使用樹莓派Pico實(shí)現(xiàn)交通燈控制程序

微控制器（MCU）幾乎存在于你日常使用的所有電子產(chǎn)品中，例如交通燈。交通燈在控制器的作用下，控制器確保整個交通網(wǎng)絡(luò)保持順暢。

雖然構(gòu)建大型交通管理系統(tǒng)是一個非常高級的項(xiàng)目，但構(gòu)建由樹莓派 Pico 驅(qū)動的微型模擬器本身就很簡單。通過這個項(xiàng)目，你將看到如何控制多個 LED，設(shè)置不同的時 間，以及如何在程序的其余部分繼續(xù)運(yùn)行時監(jiān)控一個按鈕輸入，使用一種稱為線程的技術(shù)。

搭建這個項(xiàng)目，你需要：
– 樹莓派 Pico
– 面包板
– 紅色、黃色、綠色的 LED
– 330Ω 電阻 3 個
– 一個有源蜂鳴器
– 一組公對公跳線
– microUSB 數(shù)據(jù)線

將 Pico 連接到樹莓派或其他運(yùn)行 Thonny MicroPython IDE 的計(jì)算機(jī)。

簡易的交通燈

首先用面包板搭建一個簡單的紅綠燈系統(tǒng)電路，如圖所示。拿起你的紅色LED燈，把紅色 LED 插到面包板上，讓它跨過中間的分割線。使用一個 330Ω 電阻和跳線串連到 Pico 上。其中，LED 較長的腳和電阻連接，較短的腳和 Pico 的 GND 引腳通過跳線連通。

黃色和綠色的 LED 也類似處理，但使用的 Pico 引腳不同，參考圖片所示。

啟動 Thonny。創(chuàng)建一個新的程序，然后開始導(dǎo)入 machine 庫，以便你可以控制你的 GPIO 引腳：

import machine

你還需要導(dǎo)入 utime 庫，以便你可以在亮燈與滅燈之間添加延遲：

import utime

在你控制你 Pico 的 GPIO 口的任何程序里，在使用前都你將需要對它進(jìn)行設(shè)置：

led_red = machine.Pin(15, machine.Pin.OUT)
led_amber = machine.Pin(14, machine.Pin.OUT)
led_green = machine.Pin(13, machine.Pin.OUT)

這些線將 GP15、GP14 和 GP13 引腳設(shè)置為輸出，每個引腳都有一個述性的名稱，以便于代碼通俗易懂。

真正的紅綠燈不會一閃而過然后停下來，它們會不停地開著，即使那里不塞車，但為了讓你 的程序?qū)崿F(xiàn)類似的效果，你需要建立一個無限循環(huán)：

while True:

下面的每一行都需要縮進(jìn)四個空格，這樣 MicroPython 就知道它們是循環(huán)的一部分：

led_red.value(1)
utime.sleep(5)
led_amber.value(1)
utime.sleep(2)
led_red.value(0)
led_amber.value(0)
led_green.value(1)
utime.sleep(5)
led_green.value(0)
led_amber.value(1)
utime.sleep(5)
led_amber.value(0)

單擊 Run 并將程序保存到 Pico 中，文件名為 Traffic_Lights.py。觀察 LED，首先紅色的 LED 燈會亮起來，告訴交通停止；接下來，黃色 LED 將會亮起，警告司機(jī)信號燈即將改變；接下來，兩個 LED 都關(guān)閉，綠色 LED 亮起，讓車輛知道它可以通過；然后綠色的 LED 熄滅，黃色的 LED 亮起來，警告司機(jī)信號燈又要變了；最后，黃色 LED 熄滅，回路從開始重新啟動，紅色 LED 亮起。

這個顯示狀態(tài)會一直循環(huán)直到你按下停止按鈕，因?yàn)樗纬闪艘粋€無限循環(huán)。它是基于現(xiàn)實(shí) 世界中英國交通控制系統(tǒng)中使用的交通燈模式。

然而，真正的紅綠燈不僅僅是道路車輛的紅綠燈，它們也在那里保護(hù)行人，讓他們有機(jī)會安全 地穿過繁忙的道路。在英國，最常見的類型這些燈被稱為行人操作用戶友好型智能交叉口。行人要過馬路的時候手動按下按鈕，蜂鳴器發(fā)出提示讓行人過馬路。

要實(shí)現(xiàn)這個功能，需要兩樣?xùn)|西：一個按鈕開關(guān)，這樣行人就可以要求車燈讓他們過馬路；一個蜂鳴器，讓行人知道什么時候輪到他們穿越馬路。將這些連接到你的面包板，如圖所示。

