Arduino教程 04 互动交通信号灯「DFR0100」

项目三 互动交通信号灯

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

所需元件

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(我们后面会解释)。

硬件连接

按图3-1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。

输入代码

输入下面的样例代码3-1，这段代码引自《beginning-arduino》一书。

样例代码 3-1：

//项目三 -- 互动交通信号灯
int carRed = 12; //设置汽车灯
int carYellow = 11;
int carGreen = 10;
int button = 9; //按钮引脚
int pedRed = 8; //设置行人灯
int pedGreen = 7;
int crossTime = 5000;//允许行人通过的时间
unsigned long changeTime;//按钮按下后的时间

void setup() {
        //所有LED设置为输出模式
                pinMode(carRed, OUTPUT);
                pinMode(carYellow, OUTPUT);
                pinMode(carGreen, OUTPUT);
                pinMode(pedRed, OUTPUT);
        pinMode(pedGreen, OUTPUT);
        pinMode(button, INPUT); //按钮设置为输入模式
        digitalWrite(carGreen, HIGH); //开始时，汽车灯绿灯
                digitalWrite(pedRed, LOW);  //行人灯为红灯
}

void loop() {
                int state = digitalRead(button);
                //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
if(state == HIGH && (millis() - changeTime)> 5000){
          //调用变灯函数
          changeLights();
}
}

void changeLights() {
                digitalWrite(carGreen, LOW); //汽车绿灯灭
                digitalWrite(carYellow, HIGH); //汽车黄灯亮
                delay(2000); //等待2秒

                digitalWrite(carYellow, LOW); //汽车黄灯灭
                digitalWrite(carRed, HIGH); //汽车红灯亮
        delay(1000); //为安全考虑等待1秒

                digitalWrite(pedRed, LOW); //行人红灯灭
                digitalWrite(pedGreen, HIGH); //行人绿灯亮

                delay(crossTime); //等待一个通过时间

                //闪烁行人灯绿灯，提示可过马路时间快到
                for (int x=0; x<10; x++) {
                                digitalWrite(pedGreen, HIGH);
                                delay(250);
                                digitalWrite(pedGreen, LOW);
                                delay(250);
}                        
                digitalWrite(pedRed, HIGH);//行人红灯亮
                delay(500);

                digitalWrite(carRed, LOW); //汽车红灯灭
                digitalWrite(carYellow, HIGH); //汽车黄灯亮        
                delay(1000);
                digitalWrite(carYellow, LOW); //汽车黄灯灭
digitalWrite(carGreen, HIGH); //汽车绿灯亮

                        changeTime = millis(); //记录自上一次灯变化的时间
                        //返回到主函数循环中
}

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，像项目2的课后作业那样，这样一来可能会方便你理解程序。

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：

unsigned long changeTime;

这是一个新的变量类型。我们之前，只创建过int整型变量，它可以存放一个-32768到32767之间的整数。这次要创建的是一个long的变量类型，它可以存放一个-2147483648到2147483647之间的整数。而unsigned long数据类型，则不存储负数，所以存储的范围就从0到4294967295.

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（32768毫秒约为32秒），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。你可以用笔算下，这个变量最大能存储的数，时间可达49天。

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:

pinMode(button, INPUT);

pinMode()函数我们已经很熟悉了，在项目一的时候就介绍过，只是和LED有所不同的是，按钮要设置为INPUT。

在setup()函数中，先给定行人灯和汽车灯的一个初始状态:

digitalWrite(carGreen, HIGH); //开始时，汽车灯绿灯digitalWrite(pedRed, LOW); //行人灯为红灯
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:

int state = digitalRead(button);

变量这个盒子无限大吗？

那么，有人会问为什么有些变量类型可以存储很大的数，而有些变量类型不行呢？这是由变量类型所占的存储空间决定的。就拿我们前面讲变量的时候举过得例子，变量好像好比用来放东西的盒子，那不同类型的变量想象成不同大小的盒子，int的盒子比unsigned long的盒子小，所以放的东西当然少啦！这样解释是不是比较容易理解这个概念呢？

那又有人问，设置不同大小的盒子干嘛呢？一样大不就行啦，都设置的大一点。理论上没有什么不可以的，可是我们不能忽略一个问题，那就是微控制器的内部存储容量是有限定的。电脑有内存，我们的微控制器同样有内存。像Arduino UNO板上的用的主芯片Atmega328最大内存是32K。所以，我们要尽量的少用存储空间，能不用则不用。

下表列出了程序中可能用到的变量数据类型:

数据类型	RAM	范围
boolean (布尔型)	1 byte	0 ~ 1（True 或False）
char（字符型）	1 byte	-128 ~ 127
unsigned char（无符号字符型）	1 byte	0~255
int（整型）	2 byte	-32768 ~ 32768
unsigned int（整型）	2 byte	0 ~ 65535
long（长整型）	4 byte	-2147483648 ~ 2147483647
unsigned long（无符号长整型）	4 byte	0 ~ 4294967295
boolean (布尔型)	1 byte	0 ~ 1（True 或False）
float（单精度浮点型）	4 byte	-3.4028235E38 ~ 3.4028235E38
double（单精度浮点型）	4 byte	-3.4028235E38 ~ 3.4028235E38

从上面表格可以看到，变量的类型有很多，不同的数对应不同的变量，int和long是针对整数变 量，char是针对字符型变量，而float，double是针对含有小数点的变量。

此时，一个新函数出现——digitalRead()!

