樹莓派GPIO最入門教程：先從控制一個LED小燈開始
玩轉(zhuǎn)樹莓派2017-07-09 00:00
點亮LED
概述
本教程目的是用程序?qū)?LED 燈點亮，3秒鐘后燈自動熄滅。在所有軟件編程語言中，第一個程序都叫hello world，而今天的點燈教程其實就是硬件編程的 hello world，例子非常簡單。
通過本節(jié)課，我們能學(xué)習(xí)到：
硬件編程初體驗
面包板的使用
LED 原理
通過GPIO來控制硬件
所需硬件
樹莓派 x1
面包板 x1
杜邦線 x2
LED燈 x1
名稱解釋
下面對本實驗中要涉及到的一些電子元件和專業(yè)名稱做簡單介紹：
面包板
面包板是專為電子電路的無焊接實驗設(shè)計制造的，板子上有很多小插孔，由于各種電子元器件可根據(jù)需要隨意插入或拔出，免去了焊接，節(jié)省了電路的組裝時間，而且元件可以重復(fù)使用，所以非常適合電子電路的組裝、調(diào)試和訓(xùn)練。
由于最上一行和最下一行往往都是相通的，所以這兩行往往用于連接電路的電源線和地線，而元器件之間的連接往往采用中的各列。中間部分每五列柵格為一組，這一組五個柵格是導(dǎo)通的，在最中間的位置有一條凹槽，用于隔斷左右兩部分。
LED 燈
LED 是英文 Light Emitting Diode（發(fā)光二極管）的縮寫。它有2個腳，長腳是正極，短腳是負極。當(dāng)有電流流過時，LED 就會亮起。
GPIO
GPIO（General Purpose I/O Ports）意思為通用輸入/輸出端口，通俗地說，就是一些引腳，可以通過它們輸出高低電平或者通過它們讀入引腳的狀態(tài)-是高電平或是低電平。GPIO是個比較重要的概念，用戶可以通過GPIO口和硬件進行數(shù)據(jù)交互(如UART)，控制硬件工作(如LED、蜂鳴器等),讀取硬件的工作狀態(tài)信號（如中斷信號）等。GPIO口的使用非常廣泛，掌握了GPIO，差不多相當(dāng)于掌握了操作硬件的能力。
現(xiàn)在，我們先看看樹莓派上的GPIO是怎么樣的，這是樹莓派的正面圖：
上面有40根排針，這就是樹莓派用于控制外部傳感器的接口，稱之為GPIO。40根引腳如何進行編號呢？如果按照物理位置來編號，只要掌握一個規(guī)則就容易記住： 最靠近角上的那一根引腳為2號引腳。旁邊的就是1號引腳，具體請看上圖示意圖。
那么這40根引腳具體的用途和定義是什么呢，請看下面的圖：
（這張圖以后經(jīng)常要用到，建議保存下來，方便以后使用）
這個圖是一個比較全面的一個定義，主要是因為對于這40根引腳有不同的編號規(guī)則來定義 雖然不同的規(guī)則叫的名字不一樣，但實際的用途是一致的 這里只學(xué)習(xí)一種編號規(guī)則，也就是物理位置編號，這樣更容易進行物理連接。
比如：1號引腳，是輸出1個3.3伏的電壓，也就是如果用數(shù)字萬用表去測量這根引腳的電壓，會一直測出來是3.3伏。
比如：2號引腳，是輸出1個5伏的電壓，也就是如果用數(shù)字萬用表去測量這根引腳的電壓，會一直測出來是5伏。
比如：6號引腳，是一個GND，也就是接地，如果測量電壓的話，就是0伏。
比如：11號引腳，是綠色圖標(biāo)，旁邊寫著GPIO17，其實這個接口就是普通的接口，可以輸入也可以輸出。如果設(shè)置為輸出，則可以輸出高電壓或者低電壓。輸出高電壓就是3.3伏，輸出低電壓就是0伏。可以通過程序來控制。GPIO17是另外一種編號方式而已，這里我們可以忽略。
假如需要一個恒定的電壓輸出到某個電路，則可以選擇3.3v或者5v的相應(yīng)接口。
假如需要一個變化的電壓輸出到某個電路，則可以選擇綠色的GPIO接口，例如11號、12號、13號、15號等。
python GPIO
該庫更確切的名稱為raspberry-gpio-python，樹莓派官方資料中推薦且容易上手。python GPIO是一個小型的python庫，可以幫助用戶完成raspberry相關(guān)IO口操作。但是python GPIO庫還沒有支持SPI、I2C或者1-wire等總線接口。除了python GPIO之外，還有眾多的python擴展庫（例如webiopi），毫無疑問的說python非常適合樹莓派，樹莓派也非常適合python。
rpio
這是一個 JavaScript 語言操作 GPIO 的庫，方法名和參數(shù)和 python GPIO 非常接近，更多信息請瀏覽官方網(wǎng)站
連線圖
在開始連接硬件電路之前，首先要做的事是將樹莓派電腦關(guān)機，并斷開電源。因為如果樹莓派主板帶電的時候，進行插接電路可能會導(dǎo)致電子元器件的燒毀，所以一定要記住：
連接電路的時候主板必須斷電。
圖片使用 Fritzing 繪制，更多示例圖片請到 Fritzing官網(wǎng) 瀏覽。
電路原理圖
示例代碼
