維基少年:樹莓派/樹莓派光敏電阻夜燈

安德魯·奧克利
公共領域 2018 年 9 月 15 日
www.cotswoldjam.org

元件

發光二極體 (LED)

發光二極體 (LED) 有一條短腳和一條長腳。如果你摸摸它的邊緣，你還會發現一個平邊。短腳和平邊始終連線到負極 (地線)。

電阻

電阻可以任意方向連線。阻值越低 (歐姆值越低) 的電阻允許透過更多的電流，使 LED 更亮；阻值越高的電阻允許透過更少的電流，使 LED 更暗。我們使用的是一個 220 歐姆的電阻，但任何 220-470 歐姆的電阻都可以正常工作。

光敏電阻 (LDR)

光敏電阻 (LDR)，也稱為光電管或光敏電阻，可以任意方向連線。光線越強，它們允許透過的電流就越多。我們使用的是阻值在 2 到 20,000 歐姆之間的光敏電阻，但大多數在愛好者套件中找到的光電管都可以正常工作。

電容

電容有一條短腳、一條長腳和一側有一條條紋。與 LED 一樣，它們必須用短腳和條紋連線到負極 (地線)。我們使用的是 1 微法電容，你也應該使用。電容儲存少量的電荷，當它充滿時，它會釋放所有的電荷。如果你將它連線到更強的電荷，它會更快地釋放電荷。如果你將它連線到弱電荷，它需要更長時間才能釋放電荷。

麵包板

這個微型麵包板 有 25 個連線點。這些列從 0 到 4 編號 (有些列將中間的列標記為 1、2 和 3)。同一列上的所有點都連線在一起，但不同的列不連線。你也可以使用更大的麵包板。

跳線

使用什麼顏色的線並不重要。本教程的作者是色盲。重要的是要將它們連線到正確的位置。

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

將光敏電阻連線到麵包板

電容有一條短腳和一條長腳。短腳一側還帶有一條條紋。這是負極 (地線)。

將電容放置在負極位於第 1 列，另一條腳位於第 2 列的位置。

光敏電阻 (LDR) 需要連線到第 2 列和第 3 列。連線方向無關緊要。

使用 20 釐米 (8 英寸) 的公對母跳線將

第 1 列連線到地線引腳，例如引腳 14 (GND)
第 2 列連線到引腳 12 (GPIO 18)
第 3 列連線到引腳 1 (3.3V)

連線 LED

將電阻連線到兩根 10 釐米的母對母跳線之間，並將這些跳線連線到 LED 的長腳 (正極)。將它連線到引腳 22 (GPIO 25)。

將 20 釐米的母對母跳線連線到 LED 的短腳 (負極)，然後將這根線的另一端連線到地線，引腳 20 (GND)。

光敏電阻程式

從樹莓派選單中，選擇“程式設計”，然後選擇“Python 3 (IDLE)”。

從 IDLE 選單中，選擇“檔案”，然後選擇“開啟”。找到 python 資料夾並雙擊開啟它。找到 lightsensor 資料夾並雙擊開啟它。選擇 lightsensor1.py 程式並單擊“開啟”。你應該看到

from gpiozero import LightSensor
from time import sleep
sensor=LightSensor(18)
while True:
 print (sensor.value)
 sleep(0.2)

使用“執行”選單中的“執行模組”執行此程式。它需要一段時間才能啟動，然後它應該打印出一組數字。

用手指蓋住光敏電阻。數字會變小。將麵包板整個包住，不讓任何光線照射到它 – 數字應該變為零。

按住CTRL 鍵並按下 C 停止程式。您可以在視窗右上角的 X 按鈕處關閉 shell 視窗。

夜燈 - 天黑後開啟燈光

從 IDLE 選單中載入 lightsensor2.py 程式

from gpiozero import LightSensor, LED
from time import sleep
sensor=LightSensor(18)
led=LED(25)
sensor.threshold=0.1
while True:
 print (sensor.value)
 if ( sensor.light_detected ):
  led.off()
 else:
  led.on()
  sleep(0.2)

使用“執行”選單中的“執行模組”執行此程式。它需要一些時間才能啟動，然後它應該列印一些數字，當數字低於 0.1（黑暗）時，LED 將開啟。

停止程式並嘗試將感測器閾值更改為例如 0.2 或 0.4 或甚至 0.6。看看如何設定夜燈，以便在不同程度的黑暗中開啟。

sensor.threshold=0.4

這些程式在做什麼？

光敏電阻 (LDR) 是一種模擬感測器 - 它實際上不會產生數字，它只是在光線充足時讓更多電流透過，在黑暗時讓更少的電流透過。

樹莓派無法讀取模擬感測器。樹莓派的 GPIO 引腳是數字的，是二進位制的 - 它們只能檢測高 (1) 或低 (0) 電壓。

這些程式所做的是計時電荷充滿電容器需要多長時間。電容器就像一塊微型可充電電池。

如果光線充足，LDR 會讓大量電流透過，電容器會迅速充滿。如果光線不足，LDR 只會讓少量電流透過，電容器會緩慢充滿。

當電容器充滿時，它會突然釋放所有電荷。樹莓派可以檢測到這一點，因為它表示為高 (1) 並停止計時器。

然後 LightSensor 物件將此時間測量值反轉，以表示“亮度值”。

value = 1 – (充滿電容器所需的時間)

