樹莓派滑桿映射操控“流水燈帶”

牟曉東

對于許多經(jīng)常進行開源硬件編程的中小學創(chuàng)客而言，具備扎實的學科知識是入門的基礎技能，比如算法的設計與程序代碼調(diào)試、物理電學部分基礎理論和一定的實驗動手能力等等。通常從一個創(chuàng)意的設想到實驗過程的設計，再到圖形化或Python代碼編程的運行測試，以及最終的實驗改進與程序升級，每個環(huán)節(jié)幾乎都離不開各種知識的綜合應用。以樹莓派滑桿映射操控“流水燈帶”為例，需要設計者對模數(shù)轉(zhuǎn)換器、滑桿傳感器和燈帶等設備比較熟悉，同時又要具備一定的數(shù)學知識應用（比如數(shù)字范圍的映射、取整等），最終實現(xiàn)燈帶隨滑桿所處的不同位置而點亮對應不同數(shù)量燈珠的動態(tài)“流水”效果。

實驗器材包括樹莓派和古德微擴展板各一塊，滑桿傳感器模塊一個，WS281x燈帶一條，ADS1115模數(shù)轉(zhuǎn)換器一個，杜邦線若干。

首先，將古德微擴展板正確安裝于樹莓派上，并且將模數(shù)轉(zhuǎn)換器插入擴展板的Up引腳列;接著，通過杜邦線將滑桿的VCC端、GND端和OTB（或OTA）端分別連接至擴展板24號引腳的VCC端、GND端和A0模擬端，再將燈帶的起始端插入18號引腳，注意三根引線的標注要正確對應;最后，給樹莓派連接數(shù)據(jù)線，通電啟動操作系統(tǒng)（如圖1）。

登錄進入古德微機器人“積木”界面，開始圖形化編程。

首先對燈帶進行初始化設置，從“智能硬件”—“燈帶”中找到“設置GPIO”模塊，將參數(shù)設置為燈帶與擴展板連接的引腳號18，并且將可控制燈珠的個數(shù)設置為60，亮度為50;然后建立一個“重復當‘真’”的循環(huán)結(jié)構(gòu)，將變量滑桿值賦值為從A0模擬端獲取的滑桿位置數(shù)據(jù)進行“先映射、后取整”，因為其原始數(shù)據(jù)范圍是從0到32767，而燈帶的燈珠數(shù)量是60（編號為從0到59），所以要進行數(shù)據(jù)范圍的重新映射;對映射后得到的數(shù)據(jù)再進行“取整”處理，目的是防止出現(xiàn)非整數(shù)而不能正確對應編號為整數(shù)范圍的燈珠序號;接著再建立一個循環(huán)結(jié)構(gòu)，變量i的初值為0，終值為變量滑桿值，步長為1，執(zhí)行的操作是設置燈帶的前i個燈珠顏色均為紅色，注意一定要添加“燈帶刷新顯示”模塊;為了實現(xiàn)燈帶燈珠發(fā)光后再隨滑桿的滑動而動態(tài)顯示滑桿的對應位置，需要再添加一個循環(huán)結(jié)構(gòu)來完成熄滅剛剛點亮的所有燈珠功能，對應的RGB值均設置為0即可;最后，在循環(huán)結(jié)構(gòu)中添加一條“等待0.01秒”的延時等待模塊（如圖2）。

程序編寫完畢后，點擊“保存”按鈕將程序保存為“滑桿映射操控‘流水燈帶’”;點擊“連接設備”后再點擊“運行”按鈕（記得打開LOG調(diào)試區(qū)），此時調(diào)節(jié)滑桿的位置，燈帶上就會亮起對應位置的紅燈，同時會在調(diào)試區(qū)顯示有滑桿值。比如當滑桿處于大約中間位置時，調(diào)試區(qū)會顯示數(shù)字29（或30），此時也會亮起30個發(fā)紅光的燈珠;多次測試均會實現(xiàn)滑桿映射操控“流水燈帶”的效果（如圖3）。

通過Windows的“遠程桌面連接”登錄進入樹莓派操作系統(tǒng)，打開IDE開始Python代碼編程。

首先，仍是導入相關的庫模塊并進行初始化設置：為了防止出現(xiàn)“SyntaxError： Non-ASCII character ‘＼xe5’ in file”之類的編碼提示錯誤，建議先添加一行“# -*- coding： utf-8 -*-”代碼;導入模數(shù)轉(zhuǎn)換器庫模塊：“import Adafruit_ADS1x15”，導入能夠控制燈帶的rpi_ws281x 庫：“import rpi_ws281x as ws”，導入時間庫：“import time”;然后，新建變量adc生成模數(shù)轉(zhuǎn)換器的具體實例：“adc = Adafruit_ADS1x15.ADS1115（）”;新建變量LED_COUNT和LED_PIN，分別賦值為60和18，對應標準燈帶的60個燈珠數(shù)量和連接擴展板的引腳號18;創(chuàng)建燈帶對象strip并進行實例化：“strip = ws.PixelStrip（LED_COUNT，LED_PIN）”，將變量LED_COUNT和LED_PIN的數(shù)據(jù)作為參數(shù)傳遞進去;“strip.begin（）”代碼的作用是對燈帶進行初始化。

接著，建立一個“while 1：”循環(huán)結(jié)構(gòu)，通過變量Sliding_Bar來實現(xiàn)從A0模擬端讀取滑桿位置數(shù)據(jù)，為其賦值為：“adc.read_adc（0， gain=1）”;再新建變量numbers，賦值為“int（Sliding_Bar/547）”，完成從0-32767范圍到0-59范圍的映射及取整（其中的547作為除數(shù)的目的是將32767映射為59，等等），并且將變量Sliding_Bar和numbers通過print（）均打印輸出;再建立一個點亮對應數(shù)量燈珠的for循環(huán)，在range（）函數(shù)中將終值設置為變量numbers，循環(huán)語句為“strip.setPixelColor（i，ws.Color（0，255，0））”，作用是設置對應燈珠的RGB顏色為“0，255，0”，即綠色;然后，通過語句“strip.show（）”對燈帶進行刷新操作;第二個for循環(huán)實現(xiàn)的功能是熄滅剛剛點亮的燈珠，因此其中設置的RGB顏色為“0，0，0”;最后，添加延時0.01秒的語句“time.sleep（0.01）”。

將程序保存為“滑桿映射操控‘流水燈帶’.py”，但需要注意的是，此時如果直接在IDE界面中點擊Run按鈕進行程序的測試，會出現(xiàn)“Can’t open /dev/mem：Permission denied”的拒絕訪問錯誤提示（如圖4）。

此時，可以到命令行模式下使用超級用戶權(quán)限sudo來運行程序——先通過“cd pycode”命令進入程序的保存目錄，再輸入“sudo python 滑桿映射操控‘流水燈帶’.py”命令后回車，然后再不斷調(diào)節(jié)滑桿的位置，命令行窗口開始有一對一對的數(shù)據(jù)產(chǎn)生，也就是變量Sliding_Bar和numbers的值;同時，燈帶也會對應亮起相關數(shù)量的燈珠，發(fā)光顏色是綠色（如圖5）。

效果與圖形化編程所實現(xiàn)的滑桿映射操控“流水燈帶”幾乎是一樣的，大家不妨一試。值得注意的是，由于在Python代碼編程時使用了“while 1：”循環(huán)結(jié)構(gòu)，其中并未設置任何跳出循環(huán)的動作響應，因此中止程序的運行方式可直接在命令行模式下按“Ctrl+C”組合鍵來強行中斷程序。