藍橋杯青少年創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4，30個計分點）：

每逢節日，可以看到商場各地都掛著絢麗的彩燈，它們通過顏色變換，可以實現各種各樣的絢麗效果，現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：

（1）程序開始時，數碼管只有最后一位顯示0，燈帶熄滅;

（2）當按鍵每被按一次時，數碼管最后一位顯示的數字都在之前的基礎上加1，當數碼管最后一位顯示4時，再按一次，數碼管顯示1，如此重復1-4的顯示;

（3）當數碼管顯示1的時候，燈帶前面30個燈亮紅色，后面30個燈亮藍色;

（4）當數碼管顯示2的時候，燈帶以紅色和藍色交叉顯示，最前面為紅色;

（5）當數碼管顯示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）當數碼管顯示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。

判斷標準：

2分：實現“編程實現”中的（1）;

5分：實現“編程實現”中的（2）;

5分：實現“編程實現”中的（3）;

5分：實現“編程實現”中的（4）;

5分：實現“編程實現”中的（5）;

5分：實現“編程實現”中的（6）;

3分：完全符合題意。

1.審清題意，抓住關鍵點

“絢麗彩燈”的考點有分支選擇結構的嵌套、按鍵模塊的循環計數和燈帶的初始化設置及各種效果的實現。此外，還要注意數碼管的初始化和顯示控制方法。

（1）分支選擇結構的最“內層”嵌套是匹配按鍵模塊的1-4按下次數，對應控制數碼管最低位（3號）顯示該數字，以及燈帶的一種顯示效果。

（2）按鍵模塊的按下次數最大值為4，必須使用條件語句判斷其是否超出范圍，當該值大于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。

（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）;當數碼管分別顯示1-4時，對應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（數字信號輸入），對應擴展板18#引腳的VCC、GND和D（數字端）;由于燈帶接入18#引腳占用了IIC接口Up列一側的空間，因此數碼管必須要旋轉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（如圖1）。

3.編程實現“絢麗彩燈”

（1）進入平臺編程環境

登錄古德微機器人平臺切換至“積木”編程區。

（2）編寫“初始化數碼管”函數

建立函數“初始化數碼管”，先關閉0-3號數碼管，再設置亮度為1（對四個數碼管均有效）;最后設置3號數碼管顯示“0”（不顯示點），實現題目中（1）對數碼管“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

燈帶的初始化操作需要先使用“設置GPIO18可控制燈帶60個燈并設置亮度為50”語句;然后構建一個循環結構，控制變量i從0增至59（步長為1），依次設置每個燈珠的顏色為黑色，實現題目中（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置控制均是無效的（如圖3）。

（4）構建循環結構中的多分支選擇嵌套結構

在主程序中分別調用“初始化數碼管”和“初始化燈帶”函數后，建立變量“數字”并賦值為0，用來存儲按鍵次數（數字1-4）;接著建立“重復當真”的循環結構，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“數字”進行“自增1”賦值運算，并且通過一個“如果…執行…”語句設置其運算規律（大于4時重新“回歸”為1）;通過“設置3號數碼管顯示‘數字，并顯示點‘0”語句，將變量數字的值根據變化（1、2、3、4）均在數碼管的最低位上顯示輸出。

建立“如果…執行…否則如果…執行……”四分支選擇結構，準備實現題目中（3）-（6）所要求的燈帶四種顯示效果：

①當數字為1時，為了實現“前面30個燈亮紅色、后面30個燈亮藍色”（注意二者應該是同步進行的）效果，應該只建立一個循環結構來控制兩組燈珠;如果是兩個循環結構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。控制變量i從初值0自增至終值29（步長為1），前30個燈珠設置為亮紅色;后30個燈珠的序號是在前30個的基礎上對應“加30”，即“i+30”，設置為亮藍色。切記：最后一定要添加一條“燈帶刷新顯示”語句（下同），控制燈帶發光。

②當數字為2時，為了實現“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結構，注意變量i的取值范圍是從0至59，步長設置為2（實現奇偶數燈珠的“交叉”控制）;排序為奇數的燈珠（編號為i）發光顏色設置為紅色，偶數燈珠（編號為“i+1”）發光顏色設置為藍色。

③當數字為3時，為了實現“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，需要建立兩個循環結構;相當于重復執行了兩次“數字為2時”的操作：先奇數燈珠發紅光、偶數燈珠發藍光，完成后停頓0.5秒，再奇數燈珠發藍光、偶數燈珠發紅光。

④當數字為4時，為了實現“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結構，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個燈珠向前發紅光，第二組是從第30個燈珠向后發藍光——特別要注意該組的編號構建規則算式是“59-i”（如圖4）。

（5）其他細節

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

4.運行程序，檢測“絢麗彩燈”

在平臺編程環境中點擊“連接設備”，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，數碼管重復顯示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顯示，實現了題目要求。

最后將程序按照要求保存為“04.txt”，下載并上傳至考試系統中即可。