GPIO在Python中的应用

1. 简介

GPIO（General Purpose Input/Output）是一种通用输入输出接口，可以用于控制和读取外部设备的输入输出信号。它是数字电路与计算机系统之间的接口，可以通过程序对外部设备进行控制，比如传感器、LED灯、继电器等。在树莓派等嵌入式系统中，GPIO被广泛应用于物联网、机器人等领域。

本文将详细介绍使用Python控制GPIO接口的方法，包括引脚模式设置、输入输出控制、中断处理等内容。

2. 引脚模式设置

在使用GPIO之前，首先需要设置引脚的工作模式。在Python中，可以使用RPi.GPIO库来完成引脚模式的设置与控制。

首先，需要执行以下命令安装RPi.GPIO库：

pip install RPi.GPIO

接下来，通过以下代码导入库并设置引脚模式：

import RPi.GPIO as GPIO

GPIO.setmode(GPIO.BCM)

这里使用的是BCM模式，即树莓派的引脚编号模式。还有另一种模式是BOARD模式，即物理引脚编号模式。

3. 输出控制

GPIO的一种常见用途是控制LED灯的亮灭。下面的示例代码演示了如何使用Python控制GPIO输出来控制LED灯的亮灭。

首先，需要连接一个LED，并将它的正极连接到树莓派的GPIO引脚，将负极连接到树莓派的接地线。

import RPi.GPIO as GPIO
import time

# 设置引脚模式
GPIO.setmode(GPIO.BCM)

# 设置GPIO引脚
led_pin = 18
GPIO.setup(led_pin, GPIO.OUT)

# 控制LED灯
try:
    while True:
        GPIO.output(led_pin, GPIO.HIGH)  # 点亮LED灯
        time.sleep(1)  # 等待1秒
        GPIO.output(led_pin, GPIO.LOW)  # 关闭LED灯
        time.sleep(1)  # 等待1秒

except KeyboardInterrupt:
    GPIO.cleanup()  # 清理GPIO设置

运行上述代码后，LED灯将每隔1秒亮灭一次。

4. 输入控制

GPIO还可以读取外部设备的输入信号，比如按钮、传感器等。下面的示例代码演示了如何使用Python读取GPIO输入并控制LED灯的亮灭。

首先，需要连接一个按钮，并将它的一个脚连接到树莓派的GPIO引脚，另一个脚连接到树莓派的接地线。

import RPi.GPIO as GPIO

# 设置引脚模式
GPIO.setmode(GPIO.BCM)

# 设置GPIO引脚
led_pin = 18
button_pin = 17
GPIO.setup(led_pin, GPIO.OUT)
GPIO.setup(button_pin, GPIO.IN, pull_up_down=GPIO.PUD_UP)

# 控制LED灯
try:
    while True:
        button_state = GPIO.input(button_pin)
        if button_state == GPIO.LOW:
            GPIO.output(led_pin, GPIO.HIGH)  # 点亮LED灯
        else:
            GPIO.output(led_pin, GPIO.LOW)  # 关闭LED灯

except KeyboardInterrupt:
    GPIO.cleanup()  # 清理GPIO设置

运行上述代码后，当按下按钮时，LED灯将亮起；松开按钮时，LED灯将熄灭。

5. 中断处理

除了轮询读取输入信号以外，GPIO还支持中断处理，可以减少对CPU的占用，提高系统性能。下面的示例代码演示了如何使用Python进行GPIO中断处理。

首先，需要连接一个传感器，并将它的输出连接到树莓派的GPIO引脚。

import RPi.GPIO as GPIO

# 设置引脚模式
GPIO.setmode(GPIO.BCM)

# 设置GPIO引脚
led_pin = 18
sensor_pin = 17
GPIO.setup(led_pin, GPIO.OUT)
GPIO.setup(sensor_pin, GPIO.IN)

# 中断处理函数
def sensor_callback(channel):
    if GPIO.input(sensor_pin):
        GPIO.output(led_pin, GPIO.HIGH)  # 点亮LED灯
    else:
        GPIO.output(led_pin, GPIO.LOW)  # 关闭LED灯

# 设置中断回调函数
GPIO.add_event_detect(sensor_pin, GPIO.BOTH, callback=sensor_callback)

# 控制LED灯
try:
    while True:
        pass

except KeyboardInterrupt:
    GPIO.cleanup()  # 清理GPIO设置

运行上述代码后，当传感器的信号发生变化时，中断回调函数sensor_callback将被触发。根据传感器的信号，LED灯将相应地点亮或熄灭。