開啟Arduino的Python編程之旅

在上期的“開啟Arduino的Python編程之旅——基礎篇”中，我們在Arduino中通過調用PinPong庫使用Python編程，分別實現了“數字輸出：閃爍的LED燈”“數字輸入：按鈕控制LED燈亮與滅”“模擬輸入：打印輸出滑桿傳感器的位置數據”和“模擬輸出：PWM模式控制LED燈的明暗程度均勻變化”四個開源硬件編程項目案例；在本期的“常規篇”中，我們嘗試在Arduino上連接溫濕度傳感器、光線傳感器、超聲波傳感器和WS2812燈帶等外設，同樣是調用PinPong庫進行Python編程，制作實現四個不同效果的經典項目案例。

首先，將DHT11溫濕度傳感器的VCC和GND引腳分別通過紅色、黑色杜邦線連接至ArduinoUNO的3.3V和GND引腳，再將DAT引腳通過黃色杜邦線連接至Arduino的6號引腳（如圖1）。

打開PythonIDE進入編輯界面開始編程，仍需要先導入庫模塊及相關的類：“import time”“from pinpong.board import Board，Pin，DHT11”，如果使用的是DHT22溫濕度傳感器，此處需更改為“from pinpong.board import Board，Pin，DHT22”；初始化ArduinoUNO：“Board（“uno”）.begin（）”，再建立變量dht11，賦值為“DHT11（Pin（Pin.D6））”——若為DHT22則同樣作類似的修改，比如連接引腳使用7號，對應的命名均為“DHT22”，即“DHT22（Pin（Pin.D7））”；接下來，在“while True”循環結構中建立變量my_temp和my_humi，分別賦值為“dht11.temp_c（）”和“dht11.humidity（）”，作用是讀取對應的攝氏溫度值和濕度值；然后，通過“print（“現在的室溫是：”，my_temp，“℃，濕度為：”，my_humi）”語句將溫度值和濕度值進行打印輸出；最后，添加時間等待語句“time.sleep（3）”，作用是控制每次循環讀取及顯示溫度和濕度的持續時間為3秒（如圖2）。

將程序保存為“【01】讀取并顯示即時室溫及濕度.py”，再將Arduino通過數據線與電腦連接，運行程序進行測試。屏幕上開始出現第一條顯示輸出：“現在的室溫是：22.1℃，濕度為：70.0”，此時嘗試使用打火機模擬火源在一定范圍內靠近DHT11溫濕度傳感器（或者用手掌握住），靜置一段時間，屏幕上每隔5秒鐘就會顯示一行提示信息，溫度值和濕度值均有不同程度的變化，比如溫度值會從最初的22.1 ℃升高至26.7 ℃（如圖3）。

從Arduino上拆下DHT11溫濕度傳感器，換用光線傳感器來實現根據周圍環境的光線強度來控制LED燈發光。首先將光線傳感器的VCC和GND端通過紅色和黑色杜邦線連接至Arduino的3.3V和GND接地端，再將模擬信號輸出AO端通過黃色杜邦線連接至Arduino的A0引腳；然后，將一支紅色LED燈的長、短引腳分別插入Arduino的13號及相鄰的GND端（如圖4）。

先導入庫模塊及相關的類并進行Arduino主板的初始化：“import time”“from pinpong.board import Board，Pin”“Board（“uno”）.begin（）”；然后建立my_LED和my_adc兩個變量，分別賦值為“Pin（Pin.D13，Pin.OUT）”和“Pin（Pin.A0，Pin.ANALOG）”，作用分別是將連接在13號引腳的LED燈設置為數字輸出、將連接在A0引腳的光線傳感器設置為模擬輸入；接下來，在“while True”循環結構中建立變量my_light，賦值為“my_adc.read_analog（）”，作用是從A0引腳讀取模擬數據，即光線傳感器檢測到的周圍環境光線值；通過“print（“現在檢測到的光線值是：”，my_light）”語句將光線數據在屏幕上打印輸出后，再通過“if （my_light>=400）”對my_light的值進行是否“大于等于400”的判斷，條件成立的話，說明周圍環境的光線比較暗，則分別執行“print（“LED燈工作中…”）”和“my_LED.value（1）”，控制LED燈發光；條件不成立，則熄滅LED燈：“my_LED.value（0）”；最后，添加時間等待語句“time.sleep（0.5）”，控制每次循環讀取光線傳感器數據的持續時間為0.5秒鐘（如圖5）。

將程序保存為“【02】根據光線強度控制LED燈是否發光.py”，運行程序進行測試，屏幕上每隔0.5秒鐘顯示輸出一個檢測到的光線值：122、141、67……此時對應的是白天正常的照明情況；嘗試用一只黑盒子蓋住光線傳感器的光敏電阻，檢測到的光線數據就變成528、557、555……LED燈也開始亮起來，同時屏幕上也有“LED燈工作中…”的提示；如果再撤掉蓋住光線傳感器模擬黑暗環境的黑盒子，檢測到的光線值就會重新恢復為較小的數值，LED燈也熄滅（如圖6）。

