一起玩轉樹莓派（8）——樹莓派模數/數模轉換實踐(2)

一起玩轉樹莓派（8）——樹莓派模數/數模轉換實踐(2)

在上一篇博客中，我們介紹了在樹莓派中使用模數轉換芯片的基本方法，如果你對上一篇博文中介紹的內容已經有了深入的理解，那後面的應用試驗對你來說將非常容易。如果不是，那麼我建議你先將之前介紹的內容在研究一下：

https://my.oschina.net/u/2340880/blog/5142788

現在，如果你決定繼續本篇博客的學習，那麼我認爲你已經瞭解了PCF8591芯片的基本用法，明白了PCF8591的接線方式，I2C總線的基本工作原理以及PCF8591的設置命令的意義和讀數據的方法。

一、讀取外部傳感器的模擬信號

在本系列博客的上一篇文章中，我們通過讀取PCF8591實驗模塊自帶的可調節電壓輸出、光敏傳感器和熱敏傳感器實現了對當前環境信息的的讀取，除了可以讀取當前設置的輸出電壓外，我們還可以獲得當前的環境的溫度和亮度。PCF8591實驗模塊自帶的傳感器可以讓我們很方便的進行實驗，其實在實際應用中，更多時候我們需要從AIN0到AIN3引腳來獲取外接傳感器的模擬信號。現在，我們嘗試下通過AIN0和AIN1兩個輸入引腳來獲取外接光敏和熱敏傳感器的數據。

1.關於實驗所使用的傳感器

我們這裏的小實驗將使用光敏和熱敏傳感器。

光敏模塊

光敏傳感器能夠感應光纖的明暗變化，其實現此功能的核心在於光敏電阻，只做光敏電阻的常用材料有硫化鎘、硫化鋁等。這些材料在特定波長的光波照射下，其阻值會產生明顯的變化。本次實驗，我們使用的光敏傳感器模塊如下圖所示：

可以看到，此模塊的核心是一個光敏電阻，提供了可調節靈敏度的功能單元和兩個LED指示燈，其中一個LED是電源指示燈，接通電源後會亮，另一個LED燈是電平指示燈，當光亮達到閾值時，輸出引腳輸出低電平，此LED燈亮，當光亮度較暗時，輸出引腳輸出高電平，此LED燈不亮。我們再看此模塊的4個引腳：

VCC：電源引腳

GND：接地引腳

DO：數字信號輸出引腳(高低電平)

AO：模擬信號輸出引腳

熱敏模塊

本次實驗我們使用的熱敏模塊的功能與上面將的光敏模塊類似，如下圖所示：

此熱敏模塊同樣包含兩個LED指示燈、靈敏度調節單元和4個引腳，引腳如下：

VCC：電源引腳

GND：接地引腳

DO：數字信號輸出引腳(高低電平)

AO：模擬信號輸出引腳

2.實驗連線

本次實驗，我們使用PCF8591讀取光敏和熱敏傳感器的模擬信號，將其轉換成數字信號被樹莓派程序處理，同時，我們使用樹莓派的GPIO端口來讀取傳感器本身輸出的數字信號，首先，我們先確定要使用的PCF8591的輸入引腳和要使用的樹莓派GPIO引腳。

PCF8591輸入引腳使用：AINO和AIN1，其中AINO讀取光敏模擬信號，AIN1讀取熱敏模擬信號。

GPIO輸入引腳使用：GPIO17和GPIO18（BCM編碼方式），其中17引腳讀取光敏數字信號，18引腳讀取熱敏數字信號。

PCF8591連線：

PCF8591	樹莓派功能引腳
SCL	SCL
SDA	SDA
GND	GND
VCC	5V

光敏傳感器：

光敏傳感器	樹莓派/PCF8591
VCC	樹莓派3.3V
GND	樹莓派GND
DO	樹莓派GPIO11(物理引腳)
AO	PCF8591 AIN0

熱敏傳感器：

熱敏傳感器	樹莓派/PCF8591
VCC	樹莓派3.3V
---	---
GND	樹莓派GND
---	---
DO	樹莓派GPIO12(物理引腳)
---	---
AO	PCF8591 AIN1
---	---

