用树莓派控制交通红绿灯(简洁版)

CHANBAEK 2023-07-02 2189

CHANBAEK

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描述

前面我们通过控制LED灯和读取按钮状态，简单演示了树莓派如何通过GPIO来与外部世界沟通。今天我们要用树莓派模拟一个控制交通的红绿灯，让大家进一步学习如何通过程序和计算机的I/O来解决实际问题。

今天要做的红绿灯是简洁版，我们今后还会讲它的进阶版（高级版）。简洁版的红绿灯有一个开关控制按钮和红黄绿三色交通控制灯。当程序启动时，只有黄灯处于闪烁状态，提醒来往车辆注意其他路口的车辆，当第一次按下按钮后，则进入红绿灯交替开关的状态，和大家日常在路口看到的类似，再次按下按钮，则重新恢复到黄灯闪烁状态。这是大部分路口自动控制红绿灯的逻辑。（如果大家不明白红绿灯相关的交规，可以咨询父母或者上网搜索，这里不说了）。

需要的元器件

本次的红绿灯需要如下的元器件

  • 开关按钮一个
  • 跳线若干，元器件连接方式不同，需要的跳线数不同，约6-10个。
  • 发光二极管(LED)三个，如果没有红黄绿三色，可以用同色LED，用LED位置表示红黄绿。
  • 1K欧姆的电阻三个
  • 面包板（可选）
  • 树莓派GPIO扩展组件（可选）

红绿灯电路

在前面控制发光二极管时，我们知道发光二极管需要连接一个1K欧姆的电阻来起到限制电流的保护作用。所以电路如下图。

GPIO

从电路可以看到，控制按钮连接了GPIO17，红色LED连接了GPIO26，黄色LED连接了GPIO5，绿色LED连接了GPIO27。

最终的元器件连接如下图：

GPIO

Python控制程序

在我们实际进行电路或程序设计时，一般都会采取循序渐进的方式，先从简单的设计开始，然后一步一步加入更复杂的逻辑，直到最终实现我们需要的效果。这在电路或程序较复杂时尤其重要。

首先，我们需要确保电路连接都是正确的，有一个简单的验证方法，在前面的发光二极管控制一讲也提到过，就是在发光二极管连接到GPIO之前，先直接连接GPIO的第一引脚，也就是3.3V的电源，此时LED会亮，则说明连接正确无误。

其次，我们要确保各器件连接了正确的GPIO引脚，因为有些GPIO引脚紧挨着（如GPIO17,27,22)，如果连接错了，也是没法成功控制电路的。按我的电路，先用下面的程序运行一下看，3个LED都应该亮1秒，灭1秒，同时按钮按下超过1秒，可以看到打印输出Pressed。

fromgpiozero import LEDfromtime import sleepred= LED(26) #红灯链接了GPIO26yellow= LED(5) #黄灯链接了GPIO5green= LED(22) #绿灯连接了GPIO22control= Button(17) #按钮连接了GPIO17whileTrue:red.on()yellow.on()green.on()ifcontrol.is_pressed:print("Pressed") #保持按钮按下超过1秒，可以看到打印输出sleep(1)#先让LED亮1秒red.off()yellow.off()green.off()sleep(1)#再让LED灭1秒
接下来我们加入更多的逻辑。只让黄灯闪烁，还是红绿灯交替控制，需要有一个变量来进行判断，因为非此即彼，所以可以把这个变量设置为布尔型（True或False)，我们把它命名为kaiguan。代码先改为如下：
fromgpiozero import LED,Buttonfromtime import sleepkaiguan= False #控制变量默认设置为False，此时黄灯闪烁red= LED(26) #红灯链接了GPIO26yellow= LED(5) #黄灯链接了GPIO5green= LED(22) #绿灯连接了GPIO22control= Button(17) #按钮连接了GPIO17whileTrue:ifkaiguan == False: #当kaiguan变量为False时，黄灯闪烁yellow.on()sleep(0.5)yellow.off()sleep(0.5)else:red.on()yellow.on()green.on()ifcontrol.is_pressed:print("Pressed")sleep(1)red.off()yellow.off()green.off()sleep(1)
运行上面的程序，可以看到黄灯闪烁，按按钮没有任何效果，因为else部分的代码永远执行不到。
接着我们加入按钮是否按下的判断逻辑，代码改为：
fromgpiozero import LED,Buttonfromtime import sleepkaiguan= Falsered= LED(26) #红灯链接了GPIO26yellow= LED(5) #黄灯链接了GPIO5green= LED(22) #绿灯连接了GPIO22control= Button(17) #按钮连接了GPIO17whileTrue:ifkaiguan == False: #当kaiguan变量为False时，黄灯闪烁yellow.on()sleep(0.5)yellow.off()sleep(0.5)else: #当kaiguan变量为True时，和原来逻辑一样red.on()yellow.on()green.on()sleep(1)red.off()yellow.off()green.off()sleep(1)ifcontrol.is_pressed: #判断按钮是否被按下print("Pressed")kaiguan= bool(1-kaiguan) #取反。
运行上面的程序，可以看到，一开始只有黄灯闪烁，当我们按下按钮时（保持按下状态直到看到Pressed被打印出来），会变成所有灯亮1秒灭1秒，再次按按钮，又会变成黄灯闪烁，如此反复。
现在看来，我们需要修改else部分的逻辑，使它实现绿灯亮3秒，然后熄灭，同时黄灯亮1秒，然后熄灭，同时红灯亮，3秒后红灯熄灭，绿灯亮，如此反复。大家也可以按自己喜好调整红绿灯的时间。最新的代码如下：
fromgpiozero import LED,Buttonfromtime import sleepkaiguan= Falsered= LED(26) #红灯链接了GPIO26yellow= LED(5) #黄灯链接了GPIO5green= LED(22) #绿灯连接了GPIO22control= Button(17) #按钮连接了GPIO17whileTrue:ifkaiguan == False: #当kaiguan变量为False时，黄灯闪烁yellow.on()sleep(0.5)yellow.off()sleep(0.5)else: #当kaiguan变量为True时green.on()sleep(3) #绿灯亮3秒green.off()yellow.on() #黄灯亮1秒sleep(1)yellow.off()red.on() #红灯亮3秒sleep(3)red.off()ifcontrol.is_pressed: ##判断按钮是否被按下print("Pressed")kaiguan= bool(1-kaiguan)
上面代码中 bool(1-kaiguan)可以实现取反的效果，也就是当kaiguan现在是True时，运算后会被改为False，如果kaiguan现在是False，则会被改为True。
运行上面的代码基本可以实现我们需要的逻辑，但是存在以下不足：
按钮不是按下后就会触发改变，而是需要多按一会，尤其是在红绿灯交替亮灭时，需要多按一会，直到屏幕输出Pressed后才会变化为黄灯闪烁。这是因为在红绿灯交替亮灭时，约7秒的时间没有检测按钮是否按下，只有这7秒的程序执行完毕后才能进入按钮检测部分的代码，可以在红灯亮了后再按，会减少按下的时间。
大家可以看看我的红绿灯电路运行起来的样子。
如何才能让按钮更灵敏，同时加入更高级的控制逻辑呢？下一次我们将在红绿灯高阶版进行介绍。

                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                               
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                               
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                               
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