開關(guān)通過面包板連接 Pico 的 GP16 和 3V3 上，蜂鳴器則連接 GP12 和 GND 上。

如果你再次運(yùn)行你的程序，你會發(fā)現(xiàn)按鈕和蜂鳴器沒有什么反應(yīng)。那是因?yàn)槟氵€沒有告訴你的 程序如何使用它們。在 Thonny 中，請返回編輯控制 LED 的行，并在下面添加以下兩條新行：

button = machine.Pin(16, machine.Pin.IN, machine.Pin.PULL_DOWN)
buzzer = machine.Pin(12, machine.Pin.OUT)

程序?qū)⒁_ GP16 上的按鈕設(shè)置為輸入模式，控制蜂鳴器引腳的引腳 GP12 上的設(shè)置為輸出。請記住，Pico 有內(nèi)置的可編程電阻的輸入，我們?yōu)楸緯械捻?xiàng)目設(shè)置為下拉模式。這 意味著引腳的電壓被拉到 0V（它的邏輯電平是0），除非它連接到 3.3V 電源（在這種情況下，它 的邏輯電平將是1，直到斷開）。

接下來，你需要一種方法來讓程序不斷監(jiān)控按鈕的價值。以前，你的所有程序都通過一系列說 明一步一步地工作，一次只做一件事。你的紅綠燈程序同樣，當(dāng)它運(yùn)行時，MicroPython 會一步一步地瀏覽你的指示，打開和關(guān)閉 LED。

對于一套基本的紅綠燈，這就足夠了。不過，對于設(shè)置了行人手動按鈕的交叉口，你的程序需要能夠記錄按鈕是否以不中斷紅綠燈的方式按下。要做到這一點(diǎn)，你需要使用到一個新的庫：_thread。返回到程序的開始部分，在那里你導(dǎo)入 machine 和 utime 庫，并導(dǎo)入 _thread 庫：

import _thread

線程實(shí)際上是一個小的、部分獨(dú)立的程序。你可以將前面編寫的控制燈的循環(huán)視為程序的主線程，并使用 _thread 庫創(chuàng)建一個同時運(yùn)行的額外線程。

可視化線程的簡單方法是將每個線程都想象成廚房里的獨(dú)立人員，當(dāng)廚師準(zhǔn)備主菜時，其 他人正在制作醬汁。目前，你的程序只有一個線程：控制紅綠燈的線程。然而，為 Pico 提供算力的 RP2040 微控制器有兩個處理核心，意思是，就像廚房中的廚師和副廚師一樣，你可以同時運(yùn)行兩個線程來完成更多的工作。

在制作另一個線程之前，你需要一種方法讓新線程將信息傳回主線程，并且你可以使用全局 變量做到這一點(diǎn)。在此之前，你一直在處理的變量稱為局部變量，并且僅在程序的一個部分工作：一個全局變量在任何地方都有效，這意味著一個線程可以更改值，另一個線程可以檢查它是否已更改。

首先，你需要創(chuàng)建一個全局變量。在 buzzer = 這行下面，添加以下內(nèi)容：

global button_pressed
button_pressed = False

這將把 button_pressed 設(shè)置為一個全局變量，并給它一個默認(rèn)值 False，意思是當(dāng)程序啟動時，按鈕還沒有被按下。下一步是定義線程，通過添加下面的行讓程序更具有可讀性：

def button_reader_thread():
global button_pressed
while True:
if button.value() == 1:
button_pressed = True

添加的第一行定義了線程，并給它一個名稱來述它的用途：讀取按鈕輸入的線程。就像在編寫 循環(huán)時，MicroPython 需要將線程中包含的所有內(nèi)容縮進(jìn) 4 個空格，這樣它就知道線程從哪里開始和結(jié)束。

下一行讓 MicroPython 知道你將更改全局 button_pressed 變量的值。如果你只想檢查該值，則不需要這一行—但是沒有這一行，你就不能對變量進(jìn)行任何更改。

接下來，你設(shè)置了一個新的循環(huán)，這意味著接下來需要一個新的四空格縮進(jìn)，總共是八個縮進(jìn)，這樣 MicroPython 就知道循環(huán)是線程的一部分，下面的代碼也是循環(huán)的一部分。這個嵌套代碼在多個水平 MicroPython 縮進(jìn)是很常見的。

下一行是一個條件語句，用于檢查按鈕的值是否為 1。因?yàn)?Pico 使用一個內(nèi)部下拉電 阻，當(dāng)按鈕沒有被按下時，讀取的值是 0，表示在條件下的代碼永遠(yuǎn)不會運(yùn)行。只有當(dāng)按鈕被按下時，線程的最后一行才會運(yùn)行：這一行將 button_pressed 變量設(shè)置為 True，讓程序的其余部分知道按鈕已被按下。

