維基少年:樹莓派/樹莓派 LED 生日蠟燭

由安德魯·奧克利撰寫教程
公有領域 2015 年 4 月 17 日
www.cotswoldjam.org

簡介

本教程將向您展示如何使用樹莓派計算機構建一個基於 LED（光）和光電二極體（光檢測器）的生日蠟燭。

您將能夠“吹滅”LED - 它將關閉並播放一首曲子！

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 鍵。

您的導師應該已經為您準備好了您的樹莓派。如果沒有，請參閱文末的“準備”部分。

元件

發光二極體 (LED)

LED（發光二極體）有一個短腿和一個長腿。如果您在邊緣周圍摸摸，您還會發現一個平坦的邊緣。短腿和平坦的邊緣始終連線到負極（接地）。

電阻

電阻可以以任何方式連線。我們使用的是 270 歐姆（紅紅棕）電阻，但 220-470 歐姆之間的任何電阻都可以正常工作。

光敏電阻 (LDR)

光敏電阻 (LDR) 也稱為光電二極體或光敏電阻，可以以任何方式連線。當有更多光線時，它們讓更多電流透過。我們使用的是一個額定值為 2 到 20,000 歐姆的電阻，但大多數在愛好者工具包中找到的光電二極體都可以正常工作。

電容器

電容器有一個短腿和一個長腿，以及一側的條紋。與 LED 一樣，它們必須使用短腿和條紋連線到負極（接地）。我們使用的是 1 微法拉電容器，您也應該使用它。

電容器儲存少量的電荷，然後當它充滿時，它會釋放所有電荷。

如果您將其連線到強電荷，它會更快地釋放電荷。

如果您將其連線到弱電荷，它需要更長時間才能釋放電荷。

跳線

跳線（也稱為 DuPont 線）將電子元件連線到 GPIO 引腳。您還應該有兩根短跳線和一根長跳線（全部為“母對母” - 兩端都有孔）。

電路

重要 - 將光電二極體彎曲以朝向光線。您需要彎曲光電二極體的頂部，使其“面向”LED。請參閱照片以獲取示例。

按照以下步驟構建電路。首先放置元件，最後放置跳線。不用擔心回形針，現在還不需要。

以下是您在插入跳線之前面包板應該是什麼樣子的。

以下是連線了跳線的麵包板。

腿部修剪

當元件從工廠出來時，它們有長腿（線）。您的導師可能已經修剪了您元件的腿，在這種情況下，您無需再次修剪。如果您的元件有長腿，那麼在您剪斷它們之前，您應該透過將其連線到樹莓派並執行程式來試用您的電路。

如果您需要修剪腿部，您可以使用廚房剪刀或特殊的剪線工具。無論哪種方式，在剪斷元件的腿部時都要小心。

不要將腿部修剪得太短，以至於它們不伸入麵包板孔中。

對於 LED 和電容器，請記住您可以使用 LED 邊緣或電容器條紋來區分正負，即使您將兩條腿都修剪到相同的長度。

連線樹莓派

按照圖表連線跳線。

Raspberry Pi 的 GPIO 埠上的引腳編號如下。在舊型號上，只有 26 個引腳，但它們仍然從左側的 1 和 2 開始。

頂行是偶數，底行是奇數。

測試程式

啟動你的 Raspberry Pi，登入並進入桌面。如果你需要登入，預設使用者名稱是 pi，密碼是 raspberry。如果桌面仍然沒有出現，輸入 startx 並按下 ↵ Enter 鍵。

從選單中選擇程式設計 - Python 2（不是 Python 3）。然後使用檔案，新建視窗建立一個新程式。點選檔案，另存為並透過雙擊 python 然後雙擊 candle 進入 python/candle 資料夾。儲存為：mycandle.py

點亮 LED

讓我們從點亮 LED 開始。輸入以下程式，或從示例資料夾中的 mycandle1.py 載入它

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)

使用檔案 - 儲存儲存程式。現在保持 Python 視窗開啟，並透過進入主桌面選單 - 附件 - 終端啟動一個終端會話。你應該看到一個黑色視窗開啟。

在終端中，輸入

cd python/candle
sudo python mycandle.py

你應該看到 LED 亮起兩秒鐘，然後程式結束。你可以透過再次輸入 sudo python mycandle.py 來重複程式。

讓我們快速看看這個程式在做什麼。

import 命令告訴計算機使用由其他人編寫的另一個程式的部分。這些其他程式稱為庫。我們呼叫兩個庫；GPIO，它允許我們使用 GPIO 引腳，以及 time，它包含 sleep 命令，我們使用它來等待兩秒鐘。

如果程式卡住了，按住 CTRL 鍵並按 C。然後檢查你的接線和程式中的拼寫。

如果程式有效，它將點亮 LED 一秒鐘，然後開始計數。然後它會說出計數是多少。小計數表示亮，大計數表示暗。

嘗試用手指擋住光電管執行程式。嘗試使用一些黑色卡片將光電管置於陰影中。如果你在光線充足的房間裡嘗試這個，房間的燈光可能比 LED 更強大——稍後我們將使用回形針和卡片製作一個遮光罩。