保持LED燈插接在13號引腳不變，將光線傳感器拆下，開始安裝SR04超聲波傳感器（也可以使用精度更高的URM超聲波傳感器）：先分別通過紅色和黑色杜邦線將超聲波傳感器的VCC和GND端連接至Arduino的5V和GND接地端（如果接3.3V端有可能工作不正常），再通過黃色和綠色杜邦線將超聲波傳感器的Trig信號發射端、Echo信號接收端連接至Arduino的7號和8號引腳（如圖7）。

先導入庫模塊及相關的類并進行Arduino主板的初始化：“import time”“from pinpong.board import Board，Pin，SR04_URM10”“Board（“uno”）.begin（）”；然后建立變量my_LED，仍賦值為“my_LED = Pin（Pin.D13，Pin.OUT）”；再建立TRIGER_PIN和ECHO_PIN兩個變量，分別賦值為“Pin（Pin.D7）”和“Pin（Pin.D8）”，作用是設置超聲波傳感器的信號發射端和接收端的引腳分別為7號和8號；建立變量sonar，賦值為“SR04_URM10（TRIGER_PIN，ECHO_PIN）”，作用是初始化SR04超聲波傳感器（將對應的引腳編號作為參數傳遞進去）；接下來，在“while True”循環結構中建立變量my_dis，賦值為“sonar.distance_cm（）”，作用是獲取超聲波傳感器的檢測距離值（單位為厘米）；再通過“print（‘距離前方障礙物的間距為：{0：.2f} cm’.format（my_dis））”語句，將數據在屏幕上打印輸出；然后通過“if （my_dis<=10）”對間距值進行“是否小于等于10”的判斷，條件成立的話，則先在屏幕打印輸出“注意安全，間距已不足10cm！”的警告信息，再控制LED燈發光：“my_LED.value（1）”；條件不成立，則關閉LED燈：“my_LED.value（0）”；最后，仍然是為循環結構添加0.1秒鐘的時間等待語句“time.sleep（0.1）”（如圖8）。

將程序保存為“【03】超聲波測距和LED燈光報警.py”，運行程序進行測試：超聲波傳感器每隔0.1秒鐘就會檢測獲取一個與前方障礙物的間距值：35.00cm、14.00cm、11.00cm……當放置的模擬障礙物距離足夠近時，屏幕輸出的提示信息變為：“距離前方障礙物的間距為：9.00cm”“注意安全，間距已不足10cm！”此時的LED燈也會發光進行報警；直至移走障礙物，LED燈熄滅，又會恢復正常的監控狀態（如圖9）。

將超聲波傳感器和LED燈從Arduino上拆下，開始安裝WS2812燈帶：通過紅色和白色杜邦線將燈帶的+5V和GND端分別連接至Arduino的5V和GND接地端，再將燈帶的DO端通過綠色杜邦線連接至Arduino的9號引腳（如圖10）。

先導入庫模塊及相關的類：“import time”“from pinpong.board import Board，Pin，NeoPixel”（其中的NeoPixel類對應WS2812燈帶），再從random隨機庫中導入隨機取整函數randint：“from random import randint”；接著，進行Arduino主板的初始化：“Board（“uno”）.begin（）”；建立變量NEOPIXEL_PIN，賦值為“Pin（Pin.D9）”，即燈帶的信號引腳是與Arduino的9號引腳相連；再建立變量PIXELS_NUM，賦值為60，對應標準WS2812燈帶的60個燈珠，每個燈珠均相當于一顆RGB微型LED燈；再建立變量my_np，賦值為“NeoPixel（NEOPIXEL_PIN，PIXELS_NUM）”，將燈帶的引腳號和燈珠數量作為參數傳遞進去；在“while True”循環結構中建立for內層循環，對編號為0-59共60個燈珠進行隨機顏色的“賦值”；my_red、my_green和my_blue三個變量的值均被賦為“randint（0，255）”（從0至255中隨機取整），再通過“my_np[i] = （my_red，my_green，my_blue）”語句，實現為每個燈珠設置紅色、綠色和藍色三種隨機顏色的目的；最后，添加0.001秒鐘的時間等待語句：“time.sleep（0.001）”，控制相鄰兩個燈珠每次進行顏色切換的時間差（如圖11）。

將程序保存為“【04】隨機顏色炫彩燈帶.py”，運行程序進行測試：燈帶很快就從第0顆燈珠開始亮起，接著就會快速亮起第1顆、第2顆……每顆燈珠亮起顯示的均為隨機顏色；第一次循環（內層嵌套的for循環）結束后，第二次循環立刻運行，將上一次循環所設置的隨機顏色“覆蓋”并重新亮起一種新的隨機顏色，這樣我們就得到了隨機顏色炫彩燈帶（如圖12）。