MicroPython硬體互動與視覺化應用

MicroPython 簡潔易學的特性，使其成為嵌入式系統開發的理想選擇，尤其在硬體互動和視覺化應用方面更具優勢。本文將以 NeoPixels、micro:bit 和 PyBoard 的 LCD160CR 為例，展示 MicroPython 如何控制 LED、顯示文字、影像和動畫，以及如何處理按鈕輸入。透過程式碼範例和詳細的解說，讀者可以快速掌握 MicroPython 的核心概念，並將其應用於實際專案中。此外，文章也探討了事件迴圈和暫停機制的重要性，以及如何避免在處理快速輸入事件時出現錯誤。對於想要深入學習 MicroPython 的開發者來說，本文提供了豐富的實用技巧和參考資訊。

NeoPixels：閃爍燈光的進階應用

NeoPixels 是 MicroPython 和 CircuitPython 中用於控制 LED 燈串的強大工具。它們可以顯示多種顏色，並透過簡單的程式碼控制。在本章中，我們將探討如何使用 NeoPixels 來實作各種視覺效果。

NeoPixels 的基本操作

要使用 NeoPixels，首先需要匯入 neopixel 模組，並例項化 NeoPixel 類別。這個類別需要兩個主要引數：連線 NeoPixels 的針腳和 NeoPixels 的數量。以 Circuit Playground Express 為例，程式碼如下：

import neopixel
from board import NEOPIXEL
np = neopixel.NeoPixel(NEOPIXEL, 10, auto_write=False)

內容解密：

1. import neopixel：匯入 neopixel 模組，用於控制 NeoPixels。
2. from board import NEOPIXEL：從 board 模組匯入 NEOPIXEL，它代表連線 NeoPixels 的針腳。
3. np = neopixel.NeoPixel(NEOPIXEL, 10, auto_write=False)：例項化 NeoPixel 類別，設定 NeoPixels 的數量為 10，並將 auto_write 設為 False，表示需要手動更新 NeoPixels 的狀態。

控制單個 NeoPixel

NeoPixels 可以像列表一樣被存取和修改。使用下標符號（[]）可以取得或設定特定位置的 NeoPixel 的顏色。

>>> np[0]
(0, 0, 0)
>>> np[0] = (32, 0, 32)
>>> np.write()

內容解密：

1. np[0]：取得第一個 NeoPixel 的當前顏色，傳回一個包含三個整數的元組，代表紅、綠、藍三種顏色的強度。
2. np[0] = (32, 0, 32)：將第一個 NeoPixel 的顏色設定為紫色（紅色和藍色強度為 32，綠色強度為 0）。
3. np.write()：手動更新 NeoPixels 的狀態，使更改生效。

同時控制所有 NeoPixels

可以使用 fill 方法一次性設定所有 NeoPixels 的顏色。

>>> np.fill((0, 32, 32)) # 將所有 NeoPixels 設定為青色
>>> np.write()

內容解密：

1. np.fill((0, 32, 32))：將所有 NeoPixels 的顏色設定為青色（綠色和藍色強度為 32，紅色強度為 0）。
2. np.write()：更新 NeoPixels 的狀態，使更改生效。

視覺回饋：點亮NeoPixels與micro:bit顯示

NeoPixels的色彩魔法

NeoPixels是一種能夠呈現絢麗色彩的LED燈條，透過簡單的程式控制即可創造出令人驚豔的視覺效果。以下是一個結合NeoPixels與迴圈控制，使裝置看起來像活著的範例：

import neopixel
import random
import time
from board import NEOPIXEL

np = neopixel.NeoPixel(NEOPIXEL, 10, auto_write=False)
step = 32

while True:
    for i in range(10):
        for j in range(10):
            np[j] = tuple((max(0, val - step) for val in np[j]))
        r = random.randint(0, 255)
        g = random.randint(0, 255)
        b = random.randint(0, 255)
        np[i] = (r, g, b)
        np.write()
        time.sleep(0.05)

