一塊兒玩轉樹莓派（8）——樹莓派模數/數模轉換實踐(2)

時間 2021-08-12

標籤 python canvas markdown ide 函數 oop 學習編碼 3d code 欄目 Python 简体版

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一塊兒玩轉樹莓派（8）——樹莓派模數/數模轉換實踐(2)

在上一篇博客中，咱們介紹了在樹莓派中使用模數轉換芯片的基本方法，若是你對上一篇博文中介紹的內容已經有了深刻的理解，那後面的應用試驗對你來講將很是容易。若是不是，那麼我建議你先將以前介紹的內容在研究一下：python

https://blog.51cto.com/u_11643026/3180290canvas

如今，若是你決定繼續本篇博客的學習，那麼我認爲你已經瞭解了PCF8591芯片的基本用法，明白了PCF8591的接線方式，I2C總線的基本工做原理以及PCF8591的設置命令的意義和讀數據的方法。markdown

1、讀取外部傳感器的模擬信號

在本系列博客的上一篇文章中，咱們經過讀取PCF8591實驗模塊自帶的可調節電壓輸出、光敏傳感器和熱敏傳感器實現了對當前環境信息的的讀取，除了能夠讀取當前設置的輸出電壓外，咱們還能夠得到當前的環境的溫度和亮度。PCF8591實驗模塊自帶的傳感器可讓咱們很方便的進行實驗，其實在實際應用中，更多時候咱們須要從AIN0到AIN3引腳來獲取外接傳感器的模擬信號。如今，咱們嘗試下經過AIN0和AIN1兩個輸入引腳來獲取外接光敏和熱敏傳感器的數據。ide

1.關於實驗所使用的傳感器

咱們這裏的小實驗將使用光敏和熱敏傳感器。函數

光敏模塊

光敏傳感器可以感應光纖的明暗變化，其實現此功能的核心在於光敏電阻，只作光敏電阻的經常使用材料有硫化鎘、硫化鋁等。這些材料在特定波長的光波照射下，其阻值會產生明顯的變化。本次實驗，咱們使用的光敏傳感器模塊以下圖所示：oop

能夠看到，此模塊的核心是一個光敏電阻，提供了可調節靈敏度的功能單元和兩個LED指示燈，其中一個LED是電源指示燈，接通電源後會亮，另外一個LED燈是電平指示燈，當光亮達到閾值時，輸出引腳輸出低電平，此LED燈亮，當光亮度較暗時，輸出引腳輸出高電平，此LED燈不亮。咱們再看此模塊的4個引腳：學習

VCC：電源引腳編碼

GND：接地引腳3d

DO：數字信號輸出引腳(高低電平)code

AO：模擬信號輸出引腳

熱敏模塊

本次實驗咱們使用的熱敏模塊的功能與上面將的光敏模塊相似，以下圖所示：

此熱敏模塊一樣包含兩個LED指示燈、靈敏度調節單元和4個引腳，引腳以下：

VCC：電源引腳

GND：接地引腳

DO：數字信號輸出引腳(高低電平)

AO：模擬信號輸出引腳

2.實驗連線

本次實驗，咱們使用PCF8591讀取光敏和熱敏傳感器的模擬信號，將其轉換成數字信號被樹莓派程序處理，同時，咱們使用樹莓派的GPIO端口來讀取傳感器自己輸出的數字信號，首先，咱們先肯定要使用的PCF8591的輸入引腳和要使用的樹莓派GPIO引腳。

PCF8591輸入引腳使用：AINO和AIN1，其中AINO讀取光敏模擬信號，AIN1讀取熱敏模擬信號。

GPIO輸入引腳使用：GPIO17和GPIO18（BCM編碼方式），其中17引腳讀取光敏數字信號，18引腳讀取熱敏數字信號。

PCF8591連線：

PCF8591	樹莓派功能引腳
SCL	SCL
SDA	SDA
GND	GND
VCC	5V

光敏傳感器：

光敏傳感器	樹莓派/PCF8591
VCC	樹莓派3.3V
GND	樹莓派GND
DO	樹莓派GPIO11(物理引腳)
AO	PCF8591 AIN0

熱敏傳感器：

熱敏傳感器	樹莓派/PCF8591
VCC	樹莓派3.3V
---	---
GND	樹莓派GND
---	---
DO	樹莓派GPIO12(物理引腳)
---	---
AO	PCF8591 AIN1
---	---

