一起玩转树莓派——树莓派模数/数模转换实践

Posted 2021-08-25 珲少

一起玩转树莓派（8）——树莓派模数/数模转换实践(2)

在上一篇博客中，我们介绍了在树莓派中使用模数转换芯片的基本方法，如果你对上一篇博文中介绍的内容已经有了深入的理解，那后面的应用试验对你来说将非常容易。如果不是，那么我建议你先将之前介绍的内容在研究一下：

https://blog.51cto.com/u_11643026/3180290

现在，如果你决定继续本篇博客的学习，那么我认为你已经了解了PCF8591芯片的基本用法，明白了PCF8591的接线方式，I2C总线的基本工作原理以及PCF8591的设置命令的意义和读数据的方法。

一、读取外部传感器的模拟信号

在本系列博客的上一篇文章中，我们通过读取PCF8591实验模块自带的可调节电压输出、光敏传感器和热敏传感器实现了对当前环境信息的的读取，除了可以读取当前设置的输出电压外，我们还可以获得当前的环境的温度和亮度。PCF8591实验模块自带的传感器可以让我们很方便的进行实验，其实在实际应用中，更多时候我们需要从AIN0到AIN3引脚来获取外接传感器的模拟信号。现在，我们尝试下通过AIN0和AIN1两个输入引脚来获取外接光敏和热敏传感器的数据。

1.关于实验所使用的传感器

我们这里的小实验将使用光敏和热敏传感器。

光敏模块

光敏传感器能够感应光纤的明暗变化，其实现此功能的核心在于光敏电阻，只做光敏电阻的常用材料有硫化镉、硫化铝等。这些材料在特定波长的光波照射下，其阻值会产生明显的变化。本次实验，我们使用的光敏传感器模块如下图所示：

可以看到，此模块的核心是一个光敏电阻，提供了可调节灵敏度的功能单元和两个LED指示灯，其中一个LED是电源指示灯，接通电源后会亮，另一个LED灯是电平指示灯，当光亮达到阈值时，输出引脚输出低电平，此LED灯亮，当光亮度较暗时，输出引脚输出高电平，此LED灯不亮。我们再看此模块的4个引脚：

VCC：电源引脚

GND：接地引脚

DO：数字信号输出引脚(高低电平)

AO：模拟信号输出引脚

热敏模块

本次实验我们使用的热敏模块的功能与上面将的光敏模块类似，如下图所示：

此热敏模块同样包含两个LED指示灯、灵敏度调节单元和4个引脚，引脚如下：

VCC：电源引脚

GND：接地引脚

DO：数字信号输出引脚(高低电平)

AO：模拟信号输出引脚

2.实验连线

本次实验，我们使用PCF8591读取光敏和热敏传感器的模拟信号，将其转换成数字信号被树莓派程序处理，同时，我们使用树莓派的GPIO端口来读取传感器本身输出的数字信号，首先，我们先确定要使用的PCF8591的输入引脚和要使用的树莓派GPIO引脚。

PCF8591输入引脚使用：AINO和AIN1，其中AINO读取光敏模拟信号，AIN1读取热敏模拟信号。

GPIO输入引脚使用：GPIO17和GPIO18（BCM编码方式），其中17引脚读取光敏数字信号，18引脚读取热敏数字信号。

PCF8591连线：

PCF8591	树莓派功能引脚
SCL	SCL
SDA	SDA
GND	GND
VCC	5V

光敏传感器：

光敏传感器	树莓派/PCF8591
VCC	树莓派3.3V
GND	树莓派GND
DO	树莓派GPIO11(物理引脚)
AO	PCF8591 AIN0

热敏传感器：

热敏传感器	树莓派/PCF8591
VCC	树莓派3.3V
---	---
GND	树莓派GND
---	---
DO	树莓派GPIO12(物理引脚)
---	---
AO	PCF8591 AIN1
---	---

