微控制器（MCU）幾乎存在于你日常使用的所有電子產(chǎn)品中，例如交通燈。交通燈在控制器的作用下，控制器確保整個(gè)交通網(wǎng)絡(luò)保持順暢。

雖然構(gòu)建大型交通管理系統(tǒng)是一個(gè)非常高級(jí)的項(xiàng)目，但構(gòu)建由樹(shù)莓派 Pico 驅(qū)動(dòng)的微型模擬器本身就很簡(jiǎn)單。通過(guò)這個(gè)項(xiàng)目，你將看到如何控制多個(gè) LED，設(shè)置不同的時(shí) 間，以及如何在程序的其余部分繼續(xù)運(yùn)行時(shí)監(jiān)控一個(gè)按鈕輸入，使用一種稱為線程的技術(shù)。

搭建這個(gè)項(xiàng)目，你需要：
– 樹(shù)莓派 Pico
– 面包板
– 紅色、黃色、綠色的 LED
– 330Ω 電阻 3 個(gè)
– 一個(gè)有源蜂鳴器
– 一組公對(duì)公跳線
– microUSB 數(shù)據(jù)線

將 Pico 連接到樹(shù)莓派或其他運(yùn)行 Thonny MicroPython IDE 的計(jì)算機(jī)。

簡(jiǎn)易的交通燈

首先用面包板搭建一個(gè)簡(jiǎn)單的紅綠燈系統(tǒng)電路，如圖所示。拿起你的紅色LED燈，把紅色 LED 插到面包板上，讓它跨過(guò)中間的分割線。使用一個(gè) 330Ω 電阻和跳線串連到 Pico 上。其中，LED 較長(zhǎng)的腳和電阻連接，較短的腳和 Pico 的 GND 引腳通過(guò)跳線連通。

黃色和綠色的 LED 也類似處理，但使用的 Pico 引腳不同，參考圖片所示。

啟動(dòng) Thonny。創(chuàng)建一個(gè)新的程序，然后開(kāi)始導(dǎo)入 machine 庫(kù)，以便你可以控制你的 GPIO 引腳：

import machine

你還需要導(dǎo)入 utime 庫(kù)，以便你可以在亮燈與滅燈之間添加延遲：

import utime

在你控制你 Pico 的 GPIO 口的任何程序里，在使用前都你將需要對(duì)它進(jìn)行設(shè)置：

led_red = machine.Pin(15, machine.Pin.OUT)
led_amber = machine.Pin(14, machine.Pin.OUT)
led_green = machine.Pin(13, machine.Pin.OUT)

這些線將 GP15、GP14 和 GP13 引腳設(shè)置為輸出，每個(gè)引腳都有一個(gè)述性的名稱，以便于代碼通俗易懂。

真正的紅綠燈不會(huì)一閃而過(guò)然后停下來(lái)，它們會(huì)不停地開(kāi)著，即使那里不塞車(chē)，但為了讓你 的程序?qū)崿F(xiàn)類似的效果，你需要建立一個(gè)無(wú)限循環(huán)：

while True:

下面的每一行都需要縮進(jìn)四個(gè)空格，這樣 MicroPython 就知道它們是循環(huán)的一部分：

led_red.value(1)
utime.sleep(5)
led_amber.value(1)
utime.sleep(2)
led_red.value(0)
led_amber.value(0)
led_green.value(1)
utime.sleep(5)
led_green.value(0)
led_amber.value(1)
utime.sleep(5)
led_amber.value(0)

單擊 Run 并將程序保存到 Pico 中，文件名為 Traffic_Lights.py。觀察 LED，首先紅色的 LED 燈會(huì)亮起來(lái)，告訴交通停止；接下來(lái)，黃色 LED 將會(huì)亮起，警告司機(jī)信號(hào)燈即將改變；接下來(lái)，兩個(gè) LED 都關(guān)閉，綠色 LED 亮起，讓車(chē)輛知道它可以通過(guò)；然后綠色的 LED 熄滅，黃色的 LED 亮起來(lái)，警告司機(jī)信號(hào)燈又要變了；最后，黃色 LED 熄滅，回路從開(kāi)始重新啟動(dòng)，紅色 LED 亮起。