你可能注意到，在線程中沒有任何東西可以將 button_pressed 變量重置回當(dāng)按鈕被按下后 釋放時為 False。這是有原因的，雖然你可以在交通燈周期的任何時候按下過馬路的按鈕，但它只有在交通燈變紅、你可以安全過馬路時才會生效。你的新線程需要做的就是在按鈕被按下時改變變量；當(dāng)行人安全過馬路時，主線程會將其重置為 False。

定義一個線程并不會使它自動運(yùn)行，可以在程序中的任何地方啟動一個線程，并且需要明確地告訴 _thread 庫何時啟動線程。與運(yùn)行普通代碼不同，運(yùn)行線程不會停止程序的其余部分，當(dāng)線程啟動時，MicroPython 將繼續(xù)運(yùn)行程序的下一行。

在你的線程下面新建一行，刪除所有 Thonny 為你自動添加的縮進(jìn)，如下所示：

_thread.start_new_thread(button_reader_thread, ())

這告訴 _thread 庫啟動前面定義的線程。此時，線程將開始運(yùn)行，并迅速進(jìn)入循環(huán)：每秒檢查按鈕數(shù)千次，看它是否被按下。與此同時，主線程將繼續(xù)執(zhí)行程序的主要部分。

現(xiàn)在點(diǎn)擊 Run 按鈕。你會看到交通燈和以前一樣，沒有延遲或停頓。但是，如果你按下按鈕，什么也不會發(fā)生，因?yàn)槟氵€沒有添加代碼來實(shí)際響應(yīng)按鈕。

轉(zhuǎn)到你的主循環(huán)的開始，在 True: 的正下方，添加以下代碼：記住要注意嵌套縮進(jìn):

if button_pressed == True:
  led_red.value(1)
  for i in range(10):
    buzzer.value(1)
    utime.sleep(0.2)
    buzzer.value(0)
    utime.sleep(0.2)
  global button_pressed
  button_pressed = False

這段代碼檢查 button_pressed 全局變量，以查看自上次循環(huán)運(yùn)行以來，按鈕開關(guān)是否在任何時候被按下。如果有，就像你之前的按鈕閱讀線程報(bào)告的那樣，它開始運(yùn)行一段代碼，首先打開紅色 LED 燈來阻止交通，然后蜂鳴器響十次——讓行人知道該過馬路了。

最后，最后兩行將 button_pressed 變量重置為 False，因此下次循環(huán)運(yùn)行時，除非再次按下按鈕，否則不會觸發(fā)行人過馬路代碼。你將看到，在條件語句中不需要使用 global button_pressed 來檢查變量的狀態(tài)；只有當(dāng)你想要更改變量并使該更改影響程序的其他部 分時，才需要使用它。

最終程序如下：

import machine
import utime
import _thread


led_red = machine.Pin(15, machine.Pin.OUT)
led_amber = machine.Pin(14, machine.Pin.OUT)
led_green = machine.Pin(13, machine.Pin.OUT)
button = machine.Pin(16, machine.Pin.IN, machine.Pin.PULL_DOWN)
buzzer = machine.Pin(12, machine.Pin.OUT)


global button_pressed
button_pressed = False


def button_reader_thread():
  global button_pressed
  while True:
    if button.value() == 1:
      button_pressed = True


_thread.start_new_thread(button_reader_thread, ())


while True:
  if button_pressed == True:
    led_red.value(1)
    for i in range(10):
      buzzer.value(1)
      utime.sleep(0.2)
      buzzer.value(0)
      utime.sleep(0.2)


    global button_pressed
    button_pressed = False


led_red.value(1)
utime.sleep(5)
led_amber.value(1)
utime.sleep(2)
led_red.value(0)
led_amber.value(0)
led_green.value(1)
utime.sleep(5)
led_green.value(0)
led_amber.value(1)
utime.sleep(5)
led_amber.value(0)

點(diǎn)擊 Run 圖標(biāo)。首先，程序?qū)⒄＿\(yùn)行，交通燈將按照通常的模式亮和關(guān)。按下按鈕開關(guān)：如果程序當(dāng)前在它的循環(huán)過程中，在到達(dá)終點(diǎn)并再次循環(huán)之前不會發(fā)生任何事情，這時紅燈會變亮，蜂鳴器會提示你可以在道路上安全通過了。

過馬路的時候按下按鈕，紅燈保持點(diǎn)亮，蜂鳴器響 10 次。之后蜂鳴器不再響了，紅燈仍然亮著，所以任何在蜂鳴器發(fā)出時開始過馬路的人 都有時間在車輛允許通行之前到達(dá)另一邊。

恭喜你！你已經(jīng)建立了你自己的海雀交叉口！