藍橋杯青少年創(chuàng)意編程大賽樹莓派模擬題四：“絢麗彩燈”

牟曉東

本文以模擬題“絢麗彩燈”為例，進行題目解析。

第四題“絢麗彩燈”（難度系數(shù)4，30個計分點）：

每逢節(jié)日，可以看到商場各地都掛著絢麗的彩燈，它們通過顏色變換，可以實現(xiàn)各種各樣的絢麗效果，現(xiàn)制作一些絢麗的彩燈效果。

硬件準備：

1個按鍵模塊【接入25#引腳】，1個數(shù)碼管【接入IIC接口】，燈帶（60顆燈珠）【接入18#引腳】，杜邦線若干。

編程實現(xiàn)：

（1）程序開始時，數(shù)碼管只有最后一位顯示0，燈帶熄滅;

（2）當(dāng)按鍵每被按一次時，數(shù)碼管最后一位顯示的數(shù)字都在之前的基礎(chǔ)上加1，當(dāng)數(shù)碼管最后一位顯示4時，再按一次，數(shù)碼管顯示1，如此重復(fù)1-4的顯示;

（3）當(dāng)數(shù)碼管顯示1的時候，燈帶前面30個燈亮紅色，后面30個燈亮藍色;

（4）當(dāng)數(shù)碼管顯示2的時候，燈帶以紅色和藍色交叉顯示，最前面為紅色;

（5）當(dāng)數(shù)碼管顯示3的時候，燈帶以紅色和藍色交叉顯示，每隔0.5秒，紅色和藍色位置交換一次;

（6）當(dāng)數(shù)碼管顯示4的時候，燈帶從中間位置向兩邊同時每隔0.1秒各點亮一個燈珠，向前點亮燈珠的顏色為紅色，向后點亮燈珠的顏色為藍色;

（7）如此循環(huán)。

判斷標準：

2分：實現(xiàn)“編程實現(xiàn)”中的（1）;

5分：實現(xiàn)“編程實現(xiàn)”中的（2）;

5分：實現(xiàn)“編程實現(xiàn)”中的（3）;

5分：實現(xiàn)“編程實現(xiàn)”中的（4）;

5分：實現(xiàn)“編程實現(xiàn)”中的（5）;

5分：實現(xiàn)“編程實現(xiàn)”中的（6）;

3分：完全符合題意。

1.審清題意，抓住關(guān)鍵點

“絢麗彩燈”的考點有分支選擇結(jié)構(gòu)的嵌套、按鍵模塊的循環(huán)計數(shù)和燈帶的初始化設(shè)置及各種效果的實現(xiàn)。此外，還要注意數(shù)碼管的初始化和顯示控制方法。

（1）分支選擇結(jié)構(gòu)的最“內(nèi)層”嵌套是匹配按鍵模塊的1-4按下次數(shù)，對應(yīng)控制數(shù)碼管最低位（3號）顯示該數(shù)字，以及燈帶的一種顯示效果。

（2）按鍵模塊的按下次數(shù)最大值為4，必須使用條件語句判斷其是否超出范圍，當(dāng)該值大于4時需要使用賦值語句重新將其值改寫為1，進行下一次的循環(huán)。

（3）燈帶的60顆燈珠編號為0-59，每顆燈珠均可獨立控制其顯示顏色（也可用RGB值來控制）;當(dāng)數(shù)碼管分別顯示1-4時，對應(yīng)燈帶的四種顯示效果中多次提到“前30、后30”、“中間位置”，編程時注意分別使用0-29和30-59來區(qū)分前后兩大組燈珠。

2.實驗器材的安裝

按照題目要求，首先將按鍵模塊接入25#引腳;燈帶需要接入18#引腳，注意燈帶的三根異色引線的標注，通常是紅色為+5V（電源正極）、白色為GND、綠色為Din（數(shù)字信號輸入），對應(yīng)擴展板18#引腳的VCC、GND和D（數(shù)字端）;由于燈帶接入18#引腳占用了IIC接口Up列一側(cè)的空間，因此數(shù)碼管必須要旋轉(zhuǎn)180度，接至IIC接口Down列對角線位置;最后，給樹莓派接通電源，啟動操作系統(tǒng)（如圖1）。

3.編程實現(xiàn)“絢麗彩燈”

（1）進入平臺編程環(huán)境

登錄古德微機器人平臺切換至“積木”編程區(qū)。

（2）編寫“初始化數(shù)碼管”函數(shù)

建立函數(shù)“初始化數(shù)碼管”，先關(guān)閉0-3號數(shù)碼管，再設(shè)置亮度為1（對四個數(shù)碼管均有效）;最后設(shè)置3號數(shù)碼管顯示“0”（不顯示點），實現(xiàn)題目中（1）對數(shù)碼管“只有最后一位顯示0”的顯示要求（如圖2）。

（3）編寫“初始化燈帶”函數(shù)