这个函数是用来读取数字引脚状态，HIGH还是LOW(其实HIGH还有一种表达就是“1”，LOW是 “0”，只是HIGH/LOW更直观)。函数需要一个传递参数 --pin，这里需要读取是按键信号，按键所在引脚是数字引脚9，由于前面做了声明，所以这里用 button。

并且把读到的信号传递给变量state，用于后面进行判断。state为 HIGH或者说为1时，说明按键被按下了。state为LOW或者0，表明按键没被按下。

所以，可以直接检查state的值来判断按钮是否被按下:

if(state == HIGH && (millis() - changeTime)> 5000) {
     //调用变灯函数
     changeLights();

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。

(millis() - changeTime)> 5000)

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。变量changeTime初始化时，不存储任何数值，只有在Arduino运行之后，将millis()值赋给它，它才开始有数值，并且随着millis()值变化而变化。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：

changeLights();

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。该函数是void型，所以是无返回值、无传递参数的函数。当函数被调用时，程序也就自动跳到它的函数中运行。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。

逻辑运算符

前面说到的&&是一个逻辑运算符，常用的逻辑运算符有：

• &&  —— 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）

硬件回顾

按键开关

按键一共有4个引脚，图3-2分别显示了正面与背面。而图3-3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。

图3-4传达的意思是，按钮就是起到一个通断的作用。在我们这个项目中，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）。

什么是下拉电阻？

下拉电阻这个名词可能比较抽象，就从字的含义着手，“下拉”我们就理解为把电压往下拉，降低电压。

按键作为开关。当输入电路状态为HIGH的时候，电压要尽可能接近5V。输入电路状态为LOW的时候，电压要尽可能接近0V。如果不能确保状态接近所需电压，这部分电路就会产生电压浮动。所以，我们在按钮那里接了一个电阻来确保一定达到LOW，这个电阻就是所谓下拉电阻。

可以从上面两张图看到，第一张是未接下拉电阻的电路，按键没被按下时， input引脚就处于一个悬空状态。空气会使该引脚电压产生浮动，不能确保是0V。然而第二张是接了下拉电阻的电路，当没被按下时，输入引脚通过电阻接地，确保为0V，不会产生电压浮动现象。

课后作业

1. 选择任意颜色LED 6个，做一个流水灯的效果，6盏灯从左至右依次点亮，然后再从右至左依次熄灭。
   
2. 如果上面那个你已经完成了的话，可以尝试一下，先从中间的灯开始亮起，依次向两边扩开。下图是个变换过程的示意图。
   
3. 再比如，从左至右，依次亮起1 个，2个，3个......
   
4. 再结合按钮，用按键开关和LED互动。(提供供参考教程)
   用两个按键，一个控制灯亮，另一个控制灯灭。 http://learn.adafruit.com/adafruit-arduino-lesson-6-digital-inputs?view=all
   玩儿法有很多，就全靠你的想象了!

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1115332213 发表于 2015-7-12 23:19
我想问下楼主，为什么我的这段代码不能实现间隔5秒才可改变红灯的颜色啊。因为只要机动车的灯一亮红，我立 ...

你的flag=low在设置函数里，所以后面loop函数里的if语句，不管条件是不是满足，不管执不执行if里的（ flag = LOW;）你的flag都等于low，所以不管什么情况都会执行下一个if语句，会一直调用函数changeState

Jane 发表于 2014-1-7 18:48
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

我在if前面加了一个自动正常换灯的程序，但是if的按钮程序就不管用了（我去掉了if的计时器和时间要求）。是我漏了什么吗？或者是int state要放在哪里才对？

globerman 发表于 2020-4-3 15:07
请教一下，在
void loop() {
     int state = digitalRead(button);

不能，因为loop是循环函数，把这个语句放在loop里是为了不停的读取按钮，放在外面就只能读取不了按钮，因为程序在loop函数里循环执行呢

:D好用心的发帖、。

谢谢分享！:)

:P

非常详细，有空试一下。

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

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~:D

为什么按键开关要接地

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

谢谢分享！

midpoint 发表于 2014-12-20 11:04
谢谢分享！

:)

Jane老师的帖子都是非常用心去写的，怒赞！

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？

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

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~

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？

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

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

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。

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。

顶一个