這個(gè)顯示狀態(tài)會(huì)一直循環(huán)直到你按下停止按鈕，因?yàn)樗纬闪艘粋€(gè)無(wú)限循環(huán)。它是基于現(xiàn)實(shí) 世界中英國(guó)交通控制系統(tǒng)中使用的交通燈模式。

然而，真正的紅綠燈不僅僅是道路車(chē)輛的紅綠燈，它們也在那里保護(hù)行人，讓他們有機(jī)會(huì)安全 地穿過(guò)繁忙的道路。在英國(guó)，最常見(jiàn)的類型這些燈被稱為行人操作用戶友好型智能交叉口。行人要過(guò)馬路的時(shí)候手動(dòng)按下按鈕，蜂鳴器發(fā)出提示讓行人過(guò)馬路。

要實(shí)現(xiàn)這個(gè)功能，需要兩樣?xùn)|西：一個(gè)按鈕開(kāi)關(guān)，這樣行人就可以要求車(chē)燈讓他們過(guò)馬路；一個(gè)蜂鳴器，讓行人知道什么時(shí)候輪到他們穿越馬路。將這些連接到你的面包板，如圖所示。

開(kāi)關(guān)通過(guò)面包板連接 Pico 的 GP16 和 3V3 上，蜂鳴器則連接 GP12 和 GND 上。

如果你再次運(yùn)行你的程序，你會(huì)發(fā)現(xiàn)按鈕和蜂鳴器沒(méi)有什么反應(yīng)。那是因?yàn)槟氵€沒(méi)有告訴你的 程序如何使用它們。在 Thonny 中，請(qǐng)返回編輯控制 LED 的行，并在下面添加以下兩條新行：

button = machine.Pin(16, machine.Pin.IN, machine.Pin.PULL_DOWN)
buzzer = machine.Pin(12, machine.Pin.OUT)

程序?qū)⒁_ GP16 上的按鈕設(shè)置為輸入模式，控制蜂鳴器引腳的引腳 GP12 上的設(shè)置為輸出。請(qǐng)記住，Pico 有內(nèi)置的可編程電阻的輸入，我們?yōu)楸緯?shū)中的項(xiàng)目設(shè)置為下拉模式。這 意味著引腳的電壓被拉到 0V（它的邏輯電平是0），除非它連接到 3.3V 電源（在這種情況下，它 的邏輯電平將是1，直到斷開(kāi)）。

接下來(lái)，你需要一種方法來(lái)讓程序不斷監(jiān)控按鈕的價(jià)值。以前，你的所有程序都通過(guò)一系列說(shuō) 明一步一步地工作，一次只做一件事。你的紅綠燈程序同樣，當(dāng)它運(yùn)行時(shí)，MicroPython 會(huì)一步一步地瀏覽你的指示，打開(kāi)和關(guān)閉 LED。

對(duì)于一套基本的紅綠燈，這就足夠了。不過(guò)，對(duì)于設(shè)置了行人手動(dòng)按鈕的交叉口，你的程序需要能夠記錄按鈕是否以不中斷紅綠燈的方式按下。要做到這一點(diǎn)，你需要使用到一個(gè)新的庫(kù)：_thread。返回到程序的開(kāi)始部分，在那里你導(dǎo)入 machine 和 utime 庫(kù)，并導(dǎo)入 _thread 庫(kù)：

import _thread

線程實(shí)際上是一個(gè)小的、部分獨(dú)立的程序。你可以將前面編寫(xiě)的控制燈的循環(huán)視為程序的主線程，并使用 _thread 庫(kù)創(chuàng)建一個(gè)同時(shí)運(yùn)行的額外線程。

可視化線程的簡(jiǎn)單方法是將每個(gè)線程都想象成廚房里的獨(dú)立人員，當(dāng)廚師準(zhǔn)備主菜時(shí)，其 他人正在制作醬汁。目前，你的程序只有一個(gè)線程：控制紅綠燈的線程。然而，為 Pico 提供算力的 RP2040 微控制器有兩個(gè)處理核心，意思是，就像廚房中的廚師和副廚師一樣，你可以同時(shí)運(yùn)行兩個(gè)線程來(lái)完成更多的工作。

