藍(lán)橋杯樹莓派模擬題解析一：智能燈

牟曉東

藍(lán)橋杯大賽是工信部人才交流中心舉辦的全國(guó)性專業(yè)信息技術(shù)賽事，為了更加全面和科學(xué)地評(píng)測(cè)學(xué)生的科技素養(yǎng)、邏輯思維和編程能力，從2021年的第12屆起，青少組地區(qū)選拔賽開始采用STEMA評(píng)測(cè)考試。在11～18歲青少年創(chuàng)意編程大賽的STEMA測(cè)評(píng)Raspberry Pi樹莓派-高級(jí)組中，編程題往往會(huì)被精心設(shè)置一定難度的“坑兒”，需要參賽者仔細(xì)審題并慎重作答，《電腦報(bào)》將通過(guò)解析一系列模擬題讓大家更好地理解大賽的新變化。

第一題“智能燈”（難度系數(shù)1，18個(gè)計(jì)分點(diǎn)）：

隨著科技的發(fā)展，越來(lái)越多的設(shè)備都擁有了自己的“智能”，現(xiàn)在我們就來(lái)制作一個(gè)可以自己調(diào)節(jié)亮度的“智能燈”。

硬件準(zhǔn)備：

1個(gè)光敏傳感器【接入A0#管腳】，1個(gè)LED小燈【接入5#管腳】，1個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊【接入專用接口】，杜邦線若干（公對(duì)母，母對(duì)母，公對(duì)公）

編程實(shí)現(xiàn)：

（1）程序開始時(shí)，LED燈點(diǎn)亮;

（2）當(dāng)環(huán)境光線變暗時(shí)，LED燈的亮度自動(dòng)調(diào)高變亮;

（3）當(dāng)環(huán)境光線變亮?xí)r，LED燈的亮度自動(dòng)調(diào)低變暗;

（4）如此循環(huán)。

判斷標(biāo)準(zhǔn)：

3分：實(shí)現(xiàn)“編程實(shí)現(xiàn)”中的（1）; 6分：實(shí)現(xiàn)“編程實(shí)現(xiàn)”中的（2）;

6分：實(shí)現(xiàn)“編程實(shí)現(xiàn)”中的（3）; 3分：完全符合題意。

1.審清題意，抓住關(guān)鍵點(diǎn)

“智能燈”的關(guān)鍵考點(diǎn)是“自己調(diào)節(jié)亮度”，通過(guò)光敏傳感器來(lái)監(jiān)測(cè)周圍環(huán)境的光線值范圍，作為控制信號(hào)對(duì)LED燈進(jìn)行亮度調(diào)節(jié)。

（1）光敏傳感器有兩種信號(hào)輸出：D（Digital）數(shù)字和A（Analog）模擬，本題需要使用的是模擬信號(hào)，數(shù)字信號(hào)的兩個(gè)值（0和1）無(wú)法實(shí)現(xiàn)信號(hào)的梯度大范圍變化，所以要安裝模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊。

（2）編程時(shí)對(duì)LED燈進(jìn)行“點(diǎn)亮”和“熄滅”有多種方法（包括“智能硬件”→“常用”中的“控制2號(hào)小燈亮”和“基礎(chǔ)”中的“設(shè)置GPIO2為有電”），但要實(shí)現(xiàn)亮度的明暗程度調(diào)節(jié)只能使用“基礎(chǔ)”中的“控制18號(hào)GPIO輸出PWM1000”語(yǔ)句來(lái)實(shí)現(xiàn)。PWM即“Pulse Width Modulation”，意思是“脈沖寬度調(diào)制”，在開源硬件編程中通常用來(lái)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速或LED燈的明暗程度（類似于武俠小說(shuō)中“使用三成功力”的描述）。

（3）LED燈的PWM值范圍是0-3000，而光敏傳感器所檢測(cè)到的周圍環(huán)境光線模擬值是0-32767，二者間必須要使用“映射”進(jìn)行數(shù)據(jù)比例轉(zhuǎn)換后才能去控制LED的亮度控制。