內容解密：

1. 初始化NeoPixels：使用neopixel.NeoPixel類別初始化10個NeoPixels，並設定auto_write=False以避免每次更改都立即寫入。
2. 迴圈控制：進入無限迴圈，遍歷每個NeoPixel。
3. 調暗其他LED：對每個NeoPixel，將其目前的RGB值降低step（32），確保不會低於0，以實作漸暗效果。
4. 隨機色彩：為目前選中的NeoPixel生成隨機的RGB色彩值。
5. 寫入並延遲：將新的色彩值寫入NeoPixels，並暫停0.05秒以控制效果速度。

這個範例創造了一個隨機變色的迴圈燈效，可以透過調整time.sleep的值來改變效果的速度，或是修改step的值來控制燈光漸暗的速度和「尾巴」的長度。

micro:bit的文字、影像與動畫

micro:bit擁有一個5x5的紅色LED矩陣顯示屏，可以用來呈現文字、影像和簡單的動畫。

滾動文字

from microbit import display, Image

display.scroll("Hello, World!")

內容解密：

1. display.scroll方法：用於在micro:bit的顯示屏上滾動顯示文字。
2. 引數控制：可以透過delay引數控制滾動速度，wait引數決定是否等待滾動完成，loop引數設定是否迴圈滾動，monospace引數控制字元寬度。

例如，以下程式碼實作了一個快速、迴圈滾動的單空格訊息：

display.scroll("Hello!", delay=80, wait=False, loop=True, monospace=True)

顯示靜態文字

如果希望文字一個接一個地顯示而不是滾動，可以使用display.show方法：

display.show("Danger!")

內容解密：

1. display.show方法：用於在micro:bit的顯示屏上顯示文字或影像。
2. 引數控制：支援與scroll方法類別似的引數，如wait和clear，但不包含monospace。

影像顯示

micro:bit內建了一個Image類別，可以用來顯示預設或自定義的影像。

顯示預設影像

display.show(Image.HAPPY)

內容解密：

1. Image類別：提供了多種預設影像，如HAPPY、SAD等。
2. display.show方法：用於顯示選定的影像。

自定義影像

你可以透過建立Image例項來建立自定義影像：

my_picture = Image(
    '33333:'
    '36663:'
    '36963:'
    '36663:'
    '33333:')
display.show(my_picture)

內容解密：

1. 字串表示法：使用數字（0-9）代表LED的亮度，冒號（:）表示行結束。
2. 自定義影像：根據字串描述生成對應的影像，並顯示在micro:bit上。

這些範例展示瞭如何利用micro:bit和NeoPixels創造出豐富的視覺效果，從簡單的文字滾動到複雜的影像和動畫，都能為你的專案增添更多的互動性和趣味性。

使用 micro:bit 的 Image 類別建立與操作影像

micro:bit 的 Image 類別提供了一個強大的方式來建立和操作影像，使其能夠在 micro:bit 的 LED 顯示屏上顯示。一個 Image 例項不一定要受限於顯示屏的尺寸，這使得它可以用於建立更大尺寸的遊戲或應用程式。

建立 Image 物件

建立 Image 物件有兩種主要方法：使用字串和使用 bytearray。

使用字串建立 Image

from microbit import display, Image

# 建立一個 5x5 的影像
image = Image("00000:"
              "90009:"
              "09090:"
              "90009:"
              "00000")

display.show(image)

使用 bytearray 建立 Image

from microbit import display, Image

# 使用 bytearray 建立一個 10x10 的影像
buf = bytearray(x % 10 for x in range(100))
image = Image(10, 10, buf)

display.show(image.crop(3, 4, 5, 5))

