师

发表于 2015-2-12 21:21:15

本帖最后由 a920496044 于 2015-2-12 21:31 编辑

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