在制作另一個(gè)線程之前，你需要一種方法讓新線程將信息傳回主線程，并且你可以使用全局 變量做到這一點(diǎn)。在此之前，你一直在處理的變量稱為局部變量，并且僅在程序的一個(gè)部分工作：一個(gè)全局變量在任何地方都有效，這意味著一個(gè)線程可以更改值，另一個(gè)線程可以檢查它是否已更改。

首先，你需要?jiǎng)?chuàng)建一個(gè)全局變量。在 buzzer = 這行下面，添加以下內(nèi)容：

global button_pressed
button_pressed = False

這將把 button_pressed 設(shè)置為一個(gè)全局變量，并給它一個(gè)默認(rèn)值 False，意思是當(dāng)程序啟動(dòng)時(shí)，按鈕還沒(méi)有被按下。下一步是定義線程，通過(guò)添加下面的行讓程序更具有可讀性：

def button_reader_thread():
global button_pressed
while True:
if button.value() == 1:
button_pressed = True

添加的第一行定義了線程，并給它一個(gè)名稱來(lái)述它的用途：讀取按鈕輸入的線程。就像在編寫(xiě) 循環(huán)時(shí)，MicroPython 需要將線程中包含的所有內(nèi)容縮進(jìn) 4 個(gè)空格，這樣它就知道線程從哪里開(kāi)始和結(jié)束。

下一行讓 MicroPython 知道你將更改全局 button_pressed 變量的值。如果你只想檢查該值，則不需要這一行—但是沒(méi)有這一行，你就不能對(duì)變量進(jìn)行任何更改。

接下來(lái)，你設(shè)置了一個(gè)新的循環(huán)，這意味著接下來(lái)需要一個(gè)新的四空格縮進(jìn)，總共是八個(gè)縮進(jìn)，這樣 MicroPython 就知道循環(huán)是線程的一部分，下面的代碼也是循環(huán)的一部分。這個(gè)嵌套代碼在多個(gè)水平 MicroPython 縮進(jìn)是很常見(jiàn)的。

下一行是一個(gè)條件語(yǔ)句，用于檢查按鈕的值是否為 1。因?yàn)?Pico 使用一個(gè)內(nèi)部下拉電 阻，當(dāng)按鈕沒(méi)有被按下時(shí)，讀取的值是 0，表示在條件下的代碼永遠(yuǎn)不會(huì)運(yùn)行。只有當(dāng)按鈕被按下時(shí)，線程的最后一行才會(huì)運(yùn)行：這一行將 button_pressed 變量設(shè)置為 True，讓程序的其余部分知道按鈕已被按下。

你可能注意到，在線程中沒(méi)有任何東西可以將 button_pressed 變量重置回當(dāng)按鈕被按下后 釋放時(shí)為 False。這是有原因的，雖然你可以在交通燈周期的任何時(shí)候按下過(guò)馬路的按鈕，但它只有在交通燈變紅、你可以安全過(guò)馬路時(shí)才會(huì)生效。你的新線程需要做的就是在按鈕被按下時(shí)改變變量；當(dāng)行人安全過(guò)馬路時(shí)，主線程會(huì)將其重置為 False。

定義一個(gè)線程并不會(huì)使它自動(dòng)運(yùn)行，可以在程序中的任何地方啟動(dòng)一個(gè)線程，并且需要明確地告訴 _thread 庫(kù)何時(shí)啟動(dòng)線程。與運(yùn)行普通代碼不同，運(yùn)行線程不會(huì)停止程序的其余部分，當(dāng)線程啟動(dòng)時(shí)，MicroPython 將繼續(xù)運(yùn)行程序的下一行。

在你的線程下面新建一行，刪除所有 Thonny 為你自動(dòng)添加的縮進(jìn)，如下所示：

_thread.start_new_thread(button_reader_thread, ())