連線最終如下圖所示：

和之前相比，我們這次直接在樹莓派上連接了3個元件，連線也複雜了很多，只要按照上面的表格，注意引腳的正確即可。

3.編寫程序

步入正題，先上代碼：

#coding:utf-8

#SMBus (System Management Bus,系統管理總線) 
import smbus   #在程序中導入“smbus”模塊
import RPi.GPIO as GPIO 
import time

bus = smbus.SMBus(1)         #創建一個smbus實例


# 通過PCF8591讀取模擬信號

# 數據亮度的模擬數據
def readLight():
    #發送一個控制字節到設備 表示要讀取AIN0通道的數據
    bus.write_byte(0x48,0x40)   
    bus.read_byte(0x48)         # 空讀一次，消費掉無效數據
    return bus.read_byte(0x48)  # 返回某通道輸入的模擬值A/D轉換後的數字值

def readTemperature():
	#發送一個控制字節到設備 表示要讀取AIN1通道的數據
    bus.write_byte(0x48,0x41)   
    bus.read_byte(0x48)         # 空讀一次，消費掉無效數據
    return bus.read_byte(0x48)  # 返回某通道輸入的模擬值A/D轉換後的數字值

# 通過GPIO讀取數字信號

# 設置使用的引腳編碼模式
GPIO.setmode(GPIO.BOARD)
# 光敏模塊的數字輸出引腳 BCM 17
LP = 11
# 熱敏模塊的數字輸出引腳 BCM 18
TP = 12
# 引腳初始化
GPIO.setup(LP, GPIO.IN)
GPIO.setup(TP, GPIO.IN)

while True:
	print('--------分割線----------')
	print('亮度數字信號：', GPIO.input(LP))
	print('亮度模擬信號：', readLight())
	print('溫度數字信號：', GPIO.input(TP))
	print('溫度模擬信號：', readTemperature())
	time.sleep(2)

上面的代碼有着比較詳盡的註釋，這裏我們無需多說，在樹莓派上運行此代碼，即可觀察到控制檯的數據輸出。

二、使用操縱桿外設控制圓球移動

如果你順利完成了上面的實驗，先別急着慶祝，你會發現，和本系列前面幾篇博客的內容較比，到目前爲止我們並沒有介紹新的知識，同時也沒有做什麼新穎的事情。的確如此，但是通過上面實驗的練習，可以幫助你更深入的理解數模/模數轉換的應用場景，並且讓你能夠更加靈活的對I2C總線與通用GPIO串口結合進行使用。下面我們要來做一些好玩的事情了，不知道你小時候是否有玩過“大把機”，這是一種搖桿遊戲機，搖桿可以朝上下左右4個方向轉動，也可以從中間按下。通常，上下左右用來控制遊戲人物的行動方向，按下用來進行人物跳躍。現在，我們要來做一個簡單的遊戲，爲樹莓派連接操縱桿，控制遊戲程序頁面上圓球的行爲，其中方向控制圓球的移動，按下操縱桿則使圓球變色。

此實驗所使用的操縱桿如下圖所示：

可以看到，此元件有5個引腳：

GND：接地引腳

+5V：5V電源引腳

VRX：橫向座標模擬信號輸出引腳

VRY：縱向座標模擬信號輸出引腳

SW：按鈕數字信號輸出引腳

操作杆內部實際上封裝了雙向的電阻器，其阻值會根據搖桿的方向變動產生變化，從而影響引腳信號的產生變化。

1.進行連線

我相信，現在連線對你來說應該是最簡單的工作了。操縱桿有模擬信號輸出同時也有數字信號輸出，我們依然需要結合PCF8591與樹莓派GPIO一起使用。關於PCF8591的接線上面有介紹，這裏不再重複。操作杆的接線方式如下：

操縱桿	樹莓派/PCF8591
GND	樹莓派GND
+5V	樹莓派5.5V
VRX	PCF8591 AIN0
VRY	PCF8591 AIN1
SW	樹莓派GPIO 11（物理引腳）

