开启Arduino的Python编程之旅

在上期的“开启Arduino的Python编程之旅——基础篇”中，我们在Arduino中通过调用PinPong库使用Python编程，分别实现了“数字输出：闪烁的LED灯”“数字输入：按钮控制LED灯亮与灭”“模拟输入：打印输出滑杆传感器的位置数据”和“模拟输出：PWM模式控制LED灯的明暗程度均匀变化”四个开源硬件编程项目案例；在本期的“常规篇”中，我们尝试在Arduino上连接温湿度传感器、光线传感器、超声波传感器和WS2812灯带等外设，同样是调用PinPong库进行Python编程，制作实现四个不同效果的经典项目案例。

首先，将DHT11温湿度传感器的VCC和GND引脚分别通过红色、黑色杜邦线连接至ArduinoUNO的3.3V和GND引脚，再将DAT引脚通过黄色杜邦线连接至Arduino的6号引脚（如图1）。

打开PythonIDE进入编辑界面开始编程，仍需要先导入库模块及相关的类：“import time”“from pinpong.board import Board，Pin，DHT11”，如果使用的是DHT22温湿度传感器，此处需更改为“from pinpong.board import Board，Pin，DHT22”；初始化ArduinoUNO：“Board（“uno”）.begin（）”，再建立变量dht11，赋值为“DHT11（Pin（Pin.D6））”——若为DHT22则同样作类似的修改，比如连接引脚使用7号，对应的命名均为“DHT22”，即“DHT22（Pin（Pin.D7））”；接下来，在“while True”循环结构中建立变量my_temp和my_humi，分别赋值为“dht11.temp_c（）”和“dht11.humidity（）”，作用是读取对应的摄氏温度值和湿度值；然后，通过“print（“现在的室温是：”，my_temp，“℃，湿度为：”，my_humi）”语句将温度值和湿度值进行打印输出；最后，添加时间等待语句“time.sleep（3）”，作用是控制每次循环读取及显示温度和湿度的持续时间为3秒（如图2）。

將程序保存为“【01】读取并显示即时室温及湿度.py”，再将Arduino通过数据线与电脑连接，运行程序进行测试。屏幕上开始出现第一条显示输出：“现在的室温是：22.1℃，湿度为：70.0”，此时尝试使用打火机模拟火源在一定范围内靠近DHT11温湿度传感器（或者用手掌握住），静置一段时间，屏幕上每隔5秒钟就会显示一行提示信息，温度值和湿度值均有不同程度的变化，比如温度值会从最初的22.1 ℃升高至26.7 ℃（如图3）。

从Arduino上拆下DHT11温湿度传感器，换用光线传感器来实现根据周围环境的光线强度来控制LED灯发光。首先将光线传感器的VCC和GND端通过红色和黑色杜邦线连接至Arduino的3.3V和GND接地端，再将模拟信号输出AO端通过黄色杜邦线连接至Arduino的A0引脚；然后，将一支红色LED灯的长、短引脚分别插入Arduino的13号及相邻的GND端（如图4）。

先导入库模块及相关的类并进行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两个变量，分别赋值为“Pin（Pin.D13，Pin.OUT）”和“Pin（Pin.A0，Pin.ANALOG）”，作用分别是将连接在13号引脚的LED灯设置为数字输出、将连接在A0引脚的光线传感器设置为模拟输入；接下来，在“while True”循环结构中建立变量my_light，赋值为“my_adc.read_analog（）”，作用是从A0引脚读取模拟数据，即光线传感器检测到的周围环境光线值；通过“print（“现在检测到的光线值是：”，my_light）”语句将光线数据在屏幕上打印输出后，再通过“if （my_light>=400）”对my_light的值进行是否“大于等于400”的判断，条件成立的话，说明周围环境的光线比较暗，则分别执行“print（“LED灯工作中…”）”和“my_LED.value（1）”，控制LED灯发光；条件不成立，则熄灭LED灯：“my_LED.value（0）”；最后，添加时间等待语句“time.sleep（0.5）”，控制每次循环读取光线传感器数据的持续时间为0.5秒钟（如图5）。

将程序保存为“【02】根据光线强度控制LED灯是否发光.py”，运行程序进行测试，屏幕上每隔0.5秒钟显示输出一个检测到的光线值：122、141、67……此时对应的是白天正常的照明情况；尝试用一只黑盒子盖住光线传感器的光敏电阻，检测到的光线数据就变成528、557、555……LED灯也开始亮起来，同时屏幕上也有“LED灯工作中…”的提示；如果再撤掉盖住光线传感器模拟黑暗环境的黑盒子，检测到的光线值就会重新恢复为较小的数值，LED灯也熄灭（如图6）。

