Arduino светофор с кнопкой

Урок по созданию светофора на основе контроллера Ардуино, который научит понимать временные последовательности и будет работать как реальный светофор.

Последовательность работы светодиодов, выполненная на основе Arduino Uno, имитирует четырехстороннее пересечение, т.е. классический перекресток, где пересекаются две улицы одна из которых с менее интенсивным трафиком чем вторая. Этот урок по созданию светофора также поможет детям изучить последовательность сигналов дорожного трафика, чтобы они могли научиться пересекать перекрестки и понимать их поведение в реальной жизни.

Комплектующие

Начинаем с деталей для нашего проекта светофора:

• 1x – Ардуино Уно (большинство плат Arduino должны подойти)
• 2x – красные светодиоды
• 2x – желтые (янтарные) светодиоды
• 2x – зеленые светодиоды
• 6x – резисторы 330 Ом

Дополнительно нам нужны провода-перемычки для соединения всех деталей схемы проекта.

Схема соединений

Для того, чтобы собрать наш Ардуино светофор нам нужно соединить плату Уно и светодиоды согласно схеме выше.

Как работает Ардуино светофор?

Это действительно простая концепция светофора, и приведенная ниже таблица помогает её объяснить. В коде используются инструкции loop и delay для того, чтобы реализовать время включения для каждого из светодиодов.

В примере светофора Ардуино, условно, две улицы. Каждая из них имеет разный объемы трафика (количество проезжающих машин), поэтому есть более длинный зеленый свет (с более коротким красным светом).

Трафик по одной из улиц (второй столбец) очень активный. Зеленый свет для этой улицы продолжается 12 секунд. На второй улице (третий столбец) гораздо меньше машин, поэтому нашему гипотетическому городу нужен зеленый свет на менее активной улице короче по времени. Зеленый свет составит 1/3 от времени зеленого сигнала светофора на основной улице, т.е. получается 4-секундный зеленый свет.

Поскольку главный светофор переключается с зеленого на желтый и потом на красный, второй светофор ненадолго сохраняет свой красный свет в случае, если есть зазевавшиеся водители, которые пытаются проехать через перекресток. Не забывайте об этом интервале "перекрытия" красного света, если вы когда-либо будете создавать систему светофоров для какого-либо перекрестка вашего города.

Когда проходят 4 секунды зеленого света на второй улице мы делаем еще один период "перекрытия" красным светом, после чего цикл сигналов светофора Ардуино возобновляется.

Скетч (код) для Ардуино

Ниже приводим код нашего светофора, который необходимо загрузить в ардуину. Вы можете либо скачать .ino файл, либо скопировать код целиком и вставить в редактор Arduino IDE.

Честно скажем, что у нас получился довольно простой и устаревший Ардуино светофор. Современные светофоры сегодня достаточно «умны» – они могут обнаруживать транспортные средства, корректировать свое время и даже делать перерывы для пешеходных переходов. Всегда есть возможность для улучшения!

В этой статье мы рассмотрим проект светофора с мигающими светодиодами на базе Arduino Uno и Nano. Светофор со светодиодами тремя цветов можно назвать проектом начального уровня. Но на его основе можно сделать интересные и полезные устройства, например, тренажеры для обучения детей правилам дорожного движения. Этот проект также позволит начинающим еще больше узнать о программировании в среде Ардуино, потренироваться в сборке схем и порадоваться новым интересным инженерным игрушкам.

Немного о светофорах

Светофор – лучший друга пешеходов и водителей, позволяющий организовать безопасное движение на дорогах. Первое такое устройство для городских дорог было установлено в 1868 году возле здания Британского парламента в Лондоне. Его внешний вид, конечно, сильно отличался от привычного нам сейчас устройств. Первый светофор представлял собой набор семафорных стрелок с подсветкой из газовых фонарей. Его создатель, инженер Джон Пик Найт, проектировал семафоры для железных дорог и первый додумался использовать идею для дорог, по которым в то время перемещались на лошадях.

Первые светофоры

Первый электрический светофор появился в 1912 году в США. Инженер Лестер Вайр придумал устройство с двумя цветами – красным и зеленым. В 1914 году на перекрестке в Кливленде впервые были установлены сразу четыре светофора. Управлялись устройства вручную – полицейские переключали лампочки.

Создатель первого светофора William L Potts

В 1920 году появились трехцветные светофоры – их поставили на улицах Нью-Йорка и Детройта. Первой же европейской страной с электрическими светофорами стала Франция. В Советском Союзе светофор появился в январе 1930 года в Ленинграде. Годом позже первые устройства поставили и в Москве.

