# 树莓派GPIO编程完全指南

树莓派作为一款功能强大的单板计算机，其GPIO（General Purpose Input/Output）接口为硬件爱好者提供了丰富的扩展可能性。本文将详细介绍如何使用树莓派的GPIO接口进行各种硬件控制。

## GPIO基础概念

GPIO是通用输入输出接口的缩写，它允许树莓派与外部电子设备进行数字信号交互。树莓派4B提供了40个GPIO引脚，每个引脚都可以配置为输入或输出模式。

### 引脚布局

```
    3V3  (1) (2)  5V
  GPIO2  (3) (4)  5V
  GPIO3  (5) (6)  GND
  GPIO4  (7) (8)  GPIO14
    GND  (9) (10) GPIO15
 GPIO17 (11) (12) GPIO18
 GPIO27 (13) (14) GND
 GPIO22 (15) (16) GPIO23
    3V3 (17) (18) GPIO24
 GPIO10 (19) (20) GND
  GPIO9 (21) (22) GPIO25
 GPIO11 (23) (24) GPIO8
    GND (25) (26) GPIO7
```

## 数字输入输出

### 基本LED控制

让我们从一个简单的LED控制开始：

```python
import RPi.GPIO as GPIO
import time

# 设置GPIO模式
GPIO.setmode(GPIO.BCM)

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

try:
    while True:
        # 点亮LED
        GPIO.output(LED_PIN, GPIO.HIGH)
        time.sleep(1)
        
        # 熄灭LED
        GPIO.output(LED_PIN, GPIO.LOW)
        time.sleep(1)
        
except KeyboardInterrupt:
    print("程序被用户中断")
finally:
    # 清理GPIO
    GPIO.cleanup()
```

### 按钮输入检测

```python
import RPi.GPIO as GPIO
import time

# 设置GPIO模式
GPIO.setmode(GPIO.BCM)

# 设置按钮引脚
BUTTON_PIN = 24
GPIO.setup(BUTTON_PIN, GPIO.IN, pull_up_down=GPIO.PUD_UP)

def button_callback(channel):
    print("按钮被按下！")

# 添加中断检测
GPIO.add_event_detect(BUTTON_PIN, GPIO.FALLING, 
                     callback=button_callback, bouncetime=300)

try:
    while True:
        time.sleep(1)
        
except KeyboardInterrupt:
    print("程序被用户中断")
finally:
    GPIO.cleanup()
```

## PWM控制

PWM（脉宽调制）是一种通过改变脉冲宽度来控制平均电压的技术，常用于控制LED亮度或电机速度。

```python
import RPi.GPIO as GPIO
import time

# 设置GPIO模式
GPIO.setmode(GPIO.BCM)

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

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

try:
    while True:
        # 逐渐增加亮度
        for duty_cycle in range(0, 101, 5):
            pwm.ChangeDutyCycle(duty_cycle)
            time.sleep(0.1)
        
        # 逐渐减少亮度
        for duty_cycle in range(100, -1, -5):
            pwm.ChangeDutyCycle(duty_cycle)
            time.sleep(0.1)
            
except KeyboardInterrupt:
    print("程序被用户中断")
finally:
    pwm.stop()
    GPIO.cleanup()
```

## I2C通信

I2C是一种两线制串行通信协议，常用于连接传感器和显示器。

### 安装I2C工具

```bash
sudo apt update
sudo apt install i2c-tools python3-smbus
```

### 扫描I2C设备

```bash
sudo i2cdetect -y 1
```

### Python I2C示例

```python
import smbus
import time

# 创建I2C总线对象
bus = smbus.SMBus(1)

# 设备地址（需要根据实际设备调整）
DEVICE_ADDRESS = 0x48

def read_temperature():
    # 读取温度传感器数据
    data = bus.read_i2c_block_data(DEVICE_ADDRESS, 0x00, 2)
    temperature = ((data[0] << 8) + data[1]) / 16.0
    return temperature

try:
    while True:
        temp = read_temperature()
        print(f"温度: {temp:.2f}°C")
        time.sleep(1)
        
except KeyboardInterrupt:
    print("程序被用户中断")
```