連線最終以下圖所示：

和以前相比，咱們此次直接在樹莓派上鍊接了3個元件，連線也複雜了不少，只要按照上面的表格，注意引腳的正確便可。

3.編寫程序

步入正題，先上代碼：

#coding:utf-8

#SMBus (System Management Bus,系統管理總線) 
import smbus   #在程序中導入「smbus」模塊
import RPi.GPIO as GPIO 
import time

bus = smbus.SMBus(1)         #建立一個smbus實例

# 經過PCF8591讀取模擬信號

# 數據亮度的模擬數據
def readLight():
    #發送一個控制字節到設備 表示要讀取AIN0通道的數據
    bus.write_byte(0x48,0x40)   
    bus.read_byte(0x48)         # 空讀一次，消費掉無效數據
    return bus.read_byte(0x48)  # 返回某通道輸入的模擬值A/D轉換後的數字值

def readTemperature():
    #發送一個控制字節到設備 表示要讀取AIN1通道的數據
    bus.write_byte(0x48,0x41)   
    bus.read_byte(0x48)         # 空讀一次，消費掉無效數據
    return bus.read_byte(0x48)  # 返回某通道輸入的模擬值A/D轉換後的數字值

# 經過GPIO讀取數字信號

# 設置使用的引腳編碼模式
GPIO.setmode(GPIO.BOARD)
# 光敏模塊的數字輸出引腳 BCM 17
LP = 11
# 熱敏模塊的數字輸出引腳 BCM 18
TP = 12
# 引腳初始化
GPIO.setup(LP, GPIO.IN)
GPIO.setup(TP, GPIO.IN)

while True:
    print('--------分割線----------')
    print('亮度數字信號：', GPIO.input(LP))
    print('亮度模擬信號：', readLight())
    print('溫度數字信號：', GPIO.input(TP))
    print('溫度模擬信號：', readTemperature())
    time.sleep(2)

上面的代碼有着比較詳盡的註釋，這裏咱們無需多說，在樹莓派上運行此代碼，便可觀察到控制檯的數據輸出。

2、使用操縱桿外設控制圓球移動

若是你順利完成了上面的實驗，先別急着慶祝，你會發現，和本系列前面幾篇博客的內容較比，到目前爲止咱們並無介紹新的知識，同時也沒有作什麼新穎的事情。的確如此，可是經過上面實驗的練習，能夠幫助你更深刻的理解數模/模數轉換的應用場景，而且讓你可以更加靈活的對I2C總線與通用GPIO串口結合進行使用。下面咱們要來作一些好玩的事情了，不知道你小時候是否有玩過「大把機」，這是一種搖桿遊戲機，搖桿能夠朝上下左右4個方向轉動，也能夠從中間按下。一般，上下左右用來控制遊戲人物的行動方向，按下用來進行人物跳躍。如今，咱們要來作一個簡單的遊戲，爲樹莓派鏈接操縱桿，控制遊戲程序頁面上圓球的行爲，其中方向控制圓球的移動，按下操縱桿則使圓球變色。

此實驗所使用的操縱桿以下圖所示：

能夠看到，此元件有5個引腳：

GND：接地引腳

+5V：5V電源引腳

VRX：橫向座標模擬信號輸出引腳

VRY：縱向座標模擬信號輸出引腳

SW：按鈕數字信號輸出引腳

操做杆內部實際上封裝了雙向的電阻器，其阻值會根據搖桿的方向變更產生變化，從而影響引腳信號的產生變化。

1.進行連線

我相信，如今連線對你來講應該是最簡單的工做了。操縱桿有模擬信號輸出同時也有數字信號輸出，咱們依然須要結合PCF8591與樹莓派GPIO一塊兒使用。關於PCF8591的接線上面有介紹，這裏再也不重複。操做杆的接線方式以下：

操縱桿	樹莓派/PCF8591
GND	樹莓派GND
+5V	樹莓派5.5V
VRX	PCF8591 AIN0
VRY	PCF8591 AIN1
SW	樹莓派GPIO 11（物理引腳）

2.編寫代碼

對於本實驗來講，有涉及到UI開發，咱們依然採用Python自帶的Tkinter庫，其有很好的移植性，而且其提供了Canvas畫布，咱們能夠靈活的渲染所須要的圖形。示例代碼以下：

#coding:utf-8

# 導入UI模塊
import tkinter as Tkinter

#SMBus (System Management Bus,系統管理總線) 
import smbus   #在程序中導入「smbus」模塊
import RPi.GPIO as GPIO # 導入樹莓派GPIO模塊
import time # 導入定時器模塊
import threading