Памятник светофору

Сама идея установить четкую последовательность цветов связана с желанием помочь людям, не отличающим оттенки цветов. Они могут ориентироваться не на цвет, а на местоположение светящегося объекта. Именно поэтому у большинства светофоров в мире цвета выглядят именно так – красный, желтый и зеленый. Но есть и исключения – например, в Ирландии в свое время были вынуждены поменять местами красный и зеленый. Все дело в том, что местные жители не хотели видеть национальный цвет Ирландии (зеленый) в самом низу.

В некоторых странах вместо зеленого используют синий сигнал светофора. Также сегодня часто можно встретить многосекционные светофоры со стрелками. В Берлине, например, есть светофор с 13 сигналами!

Если говорить об устройстве светофора, то за всю историю его существования менялись и сами источники света, и управляющие устройства. Сегодня светофоры используют светодиодные модули, которые гораздо экономичнее и надежнее используемых ранее ламповых. При выходе из строя одного светодиода конструкция в целом продолжает работать. Также на улицах сегодня легко встретить и целые светофорные комплексы, где на экранах отображается дополнительная информация: время до переключения, графические подсказки и другое.

Проект “Светофор на Ардуино”

Давайте и мы создадим свой почти настоящий светофор. В рамках этого проекта мы соберем схему и создадим скетч, с помощью которого светодиоды будут гореть и переключаться по правилам дорожного движения.

Если вы совсем новичок в Ардуино, крайне рекомендуем прочитать наши статьи для начинающих:

Сложность урока: для начинающих

• Плата Ардуино Уно или Нано.
• Макетная плата.
• Три светодиода. Естественно, что лучше всего красного, желтого и зеленого цветов.
• Три резистора номиналом 220 Ом.
• Соединительные провода.

Схема подключения

Давайте начнем проект со сборки электрической цепи. Схема достаточно проста – соединяем три светодиода. Плюс к цифровому пину, минус – к земле. Обратите внимание, что мы объединили три контакта в один с помощью общей шины макетной платы. Красный свет светофора мы соединим с пином 11, желтый – с 10, зеленый – с 9.

Схема светофора со светодиодами на Ардуино

На этом вопрос со схемой можно считать решенным. Не забывайте про полярность, проверяйте правильность монтажа.

Модуль светофора

Есть еще один способ собрать проект – использовать уже готовые устройства в виде светофора со светодиодами. Один из примеров – плата для Ардуино, продающаяся на Алиэкспрессе. На ней уже закреплены все резисторы, не нужно придумывать конструкцию – просто закрепляем похожий на светофор модуль на подставке и соединяем контакты с Ардуино.

Модуль светофора для Ардуино

Купить готовый модуль можно, например, по этим ссылкам:

А вот ссылка на еще один интересный и совсем недорогой модуль. Он не предназначен для Ардуино, но имеет готовые к использованию корпус и провода, которые можно подключить по приведенной схеме.

Программирование светофора

Прежде чем писать программу, нужно составить общий алгоритм действий, описать задачу на привычном языке. Попробуйте это сделать самостоятельно, заодно и проверьте, так ли уж точно вы знаете алгоритм работы светофора?

Алгоритм работы

Вот этот алгоритм трехсекционного светофора для водителей, принятый за стандарт в России:

• Начинается все с зеленого света. Включаем его.
• Спустя определенное количество времени зеленый начинает мигать. Водители и пешеходы завершают движение (или, как это часто бывает, ускоряются).
• Зеленый выключается и включается желтый.
• Спустя какое-то время выключается и желтый – загорается красный.
• Эпоха красного цвета заканчивается не миганием, как у зеленого, а параллельным включением красного и желтого.
• Спустя какое-то время красный и желтый выключаются, включается зеленый и все начинается сначала.

Если вы разобрались с алгоритмом, то написать скетч для Ардуино будет совсем не сложно. Надо лишь заменить каждое слово “включить” на digitalWrite с атрибутом HIGH, “выключить” на digitalWrite с атрибутом LOW, а задержку сформировать с помощью delay. Вот, например, фрагмент программы, определяющий переход с красного на зеленый цвет.

Пример скетча

Для того, чтобы не привязываться в программе к конкретным номерам пинов можно и нужно создать константы, содержащие нужный номер пина. В коде мы будем использовать эти константы, а не номера. И если нам нужно будет поменять схему подключения, то менять номера в скетче нам придется только в одном месте. Не нужно будет делать глобальную замену по документу.

