用树莓派控制交通红绿灯(进阶版)

CHANBAEK 2023-07-02 1934

描述

哇奥，今天才发现上一次建造的红绿灯居然不对，绿灯一般在下方，当红灯变绿灯时黄灯闪烁，我做的是绿灯变红灯时黄灯闪烁!。这在我们开发时也会碰到，就像找bug一样，对于发现的问题要及时修正。在修正问题之前，我们还是先看看如何让红绿灯更快的响应按钮操作，然后修正红绿灯问题。

要想更快的响应按钮，则需要找出原因，上一讲提到因为程序运行时没有及时检测按钮是不是被按下了，那么我们第一反应可能是在程序中加上更多的检测语句，但这样程序将变得特别臃肿，也不容易被别人理解。其实，计算机设计者早就考虑到了这个问题，他们利用一个叫做“中断”的概念来对需要及时响应的事情进行处理。

什么是中断

中断是指计算机运行过程中，出现某些需要及时处理时，计算机能自动暂停正在运行的程序并转入处理新情况的程序，处理完毕后又返回原被暂停的程序继续运行。中断发生时运行的程序叫做中断程序。

在我们的红绿灯程序中，当按钮被按下时，我们希望计算机可以把它作为一个中断，然后运行中断程序，及时修改运行状态。

研究gpiozero的文档，我们发现Button类有一个when_pressed的方法，说明如下

意思是说当按钮按下时将调用一个函数（function)。那么什么是函数呢？

函数是什么

函数是可以完成某些任务的代码块，而且这些代码块可以被重复使用，就像我们玩具里的积木块一样。在python中，用def来定义或者说创建函数，其语法如下

def 函数名(参数）:     #注意最后的冒号
   函数代码（完成工作需要的代码）
   return 返回值      #不是必须的，当需要向调用函数的程序返回数值或对象时使用

函数是编程语言非常重要的一部分内容，参数有形参和实参，参数也可以是多个，返回值可以是各种数据类型，有了函数后，变量也就分为全局变量和局部变量了，这些内容我们会逐步涉及到。今天我们先从最简单的无参数函数开始，顾名思义，这样的函数没有参数。

创建参数

回过头来看我们的红绿灯程序，只闪烁黄灯还是正常工作取决于其中的一个变量kaiguan。

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)

所以，利用中断，我们的需要在按钮按下时及时改变kaiguan这个变量的数值，然后在程序中及时判断这个值是否已经变化了，从而作出正确的逻辑控制。

现在我们创建一个叫做changeKaiguan的函数：

def changeKaiguan():   #创建无参数函数：修改kaiguan变量，从而控制红绿灯
    print("Pressed")
    global kaiguan       #kaiguan是全局变量，在主程序中已经声明
    kaiguan = bool(1 - kaiguan)    #取反操作
    print(kaiguan)                #打印kaiguan的数值，True或False

因为kaiguan变量是在主函数声明的，函数如果要使用它，需要用global关键字，表示它是一个全局变量。

当控制按钮按下时，调用changeKaiguan函数，通过如下代码实现：

control.when_pressed = changeKaiguan  #按下按钮时调用changeKaiguan函数

注意： 这一个语句应该在changeKaiguan函数创建之后才行，否则就会报变量没有定义的错误。

验证中断程序

通过上面的代码，我们创建了一个中断函数，当按钮按下时，每次都调用changeKaiguan函数。让我们来测试一下，完整代码如下：

from gpiozero import LED,Button


from time import sleep


kaiguan = False   


green = LED(26)  #green灯链接了GPIO26
yellow= LED(5)   #黄灯链接了GPIO5
red = LED(22)  #red灯连接了GPIO22
control = Button(17) #按钮连接了GPIO17




def changeKaiguan():   #创建无参数函数：修改kaiguan变量，从而控制红绿灯
    print("Pressed")
    global kaiguan       #kaiguan是全局变量，在主程序中已经声明
    kaiguan = bool(1 - kaiguan)    #取反操作
    print(kaiguan)                #打印kaiguan的数值，True或False


control.when_pressed = changeKaiguan  #按钮按下时调用changeKaiguan函数


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，
        red.on()   
        sleep(3)    #绿灯亮3秒
        red.off()
        yellow.on()  #黄灯亮1秒
        sleep(1)
        yellow.off()
        green.on()     #红灯亮3秒 
        sleep(3)
        green.off()

运行上面的程序，可以发现，无论程序运行在那个阶段，当按下按钮时，都可以马上在Shell界面看到打印“Pressed"以及最新的kaiguan参数数值。

我们发现每次按钮按下，都马上进入了中断程序changeKaiguan，在程序中修改了kaiguan变量的值并打印了出来，当前程序运行在sleep还是其他语句都没有影响。

进阶版红绿灯程序

现在，是时候完成我们的进阶版程序，让红绿灯可以在按钮按下后及时切换工作状态。在此之前，我们需要调整红绿灯连接线，把红灯和绿灯互换位置，同时修改程序。最新的电路图：

电路实物照片：

要修改程序，需要考虑在什么时候探测kaiguan变量值，然后作出逻辑调整，原程序红绿灯正常工作时不能及时探测kaiguan变量才造成对按钮的反应迟钝，所以需要修改这部分代码，为了保证控制操作的完整性，我们不能在某个灯还亮着时进行切换，需要在灯灭后进行，所以修改如下：

from gpiozero import LED,Button


from time import sleep


kaiguan = False   


green = LED(26)  #green灯链接了GPIO26
yellow= LED(5)   #黄灯链接了GPIO5
red = LED(22)  #red灯连接了GPIO22
control = Button(17) #按钮连接了GPIO17




def changeKaiguan():
    print("Pressed")

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



control.when_pressed = changeKaiguan


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，
        red.on()   
        sleep(3)    #绿灯亮3秒
        red.off()
        if kaiguan == False: #判断kaiguan是否已经变为False，如果是，则跳出当前操作，继续下一个循环
            continue     #跳过下面的代码，开始下一个循环
        yellow.on()  #黄灯亮1秒
        sleep(1)
        yellow.off()
        if kaiguan == False: #判断kaiguan是否已经变为False，如果是，则跳出当前操作，继续下一个循环
            continue
        green.on()     #红灯亮3秒 
        sleep(3)
        green.off()

运行程序，看看是不是按我们期望的正常运作了呢？

是的，现在只要我们按下按钮，程序都可以及时切换，即使在红灯或绿灯亮时按下按钮，当灯灭时也会判断出kaiguan值变为False，从而中止当前循环，进入下一个循环中。如此，进阶版的红绿灯大功告成！

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