 2.編寫代碼

對於本實驗來說，有涉及到UI開發，我們依然採用Python自帶的Tkinter庫，其有很好的移植性，並且其提供了Canvas畫布，我們可以靈活的渲染所需要的圖形。示例代碼如下：

#coding:utf-8

# 導入UI模塊
import tkinter as Tkinter

#SMBus (System Management Bus,系統管理總線) 
import smbus   #在程序中導入“smbus”模塊
import RPi.GPIO as GPIO # 導入樹莓派GPIO模塊
import time # 導入定時器模塊
import threading


# 主頁面設置
top = Tkinter.Tk()
top.geometry('500x300')
top.title("操縱桿控制圓球")

# 當前圓球的座標
currentX = 0
currentY = 0
# 當前圓球的顏色是否紅色
currentColor = True

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

# 進化畫布的初始化
circle = canvas.create_oval(currentX, currentY, 100, 100, fill="red", outline="")

# 定義移動圓球的方法
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)

# 定義改變圓球顏色的方法
def changeColor(c):
    global currentColor
    canvas.itemconfig(c, fill= 'red' if currentColor else 'blue')
    currentColor = not currentColor


bus = smbus.SMBus(1)         #創建一個smbus實例

# 通過PCF8591讀取模擬信號

# 搖桿X引腳的模擬數據
def readX():
    #發送一個控制字節到設備 表示要讀取AIN0通道的數據
    bus.write_byte(0x48,0x40)   
    bus.read_byte(0x48)         # 空讀一次，消費掉無效數據
    return bus.read_byte(0x48)  # 返回某通道輸入的模擬值A/D轉換後的數字值

# 搖桿Y引腳的模擬數據
def readY():
	#發送一個控制字節到設備 表示要讀取AIN1通道的數據
    bus.write_byte(0x48,0x41)   
    bus.read_byte(0x48)         # 空讀一次，消費掉無效數據
    return bus.read_byte(0x48)  # 返回某通道輸入的模擬值A/D轉換後的數字值

# 通過GPIO讀取數字信號

# 設置使用的引腳編碼模式
GPIO.setmode(GPIO.BOARD)
# 按鍵使用引腳 BCM 17
BTN = 11
# 引腳初始化 設置下拉高電平
GPIO.setup(BTN, GPIO.IN, pull_up_down=GPIO.PUD_UP)

# 創建定時器函數，用來檢查搖桿動作
def fun_timer():
    global timer
    x = readX()
    y = readY()
    press = GPIO.input(BTN)
    print('X：', x)
    print('Y：', y)
    print('按鈕：', 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()

# 定義GPIO輸入端口的回調
def btnCallback(channel):
    if not GPIO.input(channel):
        changeColor(circle)

# 添加輸入引腳電平變化的回調函數
GPIO.add_event_detect(BTN, GPIO.FALLING, callback=btnCallback, bouncetime=200)

top.mainloop()

上面的代碼有些長，但是有詳盡的註釋，關於UI開發方面的內容不是我們本系列博客的重點，這裏我們不做過多介紹。moveCircle函數是核心的圓球移動函數，內部通過邊界判定邏輯可以確保圓球不會移動到視圖界面外。changeColor方法用來修改圓球的顏色，這裏我們讓每次按鍵後在紅綠顏色間進行切換。readX和readY函數我們無需做過多介紹了，其通過PCF8591的AIN0和AIN1來傳輸搖桿的橫縱座標信號。GPIO的相關操作我們也非常熟悉了，我們通過註冊回調函數來監聽操作杆按鈕按下的行爲。

在樹莓派上運行上面的代碼，嘗試操作下，感受下使用操縱桿控制頁面元素的喜悅吧。

3.一點擴展

觀察上面的示例代碼，你會發現，我們使用了一些臨界值來作爲觸發方向動作的閾值，例如10，245這種，這是因爲PCF8591是8位的數模轉換模塊，即其轉換出的數字量在0-255之間（包括0和255），對於本實驗來說，我們並沒有讓搖桿元件傳輸的模擬量發揮正真的作用，想一下，你是否能夠根據操作杆的旋轉程度來調整圓球移動的速度呢？動手試試吧！

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