基于STEP Pico制作一个交通灯控制器

内容介绍

一、项目介绍

具体要求：仿真马路上的交通灯的工作状态切换，利用板上的红、黄、绿三种颜色的LED显示道路状态的切换，行人按键时，具有优先功能

实现方式：利用板上的3个不同颜色的LED模拟交通灯，程序会轮流切换三个灯的状态，并根据按键的输入（中断或查询机制）调整交通灯的切换

二、环境配置

1、Thonny：

作为官方推荐的开发软件，页面简洁，功能齐全，便于操作，适合嵌入式系统开发的初学者。

2、树莓派Pico平台:

STEP Pico是一款低成本，高性能的微控制器开发板，具有灵活数字接口（完全兼容Raspberry Pi Pico)。硬件上，采用Raspberry Pi官方自主研发的RP2040微控制器芯片，搭载了ARMCortex MO+双核处理器，高达133MHz的运行频率，内置了264KB SRAM和2MB闪存，还板载有多达26个多功能的GPIO引脚。软件上，可选择树莓派提供的C/C++SDK，或者使用MicroPython进行开发，且配套有完善的开发资料教程，可方便快速入门开发并嵌入到产品中。

三、设计思路

交通灯控制器是一种生活中很常见的系统，它可以定时改变信号灯，观察行人是否要过马路，以及根据交通流量调整信号灯的时间，与附近的交通灯系统通话，以确保整个交通网络保持顺畅运行。完整实现交通灯控制器的所有功能过于复杂，但我们可以利用STEP Pico开发板制作一个简易的交通灯控制器，实现其一部分功能。

在树莓派Pico的学习板上，有4个LED灯，分别为R（红色）、G（绿色）、B（蓝色）、Y（黄色），我们可以使用其中的三个来仿真现实中的交通灯的工作状态：

红色LED亮表示禁止车辆通行，行人可以过马路；

黄色LED亮表示交通状态就要改变；

绿色LED亮表示可以车辆再次通行；

所以我们设计交通灯的流程：首先是红灯亮5秒表示禁止车辆通行，行人可以过马路，然后黄灯亮2秒表示交通状态要变为绿灯，之后绿灯亮5秒表示车辆可以再次通行，最后黄灯亮2秒表示交通状态要变成红灯，进入新的一个循环。

同时加入行人对灯的控制，当行人按下K1键时，下次循环开始后，红灯亮的时间将会延长5秒，同时蜂鸣器会发出声音，提醒行人可以安全过马路。如果行人未按下KI键，则一切正常循环。

四、设计流程图

五、功能实现

红灯效果：

Fto_ZXM5iws756pZ1-h3m3skKdbA

黄灯效果：

FqWys8AD8ZkUYPyTNPDKSCULkmLz

绿灯效果：

FlTPNGSnbhsCci9QcJPtkNwKVfiZ

六、代码介绍

初始化配置，导入machine库，这样我们就可以控制Pico的GPIO引脚；为了添加灯之间的延迟，并能够控制灯的关闭时间，导入time库。

from board import pin_cfg
from button import k1
from machine import Pin, PWM
import time

配置蜂鸣器

pwm = PWM(Pin(pin_cfg.buzzer))#蜂鸣器
def pitch(frequency, duration=0):
    pwm.freq(frequency)
    pwm.duty_u16(3000)
    time.sleep_ms(duration)

配置管脚属性，可以使我们很清晰地知道哪个管脚控制哪个颜色的led灯，便于接下来的编程。

#配置好管脚属性
r=Pin(pin_cfg.red_led,Pin.OUT)#红
y=Pin(pin_cfg.yellow_led,Pin.OUT)#黄
g=Pin(pin_cfg.green_led,Pin.OUT)#绿

由于实际的交通灯不会只循环一次，即便没有交通堵塞，没有人通行，它们也会一直运行着。所以我们需要建立一个无限循环，使程序一直运行下去。

while True:#构建无限循环

接下来是一个循环里控制各个LED的亮灭，这里value（1）控制灯亮，value（0）控制灯灭，同时调用time.sleep延时，来控制各个LED灯亮的时间。

    r.value(1)#灯亮
    time.sleep(5)#延时
    r.value(0)#灯灭
    y.value(1)#灯亮
    time.sleep(2)#延时
    y.value(0)#灯灭
    g.value(1)#灯亮
    time.sleep(5)#延时
    g.value(0)#灯灭
    y.value(1)#灯亮
    time.sleep(2)#延时
    y.value(0)#灯灭

最终交通灯的状态就是：

1、首先是红色LED亮5秒表示禁止车辆通行，行人可以过马路；

2、然后是红灯熄灭，黄色LED亮起2秒表示交通状态就要变成绿灯，车辆可以通行；

3、然后是黄灯熄灭，绿色LED亮起5秒表示可以车辆再次通行；

4、然后是绿灯熄灭，黄灯亮起2秒，表示马上要变成红灯，车辆马上要禁止通行。

5、之后黄灯熄灭，红灯亮起，进入新的循环。

最后我们加上行人对交通灯的控制，由于现实生活中真正的红绿灯并不仅仅是用于道路车辆的，也要考虑到行人的通行。在繁忙的马路上，我们需要让行人也有机会安全地通过。所以我们加入了行人的控制，使得交通灯控制系统可以根据行人的按键来决定交通灯的状态变化。所以我增加了一个行人可以控制的按键开关K1，这样当行人按下K1键后，下一次行人的通行时间将会延长，同时再增加一个蜂鸣器，用于提醒行人可以安全地过马路了。

  if k1.value()==True:#行人按下按键，延长红灯时间
        r.value(1)
        for i in range(5):#循环声音5次，提醒行人可安全过马路
             for freq in range(880, 1760, 16):
                  pitch(freq, 6)
             for freq in range(1760, 880, -16):
                  pitch(freq, 6)
    pwm.deinit()

七、问题与计划

本次寒假一起练项目制作交通灯控制器使我受益匪浅，但由于是第一次接触micropython，还不是很熟练，所以最后实现的功能比较简陋，只满足了最基本的要求。看完直播课，我发现也可以用C/C++来进行编程，但由于本人能力不足，尝试了之后最后还是由于种种原因并没能实现。在接下来的时间里，我计划完善一下这次的项目，并且丰富一下功能，比如本次实现的只是一个路口的红绿灯，但现实中的一个十字路口有4个红绿灯进行控制，通过切换按键，可以分别对四个路口的红绿灯单独编程，使其可以互相配合，达成真正的红绿灯的功能。此时行人按下按键，不仅要改变本路口的交通灯能，也要相应的改变其他三个路口的状态，这是非常复杂的工程，非常具有挑战性，接下来我会去尝试逐步实现这个功能。