內容解密：

1. bytearray(x % 10 for x in range(100))：這行程式碼生成了一個包含 100 個元素的 bytearray，每個元素的值在 0 到 9 之間，代表了影像中每個畫素的亮度。
2. Image(10, 10, buf)：利用生成的 bytearray，建立了一個 10x10 的影像。
3. image.crop(3, 4, 5, 5)：從原始影像中裁剪出一個 5x5 的子影像，並將其顯示在 micro:bit 的 LED 顯示屏上。

操作 Image 物件

Image 物件提供了多種方法來操作影像，包括：

• copy()：傳回影像的副本。
• invert()：傳回一個新影像，其畫素亮度與原始影像相反。
• fill(value)：將所有畫素設定為指定的亮度值。
• get_pixel(x, y)：取得指定位置畫素的亮度。
• set_pixel(x, y, value)：設定指定位置畫素的亮度。
• shift_left(n)、shift_right(n)、shift_up(n)、shift_down(n)：將影像向指定方向移動 n 個畫素。
• blit(src, x, y, w, h)：將源影像的一部分複製到當前影像中。

使用 shift 方法實作滾動效果

from microbit import display, Image

# 建立一個影像
image = Image("00000:"
              "90009:"
              "09090:"
              "90009:"
              "00000")

# 向右滾動影像
for _ in range(5):
    display.show(image)
    image = image.shift_right(1)

內容解密：

1. image.shift_right(1)：將影像向右移動 1 個畫素。
2. 在迴圈中不斷顯示和更新影像，實作滾動效果。

製作動畫

透過使用迭代器物件傳回一系列 Image 物件，可以在 micro:bit 上建立動畫。

使用內建的動畫幀列表

from microbit import display, Image

display.show(Image.ALL_CLOCKS, delay=50, wait=False, loop=True)

自定義動畫

from microbit import display, Image
import random
import array

def animation():
    while True:
        blinkenlights = array.array('b', [random.randint(0, 9) for _ in range(25)])
        yield Image(5, 5, blinkenlights)

display.show(animation())

內容解密：

1. animation() 函式是一個生成器，不斷生成新的隨機影像。
2. display.show(animation()) 將生成器傳回的影像序列顯示為動畫。

PyBoard 彩色 LCD 顯示技術詳解

LCD160CR 顯示控制基礎

在 MicroPython 的世界中，控制 LCD160CR 這類別彩色 LCD 顯示幕是一項有趣且實用的技術。首先，我們需要使用 LCD160CR 類別來例項化一個代表實體 LCD 裝置的物件，並指定裝置的連線方式（“X” 或 “Y”）。一旦例項化，裝置就會啟動並顯示 MicroPython 的標誌，表示它正在運作。

import lcd160cr
lcd = lcd160cr.LCD160CR('X')
lcd.erase()

內容解密：

• lcd160cr.LCD160CR('X')：例項化 LCD160CR 物件，指定連線埠為 ‘X’。
• lcd.erase()：清除螢幕上的內容。

REPL 輸出重定向至 LCD 顯示

將 REPL（Read-Eval-Print Loop）輸出重定向至 LCD 顯示，可以讓開發者直接在 LCD 上與 MicroPython 互動。

import pyb
uart = pyb.UART('XA', 115200)
pyb.repl_uart(uart)

內容解密：

• pyb.UART('XA', 115200)：設定 UART 通訊埠 ‘XA’，波特率為 115200。
• pyb.repl_uart(uart)：將 REPL 輸出重定向至指定的 UART。

字型設定與文字輸出

LCD160CR 提供了多種字型和文字輸出的控制方法。可以使用 set_font 方法來改變字型大小和樣式。

lcd.set_font(3, scale=0, bold=1, trans=0, scroll=1)
lcd.write("Hello, World!")

內容解密：

• lcd.set_font(3, scale=0, bold=1, trans=0, scroll=1)：設定字型為 3 號，縮放比例為 0，加粗效果為 1，背景透明度為 0，並啟用平滑滾動效果。
• lcd.write("Hello, World!")：在 LCD 上輸出 “Hello, World!"。

文字顏色與背景顏色設定

可以透過 set_text_color 方法來改變文字和背景的顏色。

text_colour = lcd.rgb(255, 128, 0)
background = lcd.rgb(0, 128, 255)
lcd.set_text_color(text_colour, background)
lcd.write("Hello, World!")