這告訴 _thread 庫(kù)啟動(dòng)前面定義的線程。此時(shí)，線程將開(kāi)始運(yùn)行，并迅速進(jìn)入循環(huán)：每秒檢查按鈕數(shù)千次，看它是否被按下。與此同時(shí)，主線程將繼續(xù)執(zhí)行程序的主要部分。

現(xiàn)在點(diǎn)擊 Run 按鈕。你會(huì)看到交通燈和以前一樣，沒(méi)有延遲或停頓。但是，如果你按下按鈕，什么也不會(huì)發(fā)生，因?yàn)槟氵€沒(méi)有添加代碼來(lái)實(shí)際響應(yīng)按鈕。

轉(zhuǎn)到你的主循環(huán)的開(kāi)始，在 True: 的正下方，添加以下代碼：記住要注意嵌套縮進(jìn):

if button_pressed == True:
  led_red.value(1)
  for i in range(10):
    buzzer.value(1)
    utime.sleep(0.2)
    buzzer.value(0)
    utime.sleep(0.2)
  global button_pressed
  button_pressed = False

這段代碼檢查 button_pressed 全局變量，以查看自上次循環(huán)運(yùn)行以來(lái)，按鈕開(kāi)關(guān)是否在任何時(shí)候被按下。如果有，就像你之前的按鈕閱讀線程報(bào)告的那樣，它開(kāi)始運(yùn)行一段代碼，首先打開(kāi)紅色 LED 燈來(lái)阻止交通，然后蜂鳴器響十次——讓行人知道該過(guò)馬路了。

最后，最后兩行將 button_pressed 變量重置為 False，因此下次循環(huán)運(yùn)行時(shí)，除非再次按下按鈕，否則不會(huì)觸發(fā)行人過(guò)馬路代碼。你將看到，在條件語(yǔ)句中不需要使用 global button_pressed 來(lái)檢查變量的狀態(tài)；只有當(dāng)你想要更改變量并使該更改影響程序的其他部 分時(shí)，才需要使用它。

最終程序如下：

import machine
import utime
import _thread


led_red = machine.Pin(15, machine.Pin.OUT)
led_amber = machine.Pin(14, machine.Pin.OUT)
led_green = machine.Pin(13, machine.Pin.OUT)
button = machine.Pin(16, machine.Pin.IN, machine.Pin.PULL_DOWN)
buzzer = machine.Pin(12, machine.Pin.OUT)


global button_pressed
button_pressed = False


def button_reader_thread():
  global button_pressed
  while True:
    if button.value() == 1:
      button_pressed = True


_thread.start_new_thread(button_reader_thread, ())


while True:
  if button_pressed == True:
    led_red.value(1)
    for i in range(10):
      buzzer.value(1)
      utime.sleep(0.2)
      buzzer.value(0)
      utime.sleep(0.2)


    global button_pressed
    button_pressed = False


led_red.value(1)
utime.sleep(5)
led_amber.value(1)
utime.sleep(2)
led_red.value(0)
led_amber.value(0)
led_green.value(1)
utime.sleep(5)
led_green.value(0)
led_amber.value(1)
utime.sleep(5)
led_amber.value(0)

點(diǎn)擊 Run 圖標(biāo)。首先，程序?qū)⒄＿\(yùn)行，交通燈將按照通常的模式亮和關(guān)。按下按鈕開(kāi)關(guān)：如果程序當(dāng)前在它的循環(huán)過(guò)程中，在到達(dá)終點(diǎn)并再次循環(huán)之前不會(huì)發(fā)生任何事情，這時(shí)紅燈會(huì)變亮，蜂鳴器會(huì)提示你可以在道路上安全通過(guò)了。

過(guò)馬路的時(shí)候按下按鈕，紅燈保持點(diǎn)亮，蜂鳴器響 10 次。之后蜂鳴器不再響了，紅燈仍然亮著，所以任何在蜂鳴器發(fā)出時(shí)開(kāi)始過(guò)馬路的人 都有時(shí)間在車(chē)輛允許通行之前到達(dá)另一邊。

恭喜你！你已經(jīng)建立了你自己的海雀交叉口！