Вот так бы выглядел приведенный выше пример с использованием констант:

Вот так можно заставить мигать зеленый свет. Точь в точь как обычная мигалка:

Второй и более правильный вариант мигания – использовать цикл FOR. Более подробно о нем написано в нашей отдельной статье про циклы.

Вот, в принципе,и все особенности. Давайте теперь соберем код вместе и напишем итоговую программу:

Загрузите скетч в контроллер и убедитесь, что все работает правильно. Если что-то пойдет не так, обратитесь к статье, посвященной подключению светодиода к Ардуино – там описаны все типичные случаи неисправностей.

Улучшение проекта

После того, как вы написали скетч и помигали светодиодами на макетной плате можно подумать и о том, как сделать из проекта светофор нечто большее. Какие еще улучшения возможны:

• Сделать настоящий макет светофора. Поместить светодиоды и контроллер вместе с макетной платой в корпус. Можно выбрать достаточно большую коробку, чтобы туда поместился источник питания. А можно взять небольшой футляр, например, тубус от туалетной бумаги и разместить там светодиоды. Одной только макетной платой тут не обойдешься, т.к. провода и платы не влезут в миниатюрный корпус.
• Можно расширить проект, добавить светодиоды для пешеходов и написать программу для пешеходного светофора. Связать эти два светофора будет не сложно, в Arduino Uno без проблем найдется 5 пинов.
• Сделать проект для перекрестка. Здесь вам понадобится уже больше пинов и другой контроллер – например, Arduino Mega.

Заключение

В этой статье мы узнали, как собрать вместе на одной макетной плате три светодиода и подключить их к ардуино уно или нано. Разобрались с алгоритмом работы настоящего светофора и смогли написать свой скетч на языке C++. Мы еще раз убедились, что писать программы со светодиодами – это просто, нужно понять лишь несколько базовых принципов. Будем надеяться, что статья оказалась вам полезной и вы продолжите знакомство с платформой Ардуино с одним из следующих наших проектов.

В продолжение нашего знакомства с Arduino сегодня мы рассмотрим следующий простейший пример – светофор, какой мы видим каждый день на дорогах, который будет включаться, и выключаться по нажатию кнопки.

Необходимые компоненты:

• 3 светодиода (зелёный, жёлтый и красный)
• Push-кнопка
• 3 резистора на 220 [Ом]
• Резистор на 10 [кОм]

Сбор схемы

Соединяем 13 пин Arduino с длинной ногой зелёного светодиода, а короткую ногу через резистор в 220 [Ом] соединяем с «землёй». Аналогично соединяем жёлтый светодиод через 12 пин и красный через 11 пин. 7 пин через резистор 10 кОм подключим к «земле» и к кнопке.

Схема, необходимая для работы светофора собрана, теперь необходимо подключить кнопку, для управления им.

При установке кнопки есть некоторая хитрость — кнопку надо устанавливать на разделительную полосу между двумя половинками брэдборда.

Теперь подключаем кнопку. Тут всё очень просто – кнопка проводит в обоих направлениях, в отличие от различных диодов, поэтому нет никакой разницы, какой из контактов будет соединён с землёй. Соедините один контакт кнопки с портом №7 Arduino и этот же контакт соедините через резистор в 10 [кОм] с Землёй, а другой с питанием в 5 [В] — рельса со значком +.

ВАЖНО!! Во всех схемах Земля должна быть всегда одна – для всех подключаемых элементов.

Сборка на этом закончена! Приступаем к программированию Arduino!

Программируем Arduino

Код достаточно прост. Если светофор выключен, то просто мигает жёлтым, иначе включаем и выключаем определённые светодиоды через определённые промежутки времени.

Конечно, вместо столько сложного метода мы могли бы использовать простую задержку методом delay(), однако в использовании функции delay() есть один очень большой минус, который не должна обладать наша программа. Во время паузы — процессор не реагирует на другие операции, таким образом, во время задержки, например, на горение красного светодиода, сколько кнопку не нажимай — светофор не выключиться. Чтобы выключить светофор — вам придётся попадать по кнопке в тот момент, когда изменяется состояние светодиода, что, согласитесь, очень неудобно. Поэтому мы используем метод millis(), которые возвращает количество миллисекунд, прошедшее с момента запуска приложения, и отсчитываем нужные нам интервалы времени.

Ну что, сохраняем нашу программу (скетч) и загружаем её в Arduino. Смотрим что у нас получилось.

Задавайте любые, интересующие Вас, вопросы, а я отвечу на них в комментариях к этому посту. До скорых встреч!