燈帶的初始化操作需要先使用“設(shè)置GPIO18可控制燈帶60個燈并設(shè)置亮度為50”語句;然后構(gòu)建一個循環(huán)結(jié)構(gòu)，控制變量i從0增至59（步長為1），依次設(shè)置每個燈珠的顏色為黑色，實現(xiàn)題目中（1）對燈帶“熄滅”的要求（黑色即“熄滅”）。特別要注意的是，最后必須添加一條“燈帶刷新顯示”語句，否則之前對燈帶的設(shè)置控制均是無效的（如圖3）。

（4）構(gòu)建循環(huán)結(jié)構(gòu)中的多分支選擇嵌套結(jié)構(gòu)

在主程序中分別調(diào)用“初始化數(shù)碼管”和“初始化燈帶”函數(shù)后，建立變量“數(shù)字”并賦值為0，用來存儲按鍵次數(shù)（數(shù)字1-4）;接著建立“重復(fù)當(dāng)真”的循環(huán)結(jié)構(gòu)，進行外層分支選擇的判斷，條件為是否從25號按鍵獲取到“按下”動作;然后，將變量“數(shù)字”進行“自增1”賦值運算，并且通過一個“如果…執(zhí)行…”語句設(shè)置其運算規(guī)律（大于4時重新“回歸”為1）;通過“設(shè)置3號數(shù)碼管顯示‘?dāng)?shù)字，并顯示點‘0”語句，將變量數(shù)字的值根據(jù)變化（1、2、3、4）均在數(shù)碼管的最低位上顯示輸出。

建立“如果…執(zhí)行…否則如果…執(zhí)行……”四分支選擇結(jié)構(gòu)，準備實現(xiàn)題目中（3）-（6）所要求的燈帶四種顯示效果：

①當(dāng)數(shù)字為1時，為了實現(xiàn)“前面30個燈亮紅色、后面30個燈亮藍色”（注意二者應(yīng)該是同步進行的）效果，應(yīng)該只建立一個循環(huán)結(jié)構(gòu)來控制兩組燈珠;如果是兩個循環(huán)結(jié)構(gòu)來分別控制兩組燈珠的話，效果就變成了先亮一組30個、再亮另一組30個?？刂谱兞縤從初值0自增至終值29（步長為1），前30個燈珠設(shè)置為亮紅色;后30個燈珠的序號是在前30個的基礎(chǔ)上對應(yīng)“加30”，即“i+30”，設(shè)置為亮藍色。切記：最后一定要添加一條“燈帶刷新顯示”語句（下同），控制燈帶發(fā)光。

②當(dāng)數(shù)字為2時，為了實現(xiàn)“以紅色和藍色交叉顯示且最前面為紅色”效果，同樣是只建立一個循環(huán)結(jié)構(gòu)，注意變量i的取值范圍是從0至59，步長設(shè)置為2（實現(xiàn)奇偶數(shù)燈珠的“交叉”控制）;排序為奇數(shù)的燈珠（編號為i）發(fā)光顏色設(shè)置為紅色，偶數(shù)燈珠（編號為“i+1”）發(fā)光顏色設(shè)置為藍色。

③當(dāng)數(shù)字為3時，為了實現(xiàn)“以紅色和藍色交叉顯示，每隔0.5秒，紅色和藍色位置交換一次”效果，需要建立兩個循環(huán)結(jié)構(gòu);相當(dāng)于重復(fù)執(zhí)行了兩次“數(shù)字為2時”的操作：先奇數(shù)燈珠發(fā)紅光、偶數(shù)燈珠發(fā)藍光，完成后停頓0.5秒，再奇數(shù)燈珠發(fā)藍光、偶數(shù)燈珠發(fā)紅光。

④當(dāng)數(shù)字為4時，為了實現(xiàn)“從中間位置向兩邊同時每隔0.1秒各點亮一個燈珠，向前點亮燈珠的顏色為紅色，向后點亮燈珠的顏色為藍色”效果，同樣是使用一個循環(huán)結(jié)構(gòu)，注意變量i的取值范圍是從29至0（“每隔1”：步長為-1），第一組是從第29個燈珠向前發(fā)紅光，第二組是從第30個燈珠向后發(fā)藍光——特別要注意該組的編號構(gòu)建規(guī)則算式是“59-i”（如圖4）。

（5）其他細節(jié)

不管是主程序循環(huán)結(jié)構(gòu)的最后，還是各分支選擇結(jié)構(gòu)的最后（個別的還有中間位置），都需要考慮是否應(yīng)該添加等待語句，作用同樣是防止循環(huán)過多和過快地占用系統(tǒng)資源。

4.運行程序，檢測“絢麗彩燈”

在平臺編程環(huán)境中點擊“連接設(shè)備”，正常的話再點擊“運行”按鈕，對照題目進行多次測試，不斷按下按鍵，數(shù)碼管重復(fù)顯示1、2、3、4，同時燈帶也進行亮紅燈和藍燈等不同效果的對應(yīng)顯示，實現(xiàn)了題目要求。

最后將程序按照要求保存為“04.txt”，下載并上傳至考試系統(tǒng)中即可。