連好線后，接下來的工作就是寫代碼。想用 python 來控制 GPIO，最便捷的辦法就是使用一些 python 類庫，比如樹莓派系統(tǒng)本身集成的
RPi.GPIO
。
本文詳細介紹如何使用
RPi.GPIO
來控制 GPIO，當(dāng)然，你可以用任何喜歡的語言來控制 GPIO。
導(dǎo)入RPi.GPIO模塊
可以用下面的代碼導(dǎo)入
RPi.GPIO
模塊。
import RPi.GPIO as GPIO
引入之后，就可以使用 GPIO 模塊的函數(shù)了。如果你想檢查模塊是否引入成功，也可以這樣寫：
try: import RPi.GPIO as GPIOexcept RuntimeError: print("引入錯誤")
針腳編號
在 RPi.GPIO 中，同時支持樹莓派上的兩種 GPIO 引腳編號。
第一種編號是
BOARD編號
，這和樹莓派電路板上的物理引腳編號相對應(yīng)。使用這種編號的好處是，你的硬件將是一直可以使用的，不用擔(dān)心樹莓派的版本問題。因此，在電路板升級后，你不需要重寫連接器或代碼。
第二種編號是
BCM規(guī)則
，是更底層的工作方式，它和Broadcom的片上系統(tǒng)中信道編號相對應(yīng)。在使用一個引腳時，你需要查找信道號和物理引腳編號之間的對應(yīng)規(guī)則。對于不同的樹莓派版本，編寫的腳本文件也可能是無法通用的。
你可以使用下列代碼（強制的）指定一種編號規(guī)則：
GPIO.setmode(GPIO.BOARD) # orGPIO.setmode(GPIO.BCM)
下面代碼將返回被設(shè)置的編號規(guī)則
mode = GPIO.getmode()
警告
如果
RPi.GRIO
檢測到一個引腳已經(jīng)被設(shè)置成了非默認值，那么你將看到一個警告信息。你可以通過下列代碼禁用警告：
GPIO.setwarnings(False)
引腳設(shè)置
在使用一個引腳前，你需要設(shè)置這些引腳作為輸入還是輸出。配置一個引腳的代碼如下：
# 將引腳設(shè)置為輸入模式GPIO.setup(channel, GPIO.IN)# 將引腳設(shè)置為輸出模式GPIO.setup(channel, GPIO.OUT)# 為輸出的引腳設(shè)置默認值GPIO.setup(channel, GPIO.OUT, initial=GPIO.HIGH)
釋放
一般來說，程序到達最后都需要釋放資源，這個好習(xí)慣可以避免偶然損壞樹莓派。釋放腳本中使用的引腳：
GPIO.cleanup()
注意，GPIO.cleanup()只會釋放掉腳本中使用的GPIO引腳，并會清除設(shè)置的引腳編號規(guī)則。
輸出
要想點亮一個 LED 燈或者驅(qū)動某個設(shè)備，都需要給它們電流和電壓，這個步驟也很簡單，設(shè)置引腳的輸出狀態(tài)就可以了，代碼如下：
GPIO.output(channel, state)
狀態(tài)可以設(shè)置為0 / GPIO.LOW / False / 1 / GPIO.HIGH / True。如果編碼規(guī)則為，GPIO.BOARD，那么channel就是對應(yīng)引腳的數(shù)字。
如果想一次性設(shè)置多個引腳，可使用下面的代碼：
chan_list = [11,12]GPIO.output(chan_list, GPIO.LOW)GPIO.output(chan_list, (GPIO.HIGH, GPIO.LOW))
你還可以使用Input()函數(shù)讀取一個輸出引腳的狀態(tài)并將其作為輸出值，例如：
GPIO.output(12, not GPIO.input(12))
讀取
我們也常常需要讀取引腳的輸入狀態(tài)，獲取引腳輸入狀態(tài)如下代碼：
GPIO.input(channel)
低電平返回
0 / GPIO.LOW / False
，高電平返回
1 / GPIO.HIGH / True
。
如果輸入引腳處于懸空狀態(tài)，引腳的值將是漂動的。換句話說，讀取到的值是未知的，因為它并沒有被連接到任何的信號上，直到按下一個按鈕或開關(guān)。由于干擾的影響，輸入的值可能會反復(fù)的變化。 使用如下代碼可以解決問題：
GPIO.setup(channel, GPIO.IN, pull_up_down=GPIO.PUD_UP) # orGPIO.setup(channel, GPIO.IN, pull_up_down=GPIO.PUD_DOWN)
需要注意的是，上面的讀取代碼只是獲取當(dāng)前一瞬間的引腳輸入信號。
如果需要實時監(jiān)控引腳的狀態(tài)變化，可以有兩種辦法。最簡單原始的方式是每隔一段時間檢查輸入的信號值，這種方式被稱為輪詢。如果你的程序讀取的時機錯誤，則很可能會丟失輸入信號。輪詢是在循環(huán)中執(zhí)行的，這種方式比較占用處理器資源。另一種響應(yīng)GPIO輸入的方式是使用中斷（邊緣檢測），這里的邊緣是指信號從高到低的變換（下降沿）或從低到高的變換（上升沿）。
