实例2：树莓派GPIO控制外部LED灯闪烁
实验目的
- 通过背景知识学习，了解四足机器人mini pupper搭载的微型控制计算机：树莓派。
- 通过树莓派GPIO操作的学习，熟悉GPIO的读写控制。
- 通过外部LED灯的亮灭控制，熟悉树莓派对外界信号的读取与输出。
实验要求
使用Python语言编程，通过树莓派上GPIO的控制，周期性地改变外部LED灯的亮灭状态，使之发生周期为一秒的持续明暗闪烁。
实验知识
1. 什么是树莓派？
树莓派（Raspberry Pi）是英国树莓派基金会开发的低成本微型单板计算机，硬件上配置有SoC (片上系统)，具有 GPU和RAM并支持有线、无线连接方案。值得称道的是，树莓派有着完善的社区与软件支持，这极大地方便了机器人开发初学者的入门学习。
树莓派在具备计算机基本功能的同时，保持着一张卡片的大小，这意味着你可以简单便捷地搭建自己的机器人编程平台，并将这台微型计算机部署在小巧可爱的四足机器狗mini pupper上。
图片1：树莓派4B
参考链接：树莓派
2. 什么是GPIO？
树莓派上有丰富的接口，这些接口使得树莓派能够方便地与外部设备进行通信及控制，例如USB、CAMERA、GPIO等。
其中的GPIO接口，全称为General Purpose Input Output，意为通用型输入输出口，树莓派上的GPIO接口可以用于输入、输出或其他特殊功能。
通过GPIO，可以让树莓派和不同的外部模块组件进行交互，例如按钮、蜂鸣器、舵机等。
图片2：GPIO接口图
3. 树莓派GPIO引脚图
在命令行中查看树莓派GPIO引脚图。
pinout
# 如果你希望学习在命令行中对GPIO口进行更复杂的操作，可查看课程的进阶参考文档中实例2部分
你将会看到
图片3：pinout指令的输出结果
参考链接：树莓派4B引脚图
4. RPi.GPIO库的基本用法
GPIO.setmode(GPIO.BOARD) # 初始化GPIO引脚编码方式，需放在代码正式开始处
# GPIO引脚有多种编码方式，比如BCM、wiringPi、BOARD等,方便起见，课程均采用BOARD编码模式
GPIO.setup(12, GPIO.OUT) # 初始化GPIO引脚设置，需放在代码正式开始处
GPIO.setup(12, GPIO.IN) # 12为引脚号 GPIO.IN或者GPIO.OU为输入输出模式
print(GPIO.input(12)) # GPIO.input查看GPIO输入的电平信号
# GPIO.HIGH为高电平 ，GPIO.LOW为低电平 也可用于条件判断作其他操作
# GPIO.output向端口发送高低电平信号
GPIO.output(12, GPIO.HIGH) # 此处以12号端口为例
GPIO.output(12, GPIO.LOW)
GPIO.cleanup() # 在使用完GPIO后要作清理，避免后续引脚被占用
参考链接：Python RPi.GPIO库
参考链接：GPIO Input详解
5. mini pupper学习套件-LED模块的使用
mini pupper学习套件中的LED模块自带板载限流电阻，能够保护LED模块。
接线如下：
| 引脚 | 作用 | 树莓派对应口 |
|---|---|---|
| GND | 接地 | GND口 |
| R | 红灯正极 | PWM口 |
| G | 绿灯正极 | PWM口 |
| B | 蓝灯正极 | PWM口 |
实验步骤
1.硬件连接
-
将灯的任一正极（R/G/B/Y）接入树莓派上的PWM端口（例如33号端口）
树莓派的GPIO中仅有部分为PWM口，你可以通过查看树莓派GPIO的引脚图来确认哪个端口是PWM端。 -
将灯的GND端接入树莓派上的GND端口（例如34号端口）
你可以通过查看树莓派GPIO的引脚图来确认哪个端口是GND端。
2. 编写Python程序 led_blink_GPIO.py
#!/usr/bin/python
# coding:utf-8
# led_blink_GPIO.py
# 使树莓派GPIO外接的LED灯的亮灭状态周期性地改变，发生周期为两秒的持续明暗闪烁。
import RPi.GPIO as GPIO
import time
# GPIO初始化
LED = 33
period = 2
GPIO.setmode(GPIO.BOARD) # 初始化GPIO引脚编码方式
GPIO.setup(LED, GPIO.OUT)
# 如果你需要忽视引脚复用警告，请调用GPIO.setwarnings(False)
# GPIO.setwarnings(False)
print('预设置完成，开始闪烁，端口为%d，周期为%d秒。' % (LED, period))
while True:
GPIO.output(LED, GPIO.HIGH)
time.sleep(period/2)
GPIO.output(LED, GPIO.LOW)
time.sleep(period/2)
GPIO.cleanup()
3. 运行程序，观察效果
在led_blink_GPIO.py的目录下执行以下命令：
sudo python led_blink_GPIO.py
此时应观察到树莓派状态指示灯的亮灭状态周期性地改变，发生周期为一秒的持续明暗闪烁。
图片3：gif图片 LED闪烁实验效果
实验总结
经过本知识点的学习和实验操作，你应该能达到以下水平：
| 知识点 | 内容 | 了解 | 熟悉 | 掌握 |
|---|---|---|---|---|
| 树莓派 | 树莓派的来历、用途及基本硬件性能 | ✔ | ||
| 树莓派 | 树莓派的GPIO | ✔ | ||
| GPIO | RPi.GPIO库的用法 | ✔ | ||
| 硬件 | mini pupper学习套件的LED模块的使用 | ✔ |
版权信息：教材尚未完善，此处预留版权信息处理方式
mini pupper相关内容可访问：https://github.com/mangdangroboticsclub