用樹莓派控制交通紅綠燈(進(jìn)階版)

哇奧，今天才發(fā)現(xiàn)上一次建造的紅綠燈居然不對，綠燈一般在下方，當(dāng)紅燈變綠燈時(shí)黃燈閃爍，我做的是綠燈變紅燈時(shí)黃燈閃爍!。這在我們開發(fā)時(shí)也會(huì)碰到，就像找bug一樣，對于發(fā)現(xiàn)的問題要及時(shí)修正。在修正問題之前，我們還是先看看如何讓紅綠燈更快的響應(yīng)按鈕操作，然后修正紅綠燈問題。

要想更快的響應(yīng)按鈕，則需要找出原因，上一講提到因?yàn)槌绦蜻\(yùn)行時(shí)沒有及時(shí)檢測按鈕是不是被按下了，那么我們第一反應(yīng)可能是在程序中加上更多的檢測語句，但這樣程序?qū)⒆兊锰貏e臃腫，也不容易被別人理解。其實(shí)，計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)者早就考慮到了這個(gè)問題，他們利用一個(gè)叫做“中斷”的概念來對需要及時(shí)響應(yīng)的事情進(jìn)行處理。

什么是中斷

中斷是指計(jì)算機(jī)運(yùn)行過程中，出現(xiàn)某些需要及時(shí)處理時(shí)，計(jì)算機(jī)能自動(dòng)暫停正在運(yùn)行的程序并轉(zhuǎn)入處理新情況的程序，處理完畢后又返回原被暫停的程序繼續(xù)運(yùn)行。中斷發(fā)生時(shí)運(yùn)行的程序叫做中斷程序。

在我們的紅綠燈程序中，當(dāng)按鈕被按下時(shí)，我們希望計(jì)算機(jī)可以把它作為一個(gè)中斷，然后運(yùn)行中斷程序，及時(shí)修改運(yùn)行狀態(tài)。

研究gpiozero的文檔，我們發(fā)現(xiàn)Button類有一個(gè)when_pressed的方法，說明如下

意思是說當(dāng)按鈕按下時(shí)將調(diào)用一個(gè)函數(shù)（function)。那么什么是函數(shù)呢？

函數(shù)是什么

函數(shù)是可以完成某些任務(wù)的代碼塊，而且這些代碼塊可以被重復(fù)使用，就像我們玩具里的積木塊一樣。在python中，用def來定義或者說創(chuàng)建函數(shù)，其語法如下

def 函數(shù)名(參數(shù)）:     #注意最后的冒號
   函數(shù)代碼（完成工作需要的代碼）
   return 返回值      #不是必須的，當(dāng)需要向調(diào)用函數(shù)的程序返回?cái)?shù)值或?qū)ο髸r(shí)使用

函數(shù)是編程語言非常重要的一部分內(nèi)容，參數(shù)有形參和實(shí)參，參數(shù)也可以是多個(gè)，返回值可以是各種數(shù)據(jù)類型，有了函數(shù)后，變量也就分為全局 變量和局部變量了，這些內(nèi)容我們會(huì)逐步涉及到。今天我們先從最簡單的無參數(shù)函數(shù)開始，顧名思義，這樣的函數(shù)沒有參數(shù)。

創(chuàng)建參數(shù)

回過頭來看我們的紅綠燈程序，只閃爍黃燈還是正常工作取決于其中的一個(gè)變量kaiguan。

from gpiozero import LED,Button


from time import sleep


kaiguan = False   


red = LED(26)  #紅燈鏈接了GPIO26
yellow= LED(5)   #黃燈鏈接了GPIO5
green = LED(22)  #綠燈連接了GPIO22
control = Button(17) #按鈕連接了GPIO17
while True:
    if kaiguan == False:   #當(dāng)kaiguan變量為False時(shí)，黃燈閃爍
        yellow.on()
        sleep(0.5)
        yellow.off()
        sleep(0.5)
    else:          #當(dāng)kaiguan變量為True時(shí)
        green.on()   
        sleep(3)    #綠燈亮3秒
        green.off()
        yellow.on()  #黃燈亮1秒
        sleep(1)
        yellow.off()
        red.on()     #紅燈亮3秒 
        sleep(3)
        red.off()
    if control.is_pressed:  ##判斷按鈕是否被按下
            print("Pressed")
            kaiguan = bool(1-kaiguan)

所以，利用中斷，我們的需要在按鈕按下時(shí)及時(shí)改變kaiguan這個(gè)變量的數(shù)值，然后在程序中及時(shí)判斷這個(gè)值是否已經(jīng)變化了，從而作出正確的邏輯控制。

現(xiàn)在我們創(chuàng)建一個(gè)叫做changeKaiguan的函數(shù)：

def changeKaiguan():   #創(chuàng)建無參數(shù)函數(shù)：修改kaiguan變量，從而控制紅綠燈
    print("Pressed")
    global kaiguan       #kaiguan是全局變量，在主程序中已經(jīng)聲明
    kaiguan = bool(1 - kaiguan)    #取反操作
    print(kaiguan)                #打印kaiguan的數(shù)值，True或False

因?yàn)閗aiguan變量是在主函數(shù)聲明的，函數(shù)如果要使用它，需要用global關(guān)鍵字，表示它是一個(gè)全局變量 。

當(dāng)控制按鈕按下時(shí)，調(diào)用changeKaiguan函數(shù)，通過如下代碼實(shí)現(xiàn)：

control.when_pressed = changeKaiguan  #按下按鈕時(shí)調(diào)用changeKaiguan函數(shù)