電容器非常靈敏，因此所需的時間只佔幾分之一秒！

高階主題

看看 lightsensor3.py 程式。在這個程式中，我們正在測試三種亮度級別 - 黑暗、中等和明亮 - 並使用 PWMLED 物件來設定 LED 的亮度，而不是簡單地開啟或關閉它。

最後，還有 lightsensor-old.py 程式。這使用了一種不太先進的方法來測量光線 - 它不使用 LightSensor 物件，而是實際上計時電容器充滿需要多長時間，以毫秒為單位並顯示此時間。

準備工作

如果您的導師沒有準備您的樹莓派和裝置，或者您沒有導師，您可以在開始之前按照以下說明進行設定。

裝置

eBay 是購買電子元件的好地方。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。
無焊接面包板 - 我們使用的是一個 25 點的小型麵包板，但任何無焊接面包板都可以。
LED。我們使用的是一個 5 毫米 (mm) 的黃色 LED。它需要足夠亮才能觸發光電管，因此黃色、綠色或白色通常比紅色或藍色效果更好。
光敏電阻 (LDR)，也稱為光電管或光電阻。我們使用的是一個 4 毫米 (mm) 的 2-20k 歐姆 LED。
電阻器。我們使用了 220 歐姆的電阻器，但 220 歐姆到 470 歐姆之間的任何電阻器都可以。
三條 20 釐米 (cm) 的公對母跳線
兩條 10 釐米 (cm) 的母對母跳線
一條 20 釐米 (cm) 的母對母跳線

更新您的樹莓派

請使用最新的 Raspbian Jessie 安裝。這應該已經安裝了 GPIOZero。

您可以透過轉到終端（選單 - 附件 - 終端）並鍵入以下內容來建立資料夾結構並下載檔案

cd
mkdir python
cd python
curl -O http://cotswoldjam.org/downloads/2018-09/lightsensor.zip
unzip lightsensor.zip

…其中 -O 是一個減號，後跟一個大寫字母 O（而不是數字零）。

檔案

本教程的原始 PDF 檔案位於 Wikimedia Commons 上：Cjam-light-sensor-nightlight.pdf

lightsensor1.py

from gpiozero import LightSensor
from time import sleep
sensor=LightSensor(18)
while True:
 print (sensor.value)
 sleep(0.2)

lightsensor2.py

from gpiozero import LightSensor, LED
from time import sleep
sensor=LightSensor(18)
led=LED(25)
sensor.threshold=0.1
while True:
 print (sensor.value)
 if ( sensor.light_detected ):
 led.off()
 else:
 led.on()
 sleep(0.2)

lightsensor3.py

from gpiozero import LightSensor, PWMLED
from time import sleep
sensor=LightSensor(18)
led=PWMLED(25)
sensor.threshold=0.1
while True:
  print (sensor.value)
  if ( sensor.value <= 0.1 ):
    led.value=1
  if ( sensor.value > 0.1 and sensor.value < 0.3 ):
    led.value=0.5
  if ( sensor.value >= 0.3 ):
    led.value=0
  sleep(0.2)

lightsensor-old.py

# Set up GPIO using the old method before we had GPIOZero
import RPi.GPIO as GPIO
from time import time,sleep
GPIO.setmode(GPIO.BCM)
GPIO.setwarnings(False)
sensor=18

while True:
  # Make sure the capacitor is fully discharged
  # Make pin 18 an output and set it to low voltage
  GPIO.setup(sensor, GPIO.OUT)
  GPIO.output(sensor, GPIO.LOW)
  # Give it a hundredth of a second to fully discharge
  sleep(0.01)

  # Make pin 18 an input and count how long it takes to stop being low
  GPIO.setup(sensor, GPIO.IN)
  # Count how long it takes to charge back up again
  # More light = faster charge
  start=time()
  while (GPIO.input(sensor) == GPIO.LOW):
    # The pass command literally does nothing
    # We use it to wait while the sensor is low
    pass

  end=time()
  # Print the time taken, to 3 decimal places
  print ("{0:.3f}".format(end-start))