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维基少年:树莓派/树莓派 LED 生日蜡烛

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< 维基少年：树莓派
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由安德鲁·奥克利撰写教程
公有领域 2015 年 4 月 17 日
www.cotswoldjam.org

简介

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本教程将向您展示如何使用树莓派计算机构建一个基于 LED（光）和光电二极管（光检测器）的生日蜡烛。

您将能够“吹灭”LED - 它将关闭并播放一首曲子！

Words you will see on the screen are highlighted like this
Words you need to type in are highlighted and underlined

在每行末尾，您通常需要按 ↵ Enter 键。

您的导师应该已经为您准备好了您的树莓派。如果没有，请参阅文末的“准备”部分。

组件

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发光二极管 (LED)

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LED（发光二极管）有一个短腿和一个长腿。如果您在边缘周围摸摸，您还会发现一个平坦的边缘。短腿和平坦的边缘始终连接到负极（接地）。

电阻

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电阻可以以任何方式连接。我们使用的是 270 欧姆（红红棕）电阻，但 220-470 欧姆之间的任何电阻都可以正常工作。

光敏电阻 (LDR)

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光敏电阻 (LDR) 也称为光电二极管或光敏电阻，可以以任何方式连接。当有更多光线时，它们让更多电流通过。我们使用的是一个额定值为 2 到 20,000 欧姆的电阻，但大多数在爱好者工具包中找到的光电二极管都可以正常工作。

电容器

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电容器有一个短腿和一个长腿，以及一侧的条纹。与 LED 一样，它们必须使用短腿和条纹连接到负极（接地）。我们使用的是 1 微法拉电容器，您也应该使用它。

电容器存储少量的电荷，然后当它充满时，它会释放所有电荷。

  • 如果您将其连接到强电荷，它会更快地释放电荷。
  • 如果您将其连接到弱电荷，它需要更长时间才能释放电荷。

跳线

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跳线（也称为 DuPont 线）将电子元件连接到 GPIO 引脚。您还应该有两根短跳线和一根长跳线（全部为“母对母” - 两端都有孔）。

电路

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按照以下步骤构建电路。首先放置组件，最后放置跳线。不用担心回形针，现在还不需要。

以下是您在插入跳线之前面包板应该是什么样子的。

以下是连接了跳线的面包板。

腿部修剪

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当元件从工厂出来时，它们有长腿（线）。您的导师可能已经修剪了您元件的腿，在这种情况下，您无需再次修剪。如果您的元件有长腿，那么在您剪断它们之前，您应该通过将其连接到树莓派并运行程序来试用您的电路。

如果您需要修剪腿部，您可以使用厨房剪刀或特殊的剪线工具。无论哪种方式，在剪断元件的腿部时都要小心。

  • 不要将腿部修剪得太短，以至于它们不伸入面包板孔中。
  • 对于 LED 和电容器，请记住您可以使用 LED 边缘或电容器条纹来区分正负，即使您将两条腿都修剪到相同的长度。

连接树莓派

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按照图表连接跳线。

Raspberry Pi 的 GPIO 端口上的引脚编号如下。在旧型号上，只有 26 个引脚，但它们仍然从左侧的 1 和 2 开始。

顶行是偶数，底行是奇数。

测试程序

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启动你的 Raspberry Pi，登录并进入桌面。如果你需要登录，默认用户名是 pi，密码是 raspberry。如果桌面仍然没有出现，输入 startx 并按下 ↵ Enter 键。

从菜单中选择编程 - Python 2（不是 Python 3）。然后使用文件，新建窗口创建一个新程序。点击文件，另存为并通过双击 python 然后双击 candle 进入 python/candle 文件夹。保存为：mycandle.py

点亮 LED

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让我们从点亮 LED 开始。输入以下程序，或从示例文件夹中的 mycandle1.py 加载它

import RPi.GPIO as GPIO, time

GPIO.setmode(GPIO.BOARD)
GPIO.setwarnings(False)
pin_write=7
GPIO.setup(pin_write, GPIO.OUT)

GPIO.output(pin_write, GPIO.HIGH)
time.sleep(2)
GPIO.output(pin_write, GPIO.LOW)

使用文件 - 保存保存程序。现在保持 Python 窗口打开，并通过进入主桌面菜单 - 附件 - 终端启动一个终端会话。你应该看到一个黑色窗口打开。

在终端中，输入

cd python/candle
sudo python mycandle.py

你应该看到 LED 亮起两秒钟，然后程序结束。你可以通过再次输入 sudo python mycandle.py 来重复程序。

让我们快速看看这个程序在做什么。

import 命令告诉计算机使用由其他人编写的另一个程序的部分。这些其他程序称为库。我们调用两个库；GPIO，它允许我们使用 GPIO 引脚，以及 time，它包含 sleep 命令，我们使用它来等待两秒钟。

