Arduino教程 Lesson 4 -- 互动交通信号灯

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

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。

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. 
    
11. void setup() {
    
12.      //所有LED设置为输出模式
    
13.       pinMode(carRed, OUTPUT);
    
14.       pinMode(carYellow, OUTPUT);
    
15.       pinMode(carGreen, OUTPUT);
    
16.       pinMode(pedRed, OUTPUT);
    
17.       pinMode(pedGreen, OUTPUT);
    
18.       pinMode(button, INPUT); //按钮设置为输入模式
    
19.       digitalWrite(carGreen, HIGH); //开始时，汽车灯绿灯
    
20.       digitalWrite(pedRed, HIGH);  //行人灯为红灯
    
21. }
    
22. 
    
23. void loop() {
    
24.      int state = digitalRead(button);
    
25.      //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
    
26.      if(state == HIGH && (millis() - changeTime)> 5000){
    
27.                 //调用变灯函数
    
28.                changeLights();
    
29.        }
    
30. }
    
31. 
    
32. void changeLights() {
    
33.        digitalWrite(carGreen, LOW); //汽车绿灯灭
    
34.        digitalWrite(carYellow, HIGH); //汽车黄灯亮
    
35.        delay(2000); //等待2秒
    
36.                
    
37.        digitalWrite(carYellow, LOW); //汽车黄灯灭
    
38.        digitalWrite(carRed, HIGH); //汽车红灯亮
    
39.        delay(1000); //为安全考虑等待1秒
    
40.                
    
41.        digitalWrite(pedRed, LOW); //行人红灯灭
    
42.        digitalWrite(pedGreen, HIGH); //行人绿灯亮
    
43. 
    
44.        delay(crossTime); //等待一个通过时间
    
45.                
    
46.        //闪烁行人灯绿灯，提示可过马路时间快到
    
47.        for (int x=0; x<10; x++) {
    
48.                digitalWrite(pedGreen, HIGH);
    
49.                delay(250);
    
50.                digitalWrite(pedGreen, LOW);
    
51.                delay(250);
    
52.         }                        
    
53.         digitalWrite(pedRed, HIGH);//行人红灯亮
    
54.         delay(500);
    
55. 
    
56.         digitalWrite(carRed, LOW); //汽车红灯灭
    
57.         digitalWrite(carYellow, HIGH); //汽车黄灯亮        
    
58.         delay(1000);
    
59.         digitalWrite(carYellow, LOW); //汽车黄灯灭
    
60.         digitalWrite(carGreen, HIGH); //汽车绿灯亮
    
61. 
    
62.         changeTime = millis(); //记录自上一次灯变化的时间
    
63.         //返回到主函数循环中
    
64. }

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！




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。  

     

                     

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~



tutorials

: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