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
- 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。
- 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。
- 再比如,从左至右,依次亮起1 个,2个,3个......
- 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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