第4章：GPIO编程入门——RPi.GPIO库安装、引脚模式设置、数字输入输出、PWM脉宽调制

好，咱们进入正题。这一章讲的是GPIO编程，说白了就是让树莓派的那些引脚听你使唤。我刚开始接触树莓派时，觉得GPIO这东西挺神秘的——几个金属针脚，怎么就能控制整个智能家居系统呢？后来做项目多了才发现，其实原理很简单，就是高低电平的切换。

4.1 RPi.GPIO库的安装

在树莓派上操作GPIO，最常用的库就是RPi.GPIO。它是个Python库，直接控制树莓派的硬件引脚。安装方式很简单，但有个坑我得先提醒你。

安装命令如下：

# 更新系统包列表
sudo apt-get update

# 安装RPi.GPIO库
sudo apt-get install python3-rpi.gpio

# 或者用pip安装（推荐）
sudo pip3 install RPi.GPIO

我个人习惯用pip安装，因为版本控制更灵活。安装完成后，在Python交互环境里试一下：

import RPi.GPIO as GPIO
print(GPIO.VERSION)

如果输出版本号，说明安装成功了。嗯，这里要注意，如果你用的是树莓派5，RPi.GPIO可能不兼容，得用gpiozero或者librpi-gpio。我在一次项目迁移时就吃过这个亏，折腾了半天才发现是库不兼容。

4.2 引脚模式设置

树莓派的引脚编号有两种方式：BOARD模式和BCM模式。这俩有啥区别？

模式	说明	示例
BOARD	按物理引脚位置编号（1-40）	物理引脚11
BCM	按Broadcom芯片的GPIO编号	GPIO17

我建议新手用BOARD模式，因为物理引脚好数，不容易接错线。但如果你要参考网上很多现成的电路图，它们通常用BCM模式。你自己选吧，我个人习惯用BCM，因为代码移植方便。

import RPi.GPIO as GPIO

# 设置引脚模式
GPIO.setmode(GPIO.BCM)   # 使用BCM编号
# 或者
GPIO.setmode(GPIO.BOARD) # 使用物理引脚编号

4.3 数字输出——点亮一盏灯

数字输出，说白了就是让引脚输出高电平（3.3V）或低电平（0V）。最常见的例子就是控制LED灯。

先看代码：

import RPi.GPIO as GPIO
import time

# 设置引脚模式
GPIO.setmode(GPIO.BCM)
GPIO.setwarnings(False)  # 关闭警告

# 设置引脚为输出模式
LED_PIN = 17
GPIO.setup(LED_PIN, GPIO.OUT)

# 点亮LED
GPIO.output(LED_PIN, GPIO.HIGH)
time.sleep(2)

# 熄灭LED
GPIO.output(LED_PIN, GPIO.LOW)

# 清理GPIO资源
GPIO.cleanup()

这里有个关键点：GPIO.setup()用来设置引脚方向。输出模式就是让树莓派控制外部设备。我刚开始做智能家居时，用这个功能控制继电器开关，实现了灯光自动控制。说白了，就是高低电平的切换。

4.4 数字输入——读取按钮状态

数字输入就是读取外部信号，比如按钮按下、传感器触发。这比输出稍微复杂一点，因为涉及到上拉/下拉电阻的问题。

看代码：

import RPi.GPIO as GPIO
import time

GPIO.setmode(GPIO.BCM)

# 设置引脚为输入模式，启用内部上拉电阻
BUTTON_PIN = 18
GPIO.setup(BUTTON_PIN, GPIO.IN, pull_up_down=GPIO.PUD_UP)

try:
    while True:
        # 读取引脚状态
        if GPIO.input(BUTTON_PIN) == GPIO.LOW:
            print("按钮被按下")
        else:
            print("按钮未按下")
        time.sleep(0.1)
except KeyboardInterrupt:
    GPIO.cleanup()

为什么会用到上拉电阻？你想想看，当按钮没按下时，引脚处于悬空状态，电平不确定，可能会误触发。上拉电阻把引脚拉到高电平，按下按钮时接地变成低电平。这样信号就稳定了。

我在做门磁传感器项目时，就遇到过悬空引脚导致误报的问题。后来加了内部上拉电阻，问题就解决了。说白了，就是给引脚一个确定的初始状态。

4.5 PWM脉宽调制——模拟输出

PWM（Pulse Width Modulation）是一种模拟信号技术。树莓派的GPIO只能输出数字信号（0或1），但通过PWM，你可以控制LED的亮度、电机的转速。

原理很简单：快速切换高低电平，通过改变高电平占整个周期的比例（占空比），来模拟不同的电压值。

import RPi.GPIO as GPIO
import time

GPIO.setmode(GPIO.BCM)
GPIO.setup(17, GPIO.OUT)

# 创建PWM对象，频率1000Hz
pwm = GPIO.PWM(17, 1000)
pwm.start(0)  # 初始占空比0%

try:
    while True:
        # 逐渐增加亮度
        for duty in range(0, 101, 5):
            pwm.ChangeDutyCycle(duty)
            time.sleep(0.1)
        # 逐渐降低亮度
        for duty in range(100, -1, -5):
            pwm.ChangeDutyCycle(duty)
            time.sleep(0.1)
except KeyboardInterrupt:
    pwm.stop()
    GPIO.cleanup()

这里GPIO.PWM(17, 1000)创建了一个频率为1000Hz的PWM信号。频率越高，控制越平滑，但也不能太高，否则树莓派处理不过来。

4.6 综合示例：呼吸灯

把上面的知识串起来，做一个呼吸灯效果。LED从暗到亮，再从亮到暗，循环往复。

import RPi.GPIO as GPIO
import time

GPIO.setmode(GPIO.BCM)
GPIO.setup(17, GPIO.OUT)

pwm = GPIO.PWM(17, 1000)
pwm.start(0)

try:
    while True:
        # 渐亮
        for duty in range(0, 101, 1):
            pwm.ChangeDutyCycle(duty)
            time.sleep(0.02)
        # 渐暗
        for duty in range(100, -1, -1):
            pwm.ChangeDutyCycle(duty)
            time.sleep(0.02)
except KeyboardInterrupt:
    pwm.stop()
    GPIO.cleanup()

这个例子虽然简单，但包含了GPIO编程的核心：模式设置、数字输出、PWM控制。你想想看，智能家居里的灯光调光、风扇调速，本质上都是这个原理。

4.7 避坑指南

最后，分享几个我踩过的坑：

• 忘记清理GPIO： 程序退出后，GPIO引脚可能保持上次的状态。一定要在程序结束时调用GPIO.cleanup()，否则下次运行会报错。
• 引脚复用冲突： 有些引脚有特殊功能（比如I2C、SPI），如果你把它们当普通GPIO用，可能会影响其他功能。我建议用之前查一下树莓派的引脚功能图。
• 电流限制： 树莓派每个GPIO引脚最大输出电流16mA，所有引脚总电流不能超过50mA。超过这个限制，轻则重启，重则烧毁。
• 电平不匹配： 树莓派是3.3V逻辑电平，如果接5V设备，需要电平转换芯片。我曾经直接接了5V传感器，结果树莓派直接重启了。

好了，这一章的内容就到这里。GPIO编程是智能家居系统的基础，掌握了这些，你就能控制各种传感器和执行器了。下一章，我们会把这些知识用到实际项目中，做一个完整的传感器联动系统。