用树莓派控制交通红绿灯(简洁版)

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。

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：

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。

from gpiozero import LED


from time import sleep


red = LED(26)  #红灯链接了GPIO26
yellow= LED(5)   #黄灯链接了GPIO5
green = LED(22)  #绿灯连接了GPIO22
control = Button(17) #按钮连接了GPIO17
while True:
    red.on()
    yellow.on()
    green.on()
    if control.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：

from gpiozero import LED,Button


from time import sleep


kaiguan = 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GPIO26
yellow= LED(5)   #黄灯链接了GPIO5
green = LED(22)  #绿灯连接了GPIO22
control = Button(17) #按钮连接了GPIO17
while True:
    if kaiguan == 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()
        if control.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：

from gpiozero import LED,Button


from time import sleep


kaiguan = False   


red = LED(26)  #红灯链接了GPIO26
yellow= LED(5)   #黄灯链接了GPIO5
green = LED(22)  #绿灯连接了GPIO22
control = Button(17) #按钮连接了GPIO17
while True:
    if kaiguan == 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)
    if control.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：

from gpiozero import LED,Button


from time import sleep


kaiguan = False   


red = LED(26)  #红灯链接了GPIO26
yellow= LED(5)   #黄灯链接了GPIO5
green = LED(22)  #绿灯连接了GPIO22
control = Button(17) #按钮连接了GPIO17
while True:
    if kaiguan == 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()
    if control.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。