如果程序卡住了，按住 CTRL 键并按 C。然后检查你的接线和程序中的拼写。

如果程序有效，它将点亮 LED 一秒钟，然后开始计数。然后它会说出计数是多少。小计数表示亮，大计数表示暗。

尝试用手指挡住光电管运行程序。尝试使用一些黑色卡片将光电管置于阴影中。如果你在光线充足的房间里尝试这个，房间的灯光可能比 LED 更强大——稍后我们将使用回形针和卡片制作一个遮光罩。

在程序中，你可以看到，在我们使用 GPIO.setup(pin_read, GPIO.IN) 将其设置为输入之前，我们短暂地（0.1 秒）将 pin_read 设置为输出并将电压设置为低，只是为了清除连接上的任何电压。

然后我们开始计数。我们有一个新的变量 reading，我们将其设置为零。

然后程序循环运行，直到它检测到来自电容器的高电压，每次检测到高电压时都会将 reading 计数加一。当它检测到高电压时，它会结束循环并打印出 reading 的值。

罩子与挡板 - 检测呼吸

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我们将使用一小块卡片挡板来检测呼吸。我们将用回形针制作一个 U 形环，然后从它上面悬挂一小块卡片。

我们将把那个环和卡片放在 LED 和光电管之间，并确保当我们吹它时，它可以被吹走。

我们还将在光电管上放一个罩子，这样它只能看到来自 LED 的光。我们将使用另外两个更大的回形针 U 形环来固定卡片。回形针在电子面包板中非常方便，因为它们可以牢固地安装在孔中！

仔细观察下面的照片，并制作你自己的罩子与挡板。

你的导师可能已经将你的回形针弯曲并剪切到合适的尺寸。如果没有，在你剪断回形针到合适的长度时，要小心飞溅的金属。

挡板由以下部分制成

  • 一块大约 2 厘米 × 1 厘米 的黑色卡片
  • 一个大约 1.5 厘米 高、1.5 厘米 宽的回形针环
  • 轻轻地弯曲卡片的一端（弯曲不要折叠）放在环上，使用少量粘性胶带将其松散固定。记住它必须是松散而精致的，以便在你吹它时可以摆动。如果你把它粘得太紧，它就不会摆动，也不会起作用。

罩子由以下部分制成

  • 一块大约 4.5 厘米 × 2 厘米 的黑色卡片
  • 两个大约 2.5 厘米 高、1.5 厘米 宽的回形针环
  • 只需轻轻地弯曲卡片，并用环固定住它

最终程序

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Good Morning to All.ogg
无法播放此文件？请参阅 媒体帮助。

最终程序基于第二个测试程序

  • 它设置 GPIO 引脚并点亮 LED。
  • 它进行一些“校准”——它会计算出“黑暗”的读数，即挡板关闭时的读数。
  • 它循环运行，等待一个新的读数，该读数明显低于校准读数。这个较低的读数应该意味着光电管上的光线要多得多——因此挡板已经被吹走了！
  • 有一个变量 sensitivity 控制读数必须降低多少才能使程序检测到挡板被吹走。默认情况下，它设置为 50%，但你可以更改它。记住，如果程序卡住了，你可以使用 CTRL+C 来停止你的程序。
  • 当程序检测到光线时，它会播放 1893 年的曲子“Good Morning To All”。这首曲子已经不受版权保护，但你可能决定自行承担风险，用一些与生日相关的歌词一起演唱。这个程序输入起来比较长，所以如果你愿意，可以从 examples 文件夹中加载它，文件名是 candle.py。
#!/usr/bin/env python

# Raspberry Pi GPIO Birthday Candles by Andrew Oakley aoakley.com Public Domain 2015
# Adapted from "Basic Photocell Reading" by Adafruit

# Import the libraries we will be using
import RPi.GPIO as GPIO, time, os
# RPi.GPIO - for controlling GPIO pins
# time - for waiting
# os - for calling the music program

# Set up the GPIO
GPIO.setmode(GPIO.BOARD)
GPIO.setwarnings(False)
pin_read=12 # GPIO 18
pin_write=7 # GPIO 4

# Sensitivity, in percent
sensitivity=50

def timeLowHigh ():
   # This times how long it takes for a pin to go from low to high.
   # It is handy for reading variable resistance using a capacitor.
   # If the capacitor fills slowly, there is high resistance.
   # Photocells are a type of variable resistor. When there is low light, then there is high resistance.
   # Therefore long time = darker, short time = lighter
   # Try using a 1 microfarad capacitor and a 2-20K ohm photocell.

