蓝桥杯树莓派模拟题解析一：智能灯

2021-06-24牟晓东

电脑报 2021年4期

牟晓东

蓝桥杯大赛是工信部人才交流中心举办的全国性专业信息技术赛事，为了更加全面和科学地评测学生的科技素养、逻辑思维和编程能力，从2021年的第12届起，青少组地区选拔赛开始采用STEMA评测考试。在11～18岁青少年创意编程大赛的STEMA测评Raspberry Pi树莓派-高级组中，编程题往往会被精心设置一定难度的“坑儿”，需要参赛者仔细审题并慎重作答，《电脑报》将通过解析一系列模拟题让大家更好地理解大赛的新变化。

第一题“智能灯”（难度系数1，18个计分点）：

随着科技的发展，越来越多的设备都拥有了自己的“智能”，现在我们就来制作一个可以自己调节亮度的“智能灯”。

硬件准备：

1个光敏传感器【接入A0#管脚】，1个LED小灯【接入5#管脚】，1个模数转换模块【接入专用接口】，杜邦线若干（公对母，母对母，公对公）

编程实现：

（1）程序开始时，LED灯点亮;

（2）当环境光线变暗时，LED灯的亮度自动调高变亮;

（3）当环境光线变亮时，LED灯的亮度自动调低变暗;

（4）如此循环。

判断标准：

3分：实现“编程实现”中的（1）; 6分：实现“编程实现”中的（2）;

6分：实现“编程实现”中的（3）; 3分：完全符合题意。

1.审清题意，抓住关键点

“智能灯”的关键考点是“自己调节亮度”，通过光敏传感器来监测周围环境的光线值范围，作为控制信号对LED灯进行亮度调节。

（1）光敏传感器有两种信号输出：D（Digital）数字和A（Analog）模拟，本题需要使用的是模拟信号，数字信号的两个值（0和1）无法实现信号的梯度大范围变化，所以要安装模数转换模块。

（2）编程时对LED灯进行“点亮”和“熄灭”有多种方法（包括“智能硬件”→“常用”中的“控制2号小灯亮”和“基础”中的“设置GPIO2为有电”），但要实现亮度的明暗程度调节只能使用“基础”中的“控制18号GPIO输出PWM1000”语句来实现。PWM即“Pulse Width Modulation”，意思是“脉冲宽度调制”，在开源硬件编程中通常用来控制电机的转速或LED灯的明暗程度（类似于武侠小说中“使用三成功力”的描述）。

（3）LED灯的PWM值范围是0-3000，而光敏傳感器所检测到的周围环境光线模拟值是0-32767，二者间必须要使用“映射”进行数据比例转换后才能去控制LED的亮度控制。

2.实验器材的安装

按照题目要求，首先将一支LED灯插入扩展板的5#管脚，特别要注意“长腿为正极、短腿为负极”;然后将模数转换模块的长针脚插入IIC区域，注意标注一定要正确对应;接着将光敏传感器插入24号插孔，同样要特别注意四个针脚的标注，VCC代表电源正极，GND代表接地，模拟信号端连接的是扩展板A0#管脚;最后，给树莓派接通电源，启动操作系统（如图1）。

3.编程实现“智能灯”

（1）进入平台编程环境

浏览器访问http：//www.gdwrobot.cn/登录古德微机器人平台，点击“设备控制”切换至“积木”编程区。

（2）光敏传感器模拟信号的处理

建立变量“光线强度”，为其赋值为“基础”中的“从ADS 0 获取模拟信号”，因为光敏传感器模拟信号端是插接在扩展板24号的A0#管脚;同时，可构建使用“输出调试信息‘光线强度”语句，将该数据输出显示在LOG区。

（3）映射LED的PWM值

建立第二个变量“小灯PWM”，使用“映射数字”语句将“光线强度”的0-32767映射为自己的取值范围：0-3000。由于中间很多数据不能整除会产生小数，因此需要在前面添加一个“获取整数”模块;同样是为了程序调试的方便，再构建使用“输出调试信息‘小灯PWM”语句。

（4）控制LED灯的亮度

添加“控制5号GPIO输出PWM”语句，其参数设置为变量“小灯PWM”，实现从“光线强度”到“小灯PWM”控制LED灯亮度的功能。

（5）其他细节

将以上语句全部放置于“重复当真”的循环结构中，同时别忘记在循环体最后添加一条“等待0.1秒”语句，目的是防止该循环过快，大量占用系统资源。另外，在循环结构开始之前要添加“控制5号小灯亮”语句，实现题目第（1）问（程序开始时点亮LED灯）的要求（如图2）。

4.运行程序，检测“智能灯”

点击“连接设备”，出现五个绿色对钩提示，说明与树莓派操作系统连接成功;接着点击“运行”按钮，可以观察到LED灯被点亮。此时，借助小挡板将光敏电阻进行部分遮盖（模拟环境光线变暗），LED灯的亮度开始提高，同时在LOG区也分别显示有“光线强度”值（如15476、15998等）和“小灯PWM”值（如1416、1464等）（如图3）。如果再尝试使用手机的“手电筒”去照射光敏传感器的话，也会观察到LED灯的亮度会降低——需要将LED灯与光敏传感器用挡板“隔离”（手电筒的光线会影响到对LED亮度的观察）。