在树莓派中使用Python编程实现对LED灯的控制

一、树莓派与Python语言编程

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。借助于扩展板及“积木”编程（比如古德微机器人网站），中小学生就可以比较轻松地使用树莓派开发出例如超声波测距、定时闹钟、声控楼道灯、倒车提醒器等具有实际应用价值的“产品”，甚至还有智能语音输出、文字识别等更为高端的人工智能方面的应用（与百度AI关联）。作为树莓派的编程“黄金搭档”，Python语言是目前正在广泛使用的通用高级编程语言，它主要是为了强调代码可读性而开发的，语法允许使用更少的代码行来表达概念；配合使用丰富的通用型传感器和功能强大的语言“库”模块，使用Python语言编程进行创客实验已经成为树莓派最为强势的应用之一（如图1所示）。

图1

二、简易红绿灯实验的预备知识

1.实验的预期效果三只并列排布的LED灯依次闪亮——先是绿灯亮10秒，熄灭；接着是黄灯持续闪烁三次，每次1秒；然后是红灯亮10秒，熄灭，再绿灯亮10秒……反复循环这一过程，这是生活中最为常见的十字路口一组红绿灯中的雏形。

2.实验器材树莓派（带电源线）主板一块、红黄绿LED灯各一只、六根母对母杜邦线，一台联网电脑（或直接给树莓派接上显示器、鼠标和键盘）。

3.树莓派的40Pin引脚树莓派主板一侧有两排引脚，共40Pin（物理引脚BOARD编码是从1依次到40）。在树莓派的命令行窗口（通过远程桌面连接）中输入“gpioreadall”命令，可显示出所有的引脚编号及功能对应关系（如图2所示）。

图2

通常情况下，Python语言编程库都是使用BCM编码（WiringPi编码一般应用于C++等编程平台），这种编码依据是BCM2835芯片的GPIO寄存器编号。如果按照功能来分类，除了8个GND（接地）端、3.3V和5V的电源正极各两个之外，最为主要的部分就是17个可编程的GPIO（GeneralPurposeInput/Output：“通用型输入输出接口”），其BCM编码分别是0-7、21-29两组（物理引脚位置并非连续分布），可以用来驱动传感器、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，在确定好待用的BCM编码号后再与物理引脚一一对应。本次实验所使用的红、黄、绿三只LED灯的长引脚（正极）BCM编码分别设置为5、6和13，所对应的物理引脚BOARD编码是29、31和33，分别用母对母杜邦线连接好；短引脚（负极）同样使用杜邦线与三个GND连接，比如物理引脚BOARD编码为25、30和39（如图3所示）。

图3

三、在树莓派中使用Python编程实现对LED灯的控制

1.测试控制一只红色LED灯的亮与灭连接好实验设备后给树莓派通电开机，稍后在联网电脑的远程桌面连接中进入命令行模式（出现“pi@raspberrypi：~$”提示符），输入“python”后回车进入Python界面（命令提示符变为“》》》”）；接着再输入“importRPi.GPIOasGPIO”命令，作用是以GPIO为名导入RPi.GPIO库，无错误提示的话就代表Python已经成功加载了RPi.GHIO库（出现错误提示就必须按照提示进行更新或安装）；值得一提的是，RPi.GPIO本身是Python的一个库模块，树莓派官方系统默认已经安装，共作用就是允许用户从代码中控制各GPIO引脚。接着，输入“GPIO.setmode（GPIO.BCM）”命令，意思是“通知”Python准备使用树莓派的BCM编码模式来对各引脚进行控制。由于红色LED灯正极是接在BCM编码5号上，因此在使用Python编程控制时就必须通过数字“5”来控制（而不是其对应的物理引脚BOARD编码25）。输入命令“GPIO.setup（5，GPIO.OUT）”，意思是设置5号GPIO为输出端（GPIO.OUT）；接着输入“GPIO.output（5，GPIO.HIGH）”命令，设置5号GPIO输出高电平（GPIO.HIGH）。此时回车执行该命令后，树莓派上的红色LED灯就会瞬间被“点亮”（如图4所示）。

图4

发光测试成功后，接着再发一条“GPIO.output（5，GPIO.LOW）”命令，设置5号GPIO输出低电平（GPIO.LOW）；回车，红色LED灯熄灭，测试工作完成。2.编写完整的Python程序在联网电脑的Windows系统中使用PyCharm程序编辑器来编写TrafficLED.py（或者可以直接远程进入树莓派系统中调用“编程”-“ThonnyPythonIDE”来编写），程序的主体内容就是控制三个LED灯依次点亮和熄灭（如图5），以绿灯亮10秒为例，其命令语句为：GPIO.output（13，GPIO.HIGH）time.sleep（10.0）GPIO.output（13，GPIO.LOW）值得注意的地方：一是程序的最开始语句“#！/usr/bin/python3”的作用是指定由哪个Python解释器来执行脚本，因为有的操作系统同时安装了Python2和Python3（二者并不兼容）；二是需要通过“importtime”命令来导入时间库，因为程序中使用了sleep语句来控制灯亮、灭的持续时间，其中的数值参数单位为秒；三是程序的主体需要一直循环，可使用语句“while1：”（条件永远为真）；四是分别设置print语句用来显示提示当前LED灯的状态，比如“黄灯闪3s”。所有命令语句均输入完成后，将其保存为Python文件TrafficLED.py（如图5所示），并通过远程桌面复制粘贴到树莓派的用户目录中（/home/pi/）。

图53.调试运行Python程序，控制LED灯实现红绿灯效果在远程桌面窗口中双击从Windows中传递过来的TrafficLED.py程序文件，调用树莓派中已经安装的ThonnyPythonIDE来打开；接着点击上方的“Run”按钮，程序就开始运行：IDE窗口下方的Shell区域先是显示“绿灯亮10s”的提示，此时连接在树莓派上的绿色LED灯开始发光；10秒钟后，提示信息变为“黄灯闪3s”，绿色LED灯熄灭，黄色LED灯闪烁3秒；之后，提示信息变为“红灯亮10s”，绿色和黄色LED灯都为熄灭状态，红色LED灯发光（如图6所示）；10秒之后，提示信息变为“本轮结束，进行下一轮”、“绿灯亮10s”，绿色LED灯又会再次亮起……

图6
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