注意： 這一個(gè)語句應(yīng)該在changeKaiguan函數(shù)創(chuàng)建之后才行，否則就會(huì)報(bào)變量沒有定義的錯(cuò)誤。

驗(yàn)證中斷程序

通過上面的代碼，我們創(chuàng)建了一個(gè)中斷函數(shù)，當(dāng)按鈕按下時(shí)，每次都調(diào)用changeKaiguan函數(shù)。讓我們來測試一下，完整代碼如下：

from gpiozero import LED,Button


from time import sleep


kaiguan = False   


green = LED(26)  #green燈鏈接了GPIO26
yellow= LED(5)   #黃燈鏈接了GPIO5
red = LED(22)  #red燈連接了GPIO22
control = Button(17) #按鈕連接了GPIO17




def changeKaiguan():   #創(chuàng)建無參數(shù)函數(shù)：修改kaiguan變量，從而控制紅綠燈
    print("Pressed")
    global kaiguan       #kaiguan是全局變量，在主程序中已經(jīng)聲明
    kaiguan = bool(1 - kaiguan)    #取反操作
    print(kaiguan)                #打印kaiguan的數(shù)值，True或False


control.when_pressed = changeKaiguan  #按鈕按下時(shí)調(diào)用changeKaiguan函數(shù)


while True:
    if kaiguan == False:   #當(dāng)kaiguan變量為False時(shí)，黃燈閃爍
        yellow.on()
        sleep(0.5)
        yellow.off()
        sleep(0.5)
    else:          #當(dāng)kaiguan變量為True時(shí)，
        red.on()   
        sleep(3)    #綠燈亮3秒
        red.off()
        yellow.on()  #黃燈亮1秒
        sleep(1)
        yellow.off()
        green.on()     #紅燈亮3秒 
        sleep(3)
        green.off()

運(yùn)行上面的程序，可以發(fā)現(xiàn)，無論程序運(yùn)行在那個(gè)階段，當(dāng)按下按鈕時(shí)，都可以馬上在Shell界面看到打印“Pressed"以及最新的kaiguan參數(shù)數(shù)值。

我們發(fā)現(xiàn)每次按鈕按下，都馬上進(jìn)入了中斷程序changeKaiguan，在程序中修改了kaiguan變量的值并打印了出來，當(dāng)前程序運(yùn)行在sleep還是其他語句都沒有影響。

進(jìn)階版紅綠燈程序

現(xiàn)在，是時(shí)候完成我們的進(jìn)階版程序，讓紅綠燈可以在按鈕按下后及時(shí)切換工作狀態(tài)。在此之前，我們需要調(diào)整紅綠燈連接線，把紅燈和綠燈互換位置，同時(shí)修改程序。最新的電路圖：

電路實(shí)物照片：

要修改程序，需要考慮在什么時(shí)候探測kaiguan變量值，然后作出邏輯調(diào)整，原程序紅綠燈正常工作時(shí)不能及時(shí)探測kaiguan變量才造成對按鈕的反應(yīng)遲鈍，所以需要修改這部分代碼，為了保證控制操作的完整性，我們不能在某個(gè)燈還亮著時(shí)進(jìn)行切換，需要在燈滅后進(jìn)行，所以修改如下：

from gpiozero import LED,Button


from time import sleep


kaiguan = False   


green = LED(26)  #green燈鏈接了GPIO26
yellow= LED(5)   #黃燈鏈接了GPIO5
red = LED(22)  #red燈連接了GPIO22
control = Button(17) #按鈕連接了GPIO17




def changeKaiguan():
    print("Pressed")

    global kaiguan
    kaiguan = bool(1 - kaiguan)
    print(kaiguan)



control.when_pressed = changeKaiguan


while True:
    if kaiguan == False:   #當(dāng)kaiguan變量為False時(shí)，黃燈閃爍
        yellow.on()
        sleep(0.5)
        yellow.off()
        sleep(0.5)
    else:          #當(dāng)kaiguan變量為True時(shí)，
        red.on()   
        sleep(3)    #綠燈亮3秒
        red.off()
        if kaiguan == False: #判斷kaiguan是否已經(jīng)變?yōu)镕alse，如果是，則跳出當(dāng)前操作，繼續(xù)下一個(gè)循環(huán)
            continue     #跳過下面的代碼，開始下一個(gè)循環(huán)
        yellow.on()  #黃燈亮1秒
        sleep(1)
        yellow.off()
        if kaiguan == False: #判斷kaiguan是否已經(jīng)變?yōu)镕alse，如果是，則跳出當(dāng)前操作，繼續(xù)下一個(gè)循環(huán)
            continue
        green.on()     #紅燈亮3秒 
        sleep(3)
        green.off()

運(yùn)行程序，看看是不是按我們期望的正常運(yùn)作了呢？

是的，現(xiàn)在只要我們按下按鈕，程序都可以及時(shí)切換，即使在紅燈或綠燈亮?xí)r按下按鈕，當(dāng)燈滅時(shí)也會(huì)判斷出kaiguan值變?yōu)镕alse，從而中止當(dāng)前循環(huán)，進(jìn)入下一個(gè)循環(huán)中。如此，進(jìn)階版的紅綠燈大功告成！