保持LED灯插接在13号引脚不变，将光线传感器拆下，开始安装SR04超声波传感器（也可以使用精度更高的URM超声波传感器）：先分别通过红色和黑色杜邦线将超声波传感器的VCC和GND端连接至Arduino的5V和GND接地端（如果接3.3V端有可能工作不正常），再通过黄色和绿色杜邦线将超声波传感器的Trig信号发射端、Echo信号接收端连接至Arduino的7号和8号引脚（如图7）。

先导入库模块及相关的类并进行Arduino主板的初始化：“import time”“from pinpong.board import Board，Pin，SR04_URM10”“Board（“uno”）.begin（）”；然后建立变量my_LED，仍赋值为“my_LED = Pin（Pin.D13，Pin.OUT）”；再建立TRIGER_PIN和ECHO_PIN两个变量，分别赋值为“Pin（Pin.D7）”和“Pin（Pin.D8）”，作用是设置超声波传感器的信号发射端和接收端的引脚分别为7号和8号；建立变量sonar，赋值为“SR04_URM10（TRIGER_PIN，ECHO_PIN）”，作用是初始化SR04超声波传感器（将对应的引脚编号作为参数传递进去）；接下来，在“while True”循环结构中建立变量my_dis，赋值为“sonar.distance_cm（）”，作用是获取超声波传感器的检测距离值（单位为厘米）；再通过“print（‘距离前方障碍物的间距为：{0：.2f} cm’.format（my_dis））”语句，将数据在屏幕上打印输出；然后通过“if （my_dis<=10）”对间距值进行“是否小于等于10”的判断，条件成立的话，则先在屏幕打印输出“注意安全，间距已不足10cm！”的警告信息，再控制LED灯发光：“my_LED.value（1）”；条件不成立，则关闭LED灯：“my_LED.value（0）”；最后，仍然是为循环结构添加0.1秒钟的时间等待语句“time.sleep（0.1）”（如图8）。

將程序保存为“【03】超声波测距和LED灯光报警.py”，运行程序进行测试：超声波传感器每隔0.1秒钟就会检测获取一个与前方障碍物的间距值：35.00cm、14.00cm、11.00cm……当放置的模拟障碍物距离足够近时，屏幕输出的提示信息变为：“距离前方障碍物的间距为：9.00cm”“注意安全，间距已不足10cm！”此时的LED灯也会发光进行报警；直至移走障碍物，LED灯熄灭，又会恢复正常的监控状态（如图9）。

将超声波传感器和LED灯从Arduino上拆下，开始安装WS2812灯带：通过红色和白色杜邦线将灯带的+5V和GND端分别连接至Arduino的5V和GND接地端，再将灯带的DO端通过绿色杜邦线连接至Arduino的9号引脚（如图10）。

先导入库模块及相关的类：“import time”“from pinpong.board import Board，Pin，NeoPixel”（其中的NeoPixel类对应WS2812灯带），再从random随机库中导入随机取整函数randint：“from random import randint”；接着，进行Arduino主板的初始化：“Board（“uno”）.begin（）”；建立变量NEOPIXEL_PIN，赋值为“Pin（Pin.D9）”，即灯带的信号引脚是与Arduino的9号引脚相连；再建立变量PIXELS_NUM，赋值为60，对应标准WS2812灯带的60个灯珠，每个灯珠均相当于一颗RGB微型LED灯；再建立变量my_np，赋值为“NeoPixel（NEOPIXEL_PIN，PIXELS_NUM）”，将灯带的引脚号和灯珠数量作为参数传递进去；在“while True”循环结构中建立for内层循环，对编号为0-59共60个灯珠进行随机颜色的“赋值”；my_red、my_green和my_blue三个变量的值均被赋为“randint（0，255）”（从0至255中随机取整），再通过“my_np[i] = （my_red，my_green，my_blue）”语句，实现为每个灯珠设置红色、绿色和蓝色三种随机颜色的目的；最后，添加0.001秒钟的时间等待语句：“time.sleep（0.001）”，控制相邻两个灯珠每次进行颜色切换的时间差（如图11）。

将程序保存为“【04】随机颜色炫彩灯带.py”，运行程序进行测试：灯带很快就从第0颗灯珠开始亮起，接着就会快速亮起第1颗、第2颗……每颗灯珠亮起显示的均为随机颜色；第一次循环（内层嵌套的for循环）结束后，第二次循环立刻运行，将上一次循环所设置的随机颜色“覆盖”并重新亮起一种新的随机颜色，这样我们就得到了随机颜色炫彩灯带（如图12）。