輪詢方式
while GPIO.input(channel) == GPIO.LOW:
邊緣檢測
邊緣是指信號狀態(tài)的改變，從低到高（上升沿）或從高到低（下降沿）。通常情況下，我們更關(guān)心于輸入狀態(tài)的該邊而不是輸入信號的值。這種狀態(tài)的該邊被稱為事件。 先介紹兩個函數(shù)：
wait_for_edge() 函數(shù) wait_for_edge()被用于阻止程序的繼續(xù)執(zhí)行，直到檢測到一個邊沿。也就是說，上文中等待按鈕按下的實例可以改寫為：
channel = GPIO.wait_for_edge(channel, GPIO_RISING, timeout=5000)if channel is None: print('Timeout occurred')else: print('Edge detected on channel', channel)
add_event_detect() 函數(shù) 該函數(shù)對一個引腳進行監(jiān)聽，一旦引腳輸入狀態(tài)發(fā)生了改變，調(diào)用event_detected()函數(shù)會返回true，如下代碼：
GPIO.add_event_detect(channel, GPIO.RISING) # add rising edge detection on a channeldo_something()# 下面的代碼放在一個線程循環(huán)執(zhí)行。if GPIO.event_detected(channel): print('Button pressed')
上面的代碼需要自己新建一個線程去循環(huán)檢測event_detected()的值，還算是比較麻煩的。
不過可采用另一種辦法輕松檢測狀態(tài)，這種方式是直接傳入一個回調(diào)函數(shù)：
def my_callback(channel): print('This is a edge event callback function!') print('Edge detected on channel %s'%channel) print('This is run in a different thread to your main program')GPIO.add_event_detect(channel, GPIO.RISING, callback=my_callback)
如果你想設(shè)置多個回調(diào)函數(shù)，可以這樣：
def my_callback_one(channel): print('Callback one')def my_callback_two(channel): print('Callback two')GPIO.add_event_detect(channel, GPIO.RISING)GPIO.add_event_callback(channel, my_callback_one)GPIO.add_event_callback(channel, my_callback_two)
注意：回調(diào)觸發(fā)時，并不會同時執(zhí)行回調(diào)函數(shù)，而是根據(jù)設(shè)置的順序調(diào)用它們。
好了，上面說明了一大堆函數(shù)庫的用法，那么現(xiàn)在就應(yīng)該來個簡單的實驗了
#!/usr/bin/env python# encoding: utf-8# 導(dǎo)入模塊RPI.GPIO，命名為別名為GPIOimport RPi.GPIO as GPIO# 導(dǎo)入time模塊import time# 聲明 GPIO 使用物理編號方式，也就是11號口就是物理編號11號口GPIO.setmode(GPIO.BOARD)# 聲明11號口是用于輸出模式GPIO.setup(11, GPIO.OUT)# 設(shè)置11號口為高電壓，也就是11號口變?yōu)?.3伏# 這行代碼執(zhí)行之后，11號口變?yōu)楦唠妷海? 那么根據(jù)電路原理，led燈就會亮起來GPIO.output(11, GPIO.HIGH)# 程序休眠3秒鐘，程序休眠期間，led燈會一直亮著time.sleep(3)# 設(shè)置11號口為低電壓，也就是11號口變?yōu)?伏，和GND一樣# 這行代碼執(zhí)行之后，11號口變?yōu)榈碗妷海敲锤鶕?jù)電路原理，led燈就會熄滅GPIO.output(11, GPIO.LOW)# 將所有的GPIO口狀態(tài)恢復(fù)為初始化，一般代碼結(jié)束都執(zhí)行此代碼，這是一個好習(xí)慣GPIO.cleanup()
保存文件為
led.py
，并運行之，看看 LED 燈是否亮3秒后熄滅。
sudo python led.py
最終效果
