一起玩转树莓派——树莓派模数/数模转换实践

时人不识凌云木，直待凌云始道高。这篇文章主要讲述一起玩转树莓派——树莓派模数/数模转换实践相关的知识，希望能为你提供帮助。
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【一起玩转树莓派——树莓派模数/数模转换实践】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：

文章图片

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：

文章图片

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：

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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 timebus = 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：

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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 currentColorbus = 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！