连线最终如下图所示：

和之前相比，我们这次直接在树莓派上连接了3个元件，连线也复杂了很多，只要按照上面的表格，注意引脚的正确即可。

3.编写程序

步入正题，先上代码：

#coding:utf-8

#SMBus (System Management Bus,系统管理总线) 
import smbus   #在程序中导入“smbus”模块
import RPi.GPIO as GPIO 
import time

bus = smbus.SMBus(1)         #创建一个smbus实例

# 通过PCF8591读取模拟信号

# 数据亮度的模拟数据
def readLight():
    #发送一个控制字节到设备 表示要读取AIN0通道的数据
    bus.write_byte(0x48,0x40)   
    bus.read_byte(0x48)         # 空读一次，消费掉无效数据
    return bus.read_byte(0x48)  # 返回某通道输入的模拟值A/D转换后的数字值

def readTemperature():
    #发送一个控制字节到设备 表示要读取AIN1通道的数据
    bus.write_byte(0x48,0x41)   
    bus.read_byte(0x48)         # 空读一次，消费掉无效数据
    return bus.read_byte(0x48)  # 返回某通道输入的模拟值A/D转换后的数字值

# 通过GPIO读取数字信号

# 设置使用的引脚编码模式
GPIO.setmode(GPIO.BOARD)
# 光敏模块的数字输出引脚 BCM 17
LP = 11
# 热敏模块的数字输出引脚 BCM 18
TP = 12
# 引脚初始化
GPIO.setup(LP, GPIO.IN)
GPIO.setup(TP, GPIO.IN)

while True:
    print(\'--------分割线----------\')
    print(\'亮度数字信号：\', GPIO.input(LP))
    print(\'亮度模拟信号：\', readLight())
    print(\'温度数字信号：\', GPIO.input(TP))
    print(\'温度模拟信号：\', readTemperature())
    time.sleep(2)

上面的代码有着比较详尽的注释，这里我们无需多说，在树莓派上运行此代码，即可观察到控制台的数据输出。

二、使用操纵杆外设控制圆球移动

如果你顺利完成了上面的实验，先别急着庆祝，你会发现，和本系列前面几篇博客的内容较比，到目前为止我们并没有介绍新的知识，同时也没有做什么新颖的事情。的确如此，但是通过上面实验的练习，可以帮助你更深入的理解数模/模数转换的应用场景，并且让你能够更加灵活的对I2C总线与通用GPIO串口结合进行使用。下面我们要来做一些好玩的事情了，不知道你小时候是否有玩过“大把机”，这是一种摇杆游戏机，摇杆可以朝上下左右4个方向转动，也可以从中间按下。通常，上下左右用来控制游戏人物的行动方向，按下用来进行人物跳跃。现在，我们要来做一个简单的游戏，为树莓派连接操纵杆，控制游戏程序页面上圆球的行为，其中方向控制圆球的移动，按下操纵杆则使圆球变色。

此实验所使用的操纵杆如下图所示：

可以看到，此元件有5个引脚：

GND：接地引脚

+5V：5V电源引脚

VRX：横向坐标模拟信号输出引脚

VRY：纵向坐标模拟信号输出引脚

SW：按钮数字信号输出引脚

操作杆内部实际上封装了双向的电阻器，其阻值会根据摇杆的方向变动产生变化，从而影响引脚信号的产生变化。

1.进行连线

我相信，现在连线对你来说应该是最简单的工作了。操纵杆有模拟信号输出同时也有数字信号输出，我们依然需要结合PCF8591与树莓派GPIO一起使用。关于PCF8591的接线上面有介绍，这里不再重复。操作杆的接线方式如下：

操纵杆	树莓派/PCF8591
GND	树莓派GND
+5V	树莓派5.5V
VRX	PCF8591 AIN0
VRY	PCF8591 AIN1
SW	树莓派GPIO 11（物理引脚）

 2.编写代码

对于本实验来说，有涉及到UI开发，我们依然采用Python自带的Tkinter库，其有很好的移植性，并且其提供了Canvas画布，我们可以灵活的渲染所需要的图形。示例代码如下：

#coding:utf-8

# 导入UI模块
import tkinter as Tkinter

#SMBus (System Management Bus,系统管理总线) 
import smbus   #在程序中导入“smbus”模块
import RPi.GPIO as GPIO # 导入树莓派GPIO模块
import time # 导入定时器模块
import threading

