【互动交通信号灯】基于Mind+Arduino入门教程03

有没有试着做上一课的课后作业呢？做出来的话，说明你已经基本掌握之前所学的东西了，如果不会也没关系，我相信，看完这个章节，前面那个问题就不攻自破了！我们这回就基于上面这个交通灯来进行一个拓展，增加一种行人按键请求通过马路的功能。当按钮被按下时，Arduino会自动反应，改变交通灯的状态，让车停下，允许行人通过。

这个项目中，我们开始要实现Arduino的互动了，也会在代码学习中掌握如何创建自己的函数。这次的代码相对长一点，耐下心来，等看完这一章，相信你能收获颇丰！

*我们之后在所需元件中将不再重复罗列以下三样，UNO、扩展板+面包板、面包线。但是，每次都还是需要用到的。

这里5个LED灯，为什么会用到了6个电阻呢？我们知道5个电阻是LED的限流电阻。还有一个电阻是给按钮的，它叫做下拉电阻（我们后面会解释）。

按图3-1的连线图连接你的电路。特别要注意的是，这次连线比较多，注意不要插错。下图中，面包板上标出淡绿色的不是跳线，只是为了说明纵向的孔导通，避免你插错。给Arduino上电前认真检查你的接线是否正确。在连线时，保持电源是断开的状态，也就是没有插USB线。

图3-1 互动交通信号灯连线图

在本项目中，需要用到变量和函数，因此我们先来学习一下如何在Mind+中新建变量以及定义函数。

STEP1：点击“新建数字类型变量”。

STEP2：输入合适的变量名。给变量命名时，可以用字母、数字、下划线开头，Mind+里面特别开发了中文变量，输入中文时在自动生成的代码中，会自动转换成汉语拼音字母。

STEP3：新变量已经建立好，以备之后使用。

*因为Mind+为我们的变量加了前缀以防冲突，所以在自动生成代码中的变量名和自己起的会不同，加上了mind_n_ 的前缀。

STEP1：点击“自定义模块”。

STEP2：输入合适的函数名。命名规则等同变量，一样可以输入汉字，Mind+会进行转化。

STEP3：此时在指令区出现了定义function，我们可以在他的下方进行编程，定义此函数的内容。

STEP4：在程序中调用函数，将function拖入到程序中，即实现了函数的调用。

连接主板和电脑，打开Mind+载入扩展库，输入样例程序3-1所示程序。

需要建立三个新变量，你有发现是哪三个吗？如在编写的时候遇到困难，可以先行阅读指令学习，了解本项目中所使用的新指令。本项目中涉及的新指令较多，需要静下心来细致地消化和吸收。

样例程序 3-1：

点击  ⬆上传到设备，给Arduino下载程序。

下载完成后，可以尝试按下按钮。看看是什么样的效果？我们可以看到整个变化过程是这样的——开始时，汽车灯为绿灯，行人灯为红灯，代表车行人停。一旦行人，也就是你，按下按钮，请求过马路，那么汽车灯由绿变黄、变红，行人灯就开始由红变绿。在行人通行的过程中，设置了一个过马路的时间crossTime，一旦到点，行人绿灯开始闪烁，提醒行人快速过马路。闪烁完毕，最终，又回到了开始的状态，汽车灯为绿灯，行人灯为红灯。

乍一看指令似乎很复杂，其实理清一下思路并不难，代码学习中将带着你一步步理解每一条指令起到了什么作用，相信你一定会很快理解整个程序是如何运行的了！

我们来看第一行代码

1. // 动态变量  

这是代码中的说明文字，可以叫做注释。

这里的注释是以”//”开始，这个符号所在行之后的文字将不被编译器编译。注释在代码中是非常有用的，它可以帮助你理解代码，如果项目比较复杂，自然而然，代码也会随之非常的长，而此时注释就会发挥很大作用，可以快速帮你回忆起这段代码的功能。同样，当把你的代码分享给别人的时候，别人也会很快理解你的代码。

还有另外一种写注释的方式，用“/*…*/”,这个符号的作用是可以注释多行，这也是与上一种注释方式的区别之处。在/*和*/中间的所有内容都将被编译器忽略，不进行编译。

例如以下文字：

/* 在这两个符号之间的文字，

都将被注释掉，编译器自动不进行编译，

注释掉的文字将会呈现灰色 */

Mind+将自动把注释的文字颜色变为灰色。

变量的内容较多，我们先来看第三、第四行

3. // 函数声明  

4. void DF_changelight();  