2.實(shí)驗(yàn)器材的安裝

按照題目要求，首先將一支LED燈插入擴(kuò)展板的5#管腳，特別要注意“長(zhǎng)腿為正極、短腿為負(fù)極”;然后將模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊的長(zhǎng)針腳插入IIC區(qū)域，注意標(biāo)注一定要正確對(duì)應(yīng);接著將光敏傳感器插入24號(hào)插孔，同樣要特別注意四個(gè)針腳的標(biāo)注，VCC代表電源正極，GND代表接地，模擬信號(hào)端連接的是擴(kuò)展板A0#管腳;最后，給樹莓派接通電源，啟動(dòng)操作系統(tǒng)（如圖1）。

3.編程實(shí)現(xiàn)“智能燈”

（1）進(jìn)入平臺(tái)編程環(huán)境

瀏覽器訪問http：//www.gdwrobot.cn/登錄古德微機(jī)器人平臺(tái)，點(diǎn)擊“設(shè)備控制”切換至“積木”編程區(qū)。

（2）光敏傳感器模擬信號(hào)的處理

建立變量“光線強(qiáng)度”，為其賦值為“基礎(chǔ)”中的“從ADS 0 獲取模擬信號(hào)”，因?yàn)楣饷魝鞲衅髂M信號(hào)端是插接在擴(kuò)展板24號(hào)的A0#管腳;同時(shí)，可構(gòu)建使用“輸出調(diào)試信息‘光線強(qiáng)度”語(yǔ)句，將該數(shù)據(jù)輸出顯示在LOG區(qū)。

（3）映射LED的PWM值

建立第二個(gè)變量“小燈PWM”，使用“映射數(shù)字”語(yǔ)句將“光線強(qiáng)度”的0-32767映射為自己的取值范圍：0-3000。由于中間很多數(shù)據(jù)不能整除會(huì)產(chǎn)生小數(shù)，因此需要在前面添加一個(gè)“獲取整數(shù)”模塊;同樣是為了程序調(diào)試的方便，再構(gòu)建使用“輸出調(diào)試信息‘小燈PWM”語(yǔ)句。

（4）控制LED燈的亮度

添加“控制5號(hào)GPIO輸出PWM”語(yǔ)句，其參數(shù)設(shè)置為變量“小燈PWM”，實(shí)現(xiàn)從“光線強(qiáng)度”到“小燈PWM”控制LED燈亮度的功能。

（5）其他細(xì)節(jié)

將以上語(yǔ)句全部放置于“重復(fù)當(dāng)真”的循環(huán)結(jié)構(gòu)中，同時(shí)別忘記在循環(huán)體最后添加一條“等待0.1秒”語(yǔ)句，目的是防止該循環(huán)過(guò)快，大量占用系統(tǒng)資源。另外，在循環(huán)結(jié)構(gòu)開始之前要添加“控制5號(hào)小燈亮”語(yǔ)句，實(shí)現(xiàn)題目第（1）問（程序開始時(shí)點(diǎn)亮LED燈）的要求（如圖2）。

4.運(yùn)行程序，檢測(cè)“智能燈”

點(diǎn)擊“連接設(shè)備”，出現(xiàn)五個(gè)綠色對(duì)鉤提示，說(shuō)明與樹莓派操作系統(tǒng)連接成功;接著點(diǎn)擊“運(yùn)行”按鈕，可以觀察到LED燈被點(diǎn)亮。此時(shí)，借助小擋板將光敏電阻進(jìn)行部分遮蓋（模擬環(huán)境光線變暗），LED燈的亮度開始提高，同時(shí)在LOG區(qū)也分別顯示有“光線強(qiáng)度”值（如15476、15998等）和“小燈PWM”值（如1416、1464等）（如圖3）。如果再嘗試使用手機(jī)的“手電筒”去照射光敏傳感器的話，也會(huì)觀察到LED燈的亮度會(huì)降低——需要將LED燈與光敏傳感器用擋板“隔離”（手電筒的光線會(huì)影響到對(duì)LED亮度的觀察）。

最后將程序按照要求保存為“01.txt”，下載并上傳至考試系統(tǒng)中即可。