   # Reset the reading to zero
   reading = 0
   
   # Reset the pin to low - we briefly set it to output
   GPIO.setup(pin_read, GPIO.OUT)
   GPIO.output(pin_read, GPIO.LOW)
   # Brief sleep just to let it settle on low
   time.sleep(0.01)
   
   # Now change the pin back to an input
   GPIO.setup(pin_read, GPIO.IN)
   # This takes about 1 millisecond per loop cycle
   while (GPIO.input(pin_read) == GPIO.LOW):
      reading += 1

   return reading
   
   def calibrate():
   # This turns on the LED and works out what the
   # "normal" level of dimness is with the LED on.
   
   # Turn on the LED
   GPIO.setup(pin_write, GPIO.OUT)
   GPIO.output(pin_write, GPIO.HIGH)
   
   # Read the dimness lots of times over 3 seconds
   # and keep a running tally of the average
   print ("Calibrating...")
   dimness=timeLowHigh()
   t=time.time()
   while time.time() < t+2:
      c=timeLowHigh()
      print "calibration: %05d now: %05d" % (dimness, c)
      dimness=( dimness+c )/2

   return dimness
   
# Record what normal dimness is
normal_dimness=calibrate()

while True:
   # Find out what the dimness is now
   dimness_now=timeLowHigh()
   # Print out the values
   print("dimness normal: %05d now: %05d target: %05d" % (normal_dimness, dimness_now, normal_dimness*(sensitivity/100.0) ))
   # Has the dimness fallen below the target?
   if dimness_now < normal_dimness*(sensitivity/100.0) :
      GPIO.output(pin_write, GPIO.LOW)
      print ("Good Morning to All!")
      os.system('omxplayer good-morning-to-all.ogg')
      normal_dimness=calibrate()

和以前一样，通过切换到终端窗口并输入 sudo python candle.py 或 mycandle.py（取决于你的命名方式）来运行程序。

程序将以循环方式运行。要停止它，按住 CTRL 键并按 C。

准备

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如果您的辅导老师没有为您准备树莓派和设备，或者您没有辅导老师，您可以在开始之前按照以下说明进行设置。

设备

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您需要

  • 运行Raspbian操作系统的树莓派。本教程适用于迄今为止的所有型号，包括A，A+，B，B+和2B。
  • 无焊面包板 - 我们使用的是一个小型170点面包板，但任何无焊面包板都可以。
  • 一个LED。我们使用的是一个5mm黄色的LED。它需要足够亮以触发光敏电阻，因此黄色、绿色或白色通常比红色或蓝色效果更好。
  • 一个光敏电阻，也称为光电阻。我们使用的是一个4mm 2-20k欧姆光敏电阻。
  • 四根母对母跳线，每根至少20厘米长。
  • 两根短的公对公跳线，每根约2-6厘米。我们使用的是实心线。
  • 三根曲别针，剪成U形。
  • 两小块黑色卡片；一块约4.5×2厘米，另一块约2×1厘米。

文件

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请使用最新版本的Raspbian安装。本教程编写于2015年4月，当时最新推荐的Raspbian镜像的日期为2015-02-16。您可以通过进入终端（菜单 - 附件 - 终端）并输入以下命令来创建文件夹结构并下载文件

cd
mkdir python
cd python
curl -O http://www.cotswoldjam.org/downloads/2015-04/candle.tgz
tar xvzf candle.tgz

…其中-O是减号后面跟着大写字母O（不是数字零）。

Cjam-led-candle-tutorial.pdf

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原始PDF在维基共享资源上：Cjam-led-candle-tutorial.pdf

mycandle1.py

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#!/usr/bin/env python

import RPi.GPIO as GPIO, time, os

GPIO.setmode(GPIO.BOARD)
GPIO.setwarnings(False)
pin_write=7

GPIO.setup(pin_write, GPIO.OUT)
GPIO.output(pin_write, GPIO.HIGH)
time.sleep(2)
GPIO.output(pin_write, GPIO.LOW)

mycandle2.py

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import RPi.GPIO as GPIO, time

GPIO.setmode(GPIO.BOARD)
GPIO.setwarnings(False)
pin_write=7
pin_read=12

GPIO.setup(pin_write, GPIO.OUT)
GPIO.output(pin_write, GPIO.HIGH)
time.sleep(1)

GPIO.setup(pin_read, GPIO.OUT)
GPIO.output(pin_read, GPIO.LOW)
time.sleep(0.01)
GPIO.setup(pin_read, GPIO.IN)

reading=0
while (GPIO.input(pin_read) == GPIO.LOW):
   reading += 1

print "Reading: %d" % reading

GPIO.output(pin_write, GPIO.LOW)

Good Morning to All.ogg

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Good Morning to All.ogg
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