本课图形化编程时，在使用函数前，我们需要点击按钮，新建并命名一个新的函数。在代码编程时也是如此，需要在定义、调用函数前务必先声明！否则程序中的这一函数都无法执行。本课程中大多使用没有输入、输出的函数。它的申明格式如下：

void FunctionName ()；

其他包含输入、输出的函数声明格式，在之后的项目中遇到了会具体分析。

2. volatile float mind_n_crossTime, mind_n_changeTime, mind_n_ButtonState;  

第二行代码的作用是声明变量，每次使用一个新的变量前，我们都需要去对其声明，对应指令区的：

但变量是什么呢？

我们做个这样的比方，变量好比一个盒子，盒子的空间用来存放东西的，想要放的东西一定要比盒子小，那样才放的下，否则会溢出。变量也是一样，你存储的数据一定要在变量的范围内，否则会出现溢出。

之所以叫变量，是因为程序运行过程中，可以改变它的值。程序中，有时候会对变量值进行数字计算，变量的值也会随之发生变化。在以后的项目中，我们会有深入的了解。

在之前学习如何新建变量中，我们已经知道在给变量起名时，由于Mind+可以帮你直接转化变量名从而不产生冲突，但是在代码编程中，变量的命名有很多规则，比如在c语言中，变量名必须以一个字母开头，之后可以包含字母、数字、下划线。注意C语言认为大小写字母是不同的。C语言中还有一些特定的名称也是不能使用的，比如main，if，while等。为了避免这些特定名称作为变量名，所有这些名称在程序中显示为高亮色。

之前举例了变量像个盒子，那变量是不是也像盒子一般有不同的大小呢？就像生活中的收纳盒，小的用来装文具，大的可以放下书本，而有的专门用来存放衣物。

答案是有的！变量这个盒子有很多类型和尺寸，具体可以阅读表3-1。

表3-1程序中可能用到的变量数据类

从上面表格可以看到，变量的类型有很多，不同的数对应不同的变量，int和long是针对整数变量，char是针对字符型变量，而float，double是针对含有小数点的变量。

那又有人问，设置不同大小的盒子干嘛呢？一样大不就行啦，都设置的大一点。理论上没有什么不可以的，可是我们不能忽略一个问题，那就是微控制器的内部存储容量是有限定的。电脑有内存，我们的微控制器同样有内存。像Arduino UNO板上的用的主芯片Atmega328最大内存是32K。

在Mind+中使用图形化编程新建数字类型变量指令时，为简化使用，都采用了float型的变量并加入了volatile修饰符，这是为了兼顾使用小数、整数及在中断中使用变量，在我们手动编程时则可以根据需要选择变量类型和修饰词。

我们这里要引用一个新的概念，是全局变量和局部变量。

全局变量，例如在第二行中所声明的变量，它能在整个程序中起作用，但条件是，必须在setup()、loop()函数外声明。

3. volatile float mind_n_crossTime, mind_n_changeTime, mind_n_ButtonState;  

局部变量，例如32行中的index

32. for (int index = 0; index < 10; index++) {  }

这类变量只在自己的代码内起作用。就像我们这里for循环中的变量index，它就是个局部变量。因此在项目二中每个for循环中都有一个变量index，但它们不冲突的原因，就是它们只在自己的循环中执行。

我们接着往下看代码，会在14行发现一个新的函数 digitalRead()

14. mind_n_ButtonState = digitalRead(9);  

￭ digitalRead()  

这个函数是用来读取数字引脚状态，HIGH还是LOW（其实HIGH还有一种表达就是“1”，LOW是“0”，只是HIGH/LOW更直观）。函数需要一个传递参数——pin，这里需要读取的是按键信号，按键所在引脚是数字引脚9。

并且把读到的信号传递给变量mind_n_ButtonState，用于后面进行判断。ButtonState为 HIGH或者说为1时，说明按键被按下了。ButtonState为LOW或者0，表明按键没被按下。

*本章之前已经讲解了Mind+在代码中给变量命名时会增加前缀，行文中在提到变量时以命名时输入的变量名代替。

所以，可以直接检查state的值来判断按钮是否被按下：

15.     if (((mind_n_ButtonState==1) && ((millis()-mind_n_changeTime)>5000)))

16.     {  

17.         changelight();  