## SPI通信

SPI（Serial Peripheral Interface）是一种高速同步串行通信协议。

```python
import spidev
import time

# 创建SPI对象
spi = spidev.SpiDev()
spi.open(0, 0)  # 打开SPI总线0，设备0
spi.max_speed_hz = 1000000  # 设置最大速度

def read_adc(channel):
    # 读取ADC值
    adc = spi.xfer2([1, (8 + channel) << 4, 0])
    data = ((adc[1] & 3) << 8) + adc[2]
    return data

try:
    while True:
        # 读取通道0的ADC值
        value = read_adc(0)
        voltage = (value * 3.3) / 1024.0
        print(f"ADC值: {value}, 电压: {voltage:.2f}V")
        time.sleep(0.5)
        
except KeyboardInterrupt:
    print("程序被用户中断")
finally:
    spi.close()
```

## 实际应用案例

### 智能家居控制系统

结合多个传感器和执行器，可以构建一个简单的智能家居控制系统：

```python
import RPi.GPIO as GPIO
import time
import json

class SmartHomeController:
    def __init__(self):
        self.setup_gpio()
        self.sensors = {}
        self.actuators = {}
        
    def setup_gpio(self):
        GPIO.setmode(GPIO.BCM)
        
        # 传感器引脚
        self.temp_sensor = 4
        self.motion_sensor = 17
        self.light_sensor = 27
        
        # 执行器引脚
        self.led = 18
        self.fan = 23
        self.buzzer = 24
        
        # 配置引脚
        GPIO.setup([self.temp_sensor, self.motion_sensor, self.light_sensor], GPIO.IN)
        GPIO.setup([self.led, self.fan, self.buzzer], GPIO.OUT)
        
    def read_sensors(self):
        """读取所有传感器数据"""
        return {
            'temperature': self.read_temperature(),
            'motion': GPIO.input(self.motion_sensor),
            'light': GPIO.input(self.light_sensor)
        }
        
    def control_actuators(self, data):
        """根据传感器数据控制执行器"""
        # 温度控制风扇
        if data['temperature'] > 25:
            GPIO.output(self.fan, GPIO.HIGH)
        else:
            GPIO.output(self.fan, GPIO.LOW)
            
        # 运动检测控制LED
        if data['motion']:
            GPIO.output(self.led, GPIO.HIGH)
        else:
            GPIO.output(self.led, GPIO.LOW)
            
        # 光线检测控制蜂鸣器
        if data['light'] < 100:  # 假设光线传感器返回0-1023的值
            GPIO.output(self.buzzer, GPIO.HIGH)
        else:
            GPIO.output(self.buzzer, GPIO.LOW)
    
    def run(self):
        try:
            while True:
                sensor_data = self.read_sensors()
                self.control_actuators(sensor_data)
                
                print(f"传感器数据: {sensor_data}")
                time.sleep(1)
                
        except KeyboardInterrupt:
            print("系统关闭")
        finally:
            GPIO.cleanup()

# 运行智能家居控制器
if __name__ == "__main__":
    controller = SmartHomeController()
    controller.run()
```

## 最佳实践和注意事项

### 1. 电源管理
- 确保为外部设备提供足够的电源
- 使用适当的电压转换器
- 避免过载GPIO引脚

### 2. 信号完整性
- 使用适当的电阻进行信号调理
- 避免长距离传输数字信号
- 考虑电磁干扰问题

### 3. 代码优化
- 使用中断而不是轮询
- 合理使用GPIO.cleanup()
- 避免阻塞主线程

### 4. 安全考虑
- 添加适当的错误处理
- 使用看门狗定时器
- 实现优雅的关闭机制

## 总结

树莓派GPIO编程为硬件项目提供了强大的基础。通过掌握数字I/O、PWM、I2C和SPI等通信协议，你可以构建各种有趣的硬件项目。记住始终遵循最佳实践，确保项目的稳定性和可靠性。

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