在程式中，你可以看到，在我們使用 GPIO.setup(pin_read, GPIO.IN) 將其設定為輸入之前，我們短暫地（0.1 秒）將 pin_read 設定為輸出並將電壓設定為低，只是為了清除連線上的任何電壓。

然後我們開始計數。我們有一個新的變數 reading，我們將其設定為零。

然後程式迴圈執行，直到它檢測到來自電容器的高電壓，每次檢測到高電壓時都會將 reading 計數加一。當它檢測到高電壓時，它會結束迴圈並打印出 reading 的值。

罩子與擋板 - 檢測呼吸

我們將使用一小塊卡片擋板來檢測呼吸。我們將用回形針製作一個 U 形環，然後從它上面懸掛一小塊卡片。

我們將把那個環和卡片放在 LED 和光電管之間，並確保當我們吹它時，它可以被吹走。

我們還將在光電管上放一個罩子，這樣它只能看到來自 LED 的光。我們將使用另外兩個更大的回形針 U 形環來固定卡片。回形針在電子麵包板中非常方便，因為它們可以牢固地安裝在孔中！

仔細觀察下面的照片，並製作你自己的罩子與擋板。

你的導師可能已經將你的回形針彎曲並剪下到合適的尺寸。如果沒有，在你剪斷回形針到合適的長度時，要小心飛濺的金屬。

擋板由以下部分製成

一塊大約 2 釐米 × 1 釐米的黑色卡片
一個大約 1.5 釐米高、1.5 釐米寬的回形針環
輕輕地彎曲卡片的一端（彎曲不要摺疊）放在環上，使用少量粘性膠帶將其鬆散固定。記住它必須是鬆散而精緻的，以便在你吹它時可以擺動。如果你把它粘得太緊，它就不會擺動，也不會起作用。

罩子由以下部分製成

一塊大約 4.5 釐米 × 2 釐米的黑色卡片
兩個大約 2.5 釐米高、1.5 釐米寬的回形針環
只需輕輕地彎曲卡片，並用環固定住它

最終程式

	Good Morning to All.ogg
無法播放此檔案？請參閱媒體幫助。

最終程式基於第二個測試程式

它設定 GPIO 引腳並點亮 LED。
它進行一些“校準”——它會計算出“黑暗”的讀數，即擋板關閉時的讀數。
它迴圈執行，等待一個新的讀數，該讀數明顯低於校準讀數。這個較低的讀數應該意味著光電管上的光線要多得多——因此擋板已經被吹走了！
有一個變數 sensitivity 控制讀數必須降低多少才能使程式檢測到擋板被吹走。預設情況下，它設定為 50%，但你可以更改它。記住，如果程式卡住了，你可以使用 CTRL+C 來停止你的程式。
當程式檢測到光線時，它會播放 1893 年的曲子“Good Morning To All”。這首曲子已經不受版權保護，但你可能決定自行承擔風險，用一些與生日相關的歌詞一起演唱。這個程式輸入起來比較長，所以如果你願意，可以從 examples 資料夾中載入它，檔名是 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()

和以前一樣，透過切換到終端視窗並輸入 sudo python candle.py 或 mycandle.py（取決於你的命名方式）來執行程式。

程式將以迴圈方式執行。要停止它，按住 CTRL 鍵並按 C。

準備

如果您的輔導老師沒有為您準備樹莓派和裝置，或者您沒有輔導老師，您可以在開始之前按照以下說明進行設定。

裝置

您需要

執行Raspbian作業系統的樹莓派。本教程適用於迄今為止的所有型號，包括A，A+，B，B+和2B。
無焊麵包板 - 我們使用的是一個小型170點麵包板，但任何無焊麵包板都可以。
一個LED。我們使用的是一個5mm黃色的LED。它需要足夠亮以觸發光敏電阻，因此黃色、綠色或白色通常比紅色或藍色效果更好。
一個光敏電阻，也稱為光電阻。我們使用的是一個4mm 2-20k歐姆光敏電阻。
四根母對母跳線，每根至少20釐米長。
兩根短的公對公跳線，每根約2-6釐米。我們使用的是實心線。
三根曲別針，剪成U形。
兩小塊黑色卡片；一塊約4.5×2釐米，另一塊約2×1釐米。

檔案

請使用最新版本的Raspbian安裝。本教程編寫於2015年4月，當時最新推薦的Raspbian映象的日期為2015-02-16。您可以透過進入終端（選單 - 附件 - 終端）並輸入以下命令來建立資料夾結構並下載檔案

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

…其中-O是減號後面跟著大寫字母O（不是數字零）。

Cjam-led-candle-tutorial.pdf

原始PDF在維基共享資源上：Cjam-led-candle-tutorial.pdf

mycandle1.py

#!/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

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

	Good Morning to All.ogg
無法播放此檔案？請參閱媒體幫助。