18.     }  

这里涉及新的语句——if语句。

￭ if语句

它是一种条件判断的语句，判断是否满足括号内的条件，如满足则执行花括号内的语句，如不满足则跳出if语句。

if语句格式如下：

if(表达式){

     语句；

}

表达式是指我们的判断条件，通常为一些关系式或逻辑式，也可是直接表示某一数值。如果if表达式条件为真，则执行if中的语句。表达式条件为假，则跳出if语句。

我们代码中，第一个条件是ButtonState变量为HIGH。如果按键被按下，ButtonState就会变为HIGH。第二个条件是millis()的值减changeTime的值大于5000。这两个条件之间有个“&&”符号。这是一种逻辑运算符，表示的含义是两者同时满足。

在if的判断条件中，我们可以发现这(millis()-mind_n_changeTime)>5000中有一个新的函数。

￭ millis()

millis()是一个函数，该函数是Arduino语言自有的函数，它返回值是一个时间，Arduino开始运行到执行到当前的时间，也称之为机器时间，就像一个隐形时钟，从控制器开始运行的那一刻起开始计时，以毫秒为单位。变量changeTime初始化时，不存储任何数值，只有在Arduino运行之后，将millis()值赋给它，它才开始有数值，并且随着millis()值变化而变化。通过millis()函数不断记录时间，判断两次按键之间的时间是不是大于5秒，如果在5秒之内不予反应。这样做能防止重复按键而导致的运行错误。

指令学习中已经提到了逻辑运算符，在if语句的判断条件中&&也是其中之一，常用的逻辑运算符有：

表中的1、0，既能够分别代表着高（1）、低电平（0），也能够代表着判断后的真（1）、假（0）

例如 (10 > 8) && (9<5)这一句的返回值是多少呢？

10>8我们判断后这是正确的，那么这个比较语句的返回值为1。9<5 显然是假的，返回值为0。整个语句可以简化为1 && 0， 再由上方的真值表可以得出，（10 > 8）&&（9<5 ）的返回值为0。

if语句内只有一个函数：

￭ changeLights();

这是一个函数调用的例子。该函数单独写在了loop()函数之外。我们需要使用的时，直接写出函数名就可以实现调用了。该函数是void型且后面括号内为空，所以是无返回值、无传递参数的函数。当函数被调用时，程序也就自动跳到它的函数中运行。运行完之后，再跳回主函数。需要特别注意的：函数调用时，函数名后面的括号不能省，要和所写的函数保持一致。changeLights() 函数内部程序请自行理解，这里就不做说明了。

按键一共有4个引脚，图3-2分别显示了正面与背面。而图3-3则说明了按键的工作原理。一旦按下后，左右两侧就被导通了，而上下两端始终导通。         

图 3-2 按钮结构图

 图 3-3 按钮原理图

图 3-4 按钮示意图

图3-4传达的意思是，按钮就是起到一个通断的作用。在我们这个项目中，按钮控制数字引脚是否接高电平（接5V）。按下的话，数字引脚9就能检测到为高电平。否则就是保持一个低电平的状态（接GND）。

 下拉电阻这个名词可能比较抽象，就从字的含义着手，“下拉”我们就理解为把电压往下拉，降低电压。

图 3-5 未接下拉电阻

图 3-6 有下拉电阻

    按键作为开关。当输入电路状态为HIGH的时候，电压要尽可能接近5V。输入电路状态为LOW的时候，电压要尽可能接近0V。如果不能确保状态接近所需电压，这部分电路就会产生电压浮动。所以，我们在按钮那里接了一个电阻来确保一定达到LOW，这个电阻就是所谓下拉电阻。

可以从上面两张图看到，第一张是未接下拉电阻的电路，按键没被按下时， input引脚就处于一个悬空状态。空气会使该引脚电压产生浮动，不能确保是0V。然而第二张是接了下拉电阻的电路，当没被按下时，输入引脚通过电阻接地，确保为0V，不会产生电压浮动现象。

1. 本项目内容较多，但还是希望同学们能够花点时间自己动手输入代码，不荒废每次练习的机会。

*仅编译后出现报错的可能原因（2）：

这一问题经常出现于自己声明函数，在写完函数内容后缺失了 } 这一花括号

2. 任意颜色LED 6个，做一个流水灯的效果，6盏灯从左至右依次点亮，然后再从右至左依次熄灭

3. 如果上面那个你已经完成了的话，可以尝试一下，先从中间的灯开始亮起，依次向两边扩开。下图是个变换过程的示意图。

4. 再比如，从左至右，依次亮起1个，2个，3个……

5. 再结合按钮，用按键开关和LED互动。

用一个按键，按一下控制灯亮，再按一下控制灯灭。

又或者用两个按键，一个控制灯亮，另一个控制灯灭。

玩儿法有很多，就全靠你的想象了！

文章排版：木子