# 主页面设置
top = Tkinter.Tk()
top.geometry(\'500x300\')
top.title("操纵杆控制圆球")

# 当前圆球的坐标
currentX = 0
currentY = 0
# 当前圆球的颜色是否红色
currentColor = True

# 进行窗口的初始化
canvas = Tkinter.Canvas(top, width=500, height=300, borderwidth=0, highlightthickness=0)
canvas.grid()

# 进化画布的初始化
circle = canvas.create_oval(currentX, currentY, 100, 100, fill="red", outline="")

# 定义移动圆球的方法
def moveCircle(c, x, y):
    global currentX, currentY
    moveX = x
    moveY = y
    if x >= 0:
        if x + currentX > 400:
            moveX = 400 - currentX
            currentX = 400
        else:
            currentX += x
    else:
        if x + currentX < 0:
            moveX = -currentX
            currentX = 0
        else:
            currentX += x
    if y >= 0:
        if y + currentY > 200:
            moveY = 200 - currentY
            currentY = 200
        else:
            currentY += y
    else:
        if y + currentY < 0:
            moveY = -currentY
            currentY = 0
        else:
            currentY += y   
    canvas.move(c, moveX, moveY)

# 定义改变圆球颜色的方法
def changeColor(c):
    global currentColor
    canvas.itemconfig(c, fill= \'red\' if currentColor else \'blue\')
    currentColor = not currentColor

bus = smbus.SMBus(1)         #创建一个smbus实例

# 通过PCF8591读取模拟信号

# 摇杆X引脚的模拟数据
def readX():
    #发送一个控制字节到设备 表示要读取AIN0通道的数据
    bus.write_byte(0x48,0x40)   
    bus.read_byte(0x48)         # 空读一次，消费掉无效数据
    return bus.read_byte(0x48)  # 返回某通道输入的模拟值A/D转换后的数字值

# 摇杆Y引脚的模拟数据
def readY():
    #发送一个控制字节到设备 表示要读取AIN1通道的数据
    bus.write_byte(0x48,0x41)   
    bus.read_byte(0x48)         # 空读一次，消费掉无效数据
    return bus.read_byte(0x48)  # 返回某通道输入的模拟值A/D转换后的数字值

# 通过GPIO读取数字信号

# 设置使用的引脚编码模式
GPIO.setmode(GPIO.BOARD)
# 按键使用引脚 BCM 17
BTN = 11
# 引脚初始化 设置下拉高电平
GPIO.setup(BTN, GPIO.IN, pull_up_down=GPIO.PUD_UP)

# 创建定时器函数，用来检查摇杆动作
def fun_timer():
    global timer
    x = readX()
    y = readY()
    press = GPIO.input(BTN)
    print(\'X：\', x)
    print(\'Y：\', y)
    print(\'按钮：\', press)

    if x <= 10:
        moveCircle(circle, -10, 0)
    if x >= 245:
        moveCircle(circle, 10, 0)
    if y <= 10:
        moveCircle(circle, 0, -10)
    if y >= 245:
        moveCircle(circle, 0, 10)

    timer = threading.Timer(0.2, fun_timer)
    timer.start()

timer = threading.Timer(0.2, fun_timer)
timer.start()

# 定义GPIO输入端口的回调
def btnCallback(channel):
    if not GPIO.input(channel):
        changeColor(circle)

# 添加输入引脚电平变化的回调函数
GPIO.add_event_detect(BTN, GPIO.FALLING, callback=btnCallback, bouncetime=200)

top.mainloop()

上面的代码有些长，但是有详尽的注释，关于UI开发方面的内容不是我们本系列博客的重点，这里我们不做过多介绍。moveCircle函数是核心的圆球移动函数，内部通过边界判定逻辑可以确保圆球不会移动到视图界面外。changeColor方法用来修改圆球的颜色，这里我们让每次按键后在红绿颜色间进行切换。readX和readY函数我们无需做过多介绍了，其通过PCF8591的AIN0和AIN1来传输摇杆的横纵坐标信号。GPIO的相关操作我们也非常熟悉了，我们通过注册回调函数来监听操作杆按钮按下的行为。

在树莓派上运行上面的代码，尝试操作下，感受下使用操纵杆控制页面元素的喜悦吧。

3.一点扩展

观察上面的示例代码，你会发现，我们使用了一些临界值来作为触发方向动作的阈值，例如10，245这种，这是因为PCF8591是8位的数模转换模块，即其转换出的数字量在0-255之间（包括0和255），对于本实验来说，我们并没有让摇杆元件传输的模拟量发挥正真的作用，想一下，你是否能够根据操作杆的旋转程度来调整圆球移动的速度呢？动手试试吧！