# 主頁面設置
top = Tkinter.Tk()
top.geometry('500x300')
top.title("操縱桿控制圓球")

# 當前圓球的座標
currentX = 0
currentY = 0
# 當前圓球的顏色是否紅色
currentColor = True

# 進行窗口的初始化
canvas = Tkinter.Canvas(top, width=500, height=300, borderwidth=0, highlightthickness=0)
canvas.grid()

# 進化畫布的初始化
circle = canvas.create_oval(currentX, currentY, 100, 100, fill="red", outline="")

# 定義移動圓球的方法
def moveCircle(c, x, y):
    global currentX, currentY
    moveX = x
    moveY = y
    if x >= 0:
        if x + currentX > 400:
            moveX = 400 - currentX
            currentX = 400
        else:
            currentX += x
    else:
        if x + currentX < 0:
            moveX = -currentX
            currentX = 0
        else:
            currentX += x
    if y >= 0:
        if y + currentY > 200:
            moveY = 200 - currentY
            currentY = 200
        else:
            currentY += y
    else:
        if y + currentY < 0:
            moveY = -currentY
            currentY = 0
        else:
            currentY += y   
    canvas.move(c, moveX, moveY)

# 定義改變圓球顏色的方法
def changeColor(c):
    global currentColor
    canvas.itemconfig(c, fill= 'red' if currentColor else 'blue')
    currentColor = not currentColor

bus = smbus.SMBus(1)         #建立一個smbus實例

# 經過PCF8591讀取模擬信號

# 搖桿X引腳的模擬數據
def readX():
    #發送一個控制字節到設備 表示要讀取AIN0通道的數據
    bus.write_byte(0x48,0x40)   
    bus.read_byte(0x48)         # 空讀一次，消費掉無效數據
    return bus.read_byte(0x48)  # 返回某通道輸入的模擬值A/D轉換後的數字值

# 搖桿Y引腳的模擬數據
def readY():
    #發送一個控制字節到設備 表示要讀取AIN1通道的數據
    bus.write_byte(0x48,0x41)   
    bus.read_byte(0x48)         # 空讀一次，消費掉無效數據
    return bus.read_byte(0x48)  # 返回某通道輸入的模擬值A/D轉換後的數字值

# 經過GPIO讀取數字信號

# 設置使用的引腳編碼模式
GPIO.setmode(GPIO.BOARD)
# 按鍵使用引腳 BCM 17
BTN = 11
# 引腳初始化 設置下拉高電平
GPIO.setup(BTN, GPIO.IN, pull_up_down=GPIO.PUD_UP)

# 建立定時器函數，用來檢查搖桿動做
def fun_timer():
    global timer
    x = readX()
    y = readY()
    press = GPIO.input(BTN)
    print('X：', x)
    print('Y：', y)
    print('按鈕：', press)

    if x <= 10:
        moveCircle(circle, -10, 0)
    if x >= 245:
        moveCircle(circle, 10, 0)
    if y <= 10:
        moveCircle(circle, 0, -10)
    if y >= 245:
        moveCircle(circle, 0, 10)

    timer = threading.Timer(0.2, fun_timer)
    timer.start()

timer = threading.Timer(0.2, fun_timer)
timer.start()

# 定義GPIO輸入端口的回調
def btnCallback(channel):
    if not GPIO.input(channel):
        changeColor(circle)

# 添加輸入引腳電平變化的回調函數
GPIO.add_event_detect(BTN, GPIO.FALLING, callback=btnCallback, bouncetime=200)

top.mainloop()

上面的代碼有些長，可是有詳盡的註釋，關於UI開發方面的內容不是咱們本系列博客的重點，這裏咱們不作過多介紹。moveCircle函數是核心的圓球移動函數，內部經過邊界斷定邏輯能夠確保圓球不會移動到視圖界面外。changeColor方法用來修改圓球的顏色，這裏咱們讓每次按鍵後在紅綠顏色間進行切換。readX和readY函數咱們無需作過多介紹了，其經過PCF8591的AIN0和AIN1來傳輸搖桿的橫縱座標信號。GPIO的相關操做咱們也很是熟悉了，咱們經過註冊回調函數來監聽操做杆按鈕按下的行爲。

在樹莓派上運行上面的代碼，嘗試操做下，感覺下使用操縱桿控制頁面元素的喜悅吧。

3.一點擴展

觀察上面的示例代碼，你會發現，咱們使用了一些臨界值來做爲觸發方向動做的閾值，例如10，245這種，這是由於PCF8591是8位的數模轉換模塊，即其轉換出的數字量在0-255之間（包括0和255），對於本實驗來講，咱們並無讓搖桿元件傳輸的模擬量發揮正真的做用，想一下，你是否可以根據操做杆的旋轉程度來調整圓球移動的速度呢？動手試試吧！