內容解密：

• lcd.rgb(255, 128, 0) 和 lcd.rgb(0, 128, 255)：分別生成文字顏色和背景顏色的 RGB 值。
• lcd.set_text_color(text_colour, background)：設定文字和背景的顏色。

圖形輸出與基本繪圖

LCD160CR 不僅支援文字輸出，也提供了基本的圖形繪製功能，如設定畫素、繪製矩形和線條。

lcd.set_pixel(x, y, colour)
lcd.rect(20, 20, 40, 40)

內容解密：

• lcd.set_pixel(x, y, colour)：在座標 (x, y) 處設定畫素的顏色。
• lcd.rect(20, 20, 40, 40)：繪製一個矩形，其左上角座標為 (20, 20)，寬度和高度均為 40。

簡易 Mondrian 風格繪圖範例

下面是一個簡單的範例，展示如何使用 LCD160CR 繪製 Mondrian 風格的圖案。

import lcd160cr
from random import randint, choice, uniform

# 省略部分程式碼...

class Node:
    # 省略部分程式碼...

    def draw(self, x, y, w, h):
        # 省略部分程式碼...

內容解密：

• 使用遞迴的方式繪製 Mondrian 風格的圖案。
• Node 類別代表圖案中的一個節點，具有顏色、深度和子節點等屬性。

輸入與感測：裝置互動的核心

在裝置與使用者互動的過程中，輸入與感測扮演著至關重要的角色。不同於傳統的計算裝置，如鍵盤、滑鼠或觸控螢幕，嵌入式裝置通常需要透過其他方式與使用者進行互動。MicroPython 為這些裝置提供了豐富的輸入與感測功能，使得裝置能夠對外部環境變化做出反應。

按鈕與電容式觸控

按鈕是最常見的輸入裝置之一。不同裝置具有不同數量的按鈕，有些裝置甚至支援電容式觸控功能。以 micro:bit 為例，其具有兩個按鈕（A 和 B），分別對應 button_a 和 button_b 物件。這些按鈕物件具有相同的方法，使得開發者能夠輕鬆地處理按鈕事件。

事件迴圈與暫停

在處理輸入事件時，事件迴圈（event loop）是至關重要的。事件迴圈是一種不斷迴圈的程式碼，用於等待和處理輸入事件。然而，由於事件迴圈的執行速度遠快於人類的反應速度，因此需要加入暫停機制，以避免多次觸發同一事件。

from microbit import *

position = 2
while True:  # 事件迴圈
    sleep(60)  # 暫停
    if button_a.is_pressed():
        display.clear()
        position = max(0, position - 1)
    elif button_b.is_pressed():
        display.clear()
        position = min(4, position + 1)
    display.set_pixel(position, 2, 9)

程式碼解析

1. while True：建立一個無限迴圈，作為事件迴圈的主體。
2. sleep(60)：在每次迴圈中暫停 60 毫秒，降低迴圈的執行頻率，以適應人類的反應速度。
3. if button_a.is_pressed(): 和 elif button_b.is_pressed():：檢查按鈕 A 和 B 是否被按下，並根據按下的按鈕調整 position 的值。
4. display.set_pixel(position, 2, 9)：在指定的位置顯示一個畫素點。

為何需要暫停？

如果沒有 sleep(60) 這行程式碼，事件迴圈將會以極快的速度執行。這意味著在你按下按鈕的短暫時間內，事件迴圈已經執行了多次，從而導致 position 的值被多次修改，最終可能只能將畫素點移動到最左邊或最右邊的位置。加入暫停後，事件迴圈的執行速度變慢，能夠正確地捕捉到每次按鈕按下事件。