Python编程点亮树莓派LED灯
2020-08-02
“树莓派”是一块仅为信用卡般大小的微型电脑，可用于嵌入式开发和计算机开源硬件编程，目前在中小学创客教育活动领域有着极为广泛的应用;Python语法精简，而且能够调用功能强大的各种“库”模块，比如树莓派通过RPi.GPIO库可以非常方便地控制各种外设（LED灯等）。
1.实验目的
认识和连接树莓派，通过Python编程控制LED灯发光和熄灭。
2.实验器材及连接
树莓派（带电源线）主板一块，红色LED灯一支，两根母对母杜邦线，一台联网电脑。
树莓派的两排引脚可以连接多种外设，共40针，其物理引脚的BOARD编码是从1到40。排列规律是：按字母正向标注平放树莓派后，下面一列为奇数序号，从左至右分别是1、3、5……37、39;上面一列为偶数序号，从左至右分别是2、4、6……38、40。
通过Windows的“远程桌面连接”登录树莓派后，在LX终端命令行窗口（“pi@raspberrypi：～$”提示符）中输入“gpio readall”命令，可显示出所有的引脚编号及功能对应关系（如图1）。Python语言编程库使用的是BCM编码（依据是BCM2835芯片的GPIO寄存器编号）。按照功能来分类，除了8个GND（接地）端、3.3V和5V的电源正极各两个之外，最主要的就是17个可编程的GPIO（General Purpose Input/Output：“通用型输入输出接口”），其BCM编码分别是0-7、21-29两组（注意：物理引脚位置并不是连续分布的），可以用来驱动LED灯、传感器、舵机等各种外设。
使用树莓派GPIO引脚与外设连接时必须要仔细，在确定好BCM编码号后再与物理引脚一一对应。比如：我们要将LED灯的长引脚（正极）接至树莓派BCM编码为5的引脚，对应的物理引脚BOARD编码就是29号;短引脚（负极）任意选择一个GND接地引脚即可（比如25号），通过杜邦线连接好（如图2）。
3.实验步骤
（1）在LX终端命令行模式中控制LED灯
连接好实验设备后给树莓派通电开机，然后通过“远程桌面连接”进入树莓派系统（输入IP地址），点击LX终端进入命令行模式。
首先输入“python”后回车，进入Python界面（命令提示符变为“>>>”）;接着，输入“import RPi.GPIO as GPIO”命令，作用是以GPIO为名导入RPi.GPIO库，无“回显”错误提示，说明Python已经成功加载了RPi.GHIO库（出错的话要进行更新或安装）;然后输入“GPIO.setmode（GPIO.BCM）”命令，作用是设置树莓派的引脚控制方式为BCM编码模式——红色LED灯的正极已经连接至BCM编码5号，Python编程控制时通过数字“5”就能够进行控制（而并非物理引脚BOARD编码“29”）;接着，输入命令“GPIO.setup（5，GPIO.OUT）”，设置5号GPIO为输出端（GPIO.OUT）;再输入“GPIO.output（5，GPIO.HIGH）”命令，设置5号GPIO输出高电平（GPIO.HIGH）。
回车执行命令后，树莓派的LED灯就会被“点亮”（如图3）。
如何熄灭LED灯呢？非常简单，只须将5号GPIO的输出由高电平再修改为低电平即可，对应的命令是“GPIO.output（5，GPIO.LOW）”，回车执行后，LED灯熄灭。
（2）在Python IDE模式中控制LED灯
在LX终端命令行模式中控制LED燈的方式需要命令的逐条输入和执行，不适合较为复杂的程序，此时可通过“编程”-“Thonny Python IDE”进入Python的IDE编辑窗口来进行程序的编写和调试运行。命令如下：
import RPi.GPIO as GPIO
import time
GPIO.setmode（GPIO.BCM）
GPIO.setup（5，GPIO.OUT）
GPIO.output（5，GPIO.HIGH）
time.sleep（3）
GPIO.output（5，GPIO.LOW）
GPIO.cleanup（）
其中的“import time”命令的作用是导入时间库，因为程序中使用了sleep语句来控制LED灯持续发光3秒钟;GPIO.cleanup（）语句的作用是释放程序所引用的GPIO引脚，并且清除所设置的BCM编码引脚编号规则。将程序保存为LED.py，点击Run按钮调试运行，LED灯发光3秒后熄灭。如果将该程序放置于循环结构中（比如循环10次），并且在GPIO.output（5，GPIO.LOW）后也添加一条time.sleep（1）命令，LED灯就会闪烁起来：亮3秒再熄灭1秒、再亮3秒熄灭1秒……
试想一下：如果使用六根杜邦线分别将红黄绿三支不同颜色的LED灯连接至树莓派的话，是不是可以在IDE中编写循环结构来实现十字路口红绿灯效果呢？
