开源图书《Python完全自学教程》12.7树莓派开发

12.7 树莓派开发

本节的标题很大，但内容仅限于演示一个在树莓派上应用 Python 语言进行开发的示例，如果读者对本节标题相关的内容有兴趣，推荐查阅有关专门资料。

12.7.1 树莓派概要

树莓派（Raspberry Pi）是一款基于 Linux 的单片机（single-chip microcomputer）——中央处理器（CPU）、存储器、定时计数器、各种输入输出接口等集成在一块集成电路芯片上的微型计算机。自2012年发布第一代产品以来，颇受广大学生和开发者喜欢，因为它不仅集中了常用的单片机功能，最重要的是价格便宜。撰写本节时，从树莓派的官方网站（https://www.raspberrypi.org/）可知，目前最新型号是 Raspberry Pi 4 ，如图12-7-1所示。

图12-7-1 树莓派 4

表12-7-1汇总了自发布到撰写本节时所有的树莓派型号，供读者选用有关硬件设备时参考。

表12-7-1 树莓派型号概况

注：发布时间后标有 * 符号，表示已经停产。

可能有读者会问，树莓派是否能够替代自己用的计算机？这不是用“能”或“不能”可以回答的，因为每个人用计算机做的事情不一样，对其软硬件的需求也不同。表12-7-2列出了 Raspberry Pi 3 B+ 和 Raspberry Pi 4 的硬件规格，可供参考。

表12-7-2 两款不同型号树莓派部分硬件规格

显然树莓派的硬件规格是低于目前主流计算机的，但只是要运用恰当，它也能“干活”。

以图12-7-2所示的树莓派 3B+ 为例（是本小节演示用的设备），将其与显示器连接，并接通电源，即可启动（关于树莓派的系统设置，可以参考有关专门资料，此处不作为重点介绍）。

图12-7-2 树莓派 3B+ 俯视图

图12-7-3 为启动之后进入的桌面，图12-7-4显示用树莓派登录网站的效果。

图12-7-3 树莓派启动后的桌面

图12-7-4 在树莓派上打开浏览器并访问网站

树莓派上默认安装了 Raspberry Pi OS ——基于 Linux 的操作系统。如果读者对 Ubuntu 、Debian 等 Linux 发行版有所了解，操作树莓派则非常简单。因为树莓派当初就是为学习者而设计开发的，鼠标移动到图12-7-3中所示菜单中的“编程”，会看到操作系统中已经默认安装了常用的编程工具，基本可以满足从小到大学各级各类学生学习编程的需要（如图12-7-5所示）。

图12-7-5 默认安装的软件

用鼠标点击图12-7-5中所示的“Python 3 (IDLE)”，就进入了与第1章1.7节中的图1-7-16同样的界面，只是树莓派中默认安装的 Python 版本可能不如本书中或者读者所使用的的版本高。若读者有兴趣提升树莓派中的 Python 版本，可以参考本书第1章。

树莓派上也支持本书之前演示中所用的终端，如图12-7-5所示，鼠标点击终端按钮（图12-7-5所示的顶部右边第一个按钮），即可打开终端界面。如果在此界面直接输入 python 指令，也会进入 Python 交互模式，但是 Python 2 的交互模式，通常在 Linux 系统发行版中，会默认安装 Python 的两个版本（只有在最新的发行版系统中才逐渐移除了 Python 2）。若要进入 Python 3 的交互模施工，需要输入 python3 指令。

总而言之，树莓派是一个“开机即用”的计算机，如果在它上面编写 Python 程序，与本书所讲过的方法完全相同。

12.7.2 极简案例

如果读者已经拥有了一块树莓派，就可以通过本小节的极简案例初步体验以树莓派为平台，设计一个简单的灯光信号装置。所用的材料包括（如图12-7-6所示，不含显示器）：

• 一台树莓派，一台显示器
• 一个发光二极管（ light-emitting diode ，缩写为 LED ）
• 一个限流电阻
• 三根杜邦线

图12-7-6 实验器材

按照12.7.1节的方式，打开树莓派之后，在终端，输入如下指令：

pi@raspberrypi:~ $ pinout

输出图12-7-7所示的结果，显示了树莓派各个引脚的含义（图12-7-6所示的树莓派右侧像针一样排列的，叫做引脚，共40个）。

图12-7-7 输出树莓派引脚说明

为了更清晰地与真实设备对照，也可以使用图12-7-8所示的图片（图片来源：https://www.bigmessowires.com/2018/05/26/raspberry-pi-gpio-programming-in-c/）。

图12-7-8 引脚对照

从上述图示或者输出结果可知，树莓派共有40个引脚，其中标记有 GPIO（General Purpose Input/Output）的引脚用于读取或输出高低电平，后面演示用程序控制发光二极管的闪烁，就会用到此类引脚；标有 GND（Ground）的引脚用于接地。这两类引脚在后续会用到，其他没有用到的此处不赘述，读者有意了解，请查阅树莓派的专门资料。

接下来连接电路。本示例中的电路非常简单，只需要用杜邦线将发光二极管、电阻串联即可（如图12-7-9所示）。但是要注意发光二极管的两腿的长度不同，长腿要与电源的正极相连，短腿与电源的负极相连（如图12-7-10所示）。在图12-7-9的电路中，电阻所在一侧为发光二极管的长腿一侧。

图12-7-9 串联电路

图12-7-10 发光二极管

为了安全，暂且断开树莓派的电源。然后将与发光二极管长腿相连的杜邦线插到树莓派的16号 GPIO 引脚上，将与发光二极管短腿相连的杜邦线插到14号 GND 引脚上，最终效果如图12-7-11所示。

图12-7-11 连接效果

启动树莓派，打开菜单中的 Python 3（IDLE）（如图12-7-5所示），进入到了 Python 交互模式（如图12-7-12所示），点击菜单栏中的 “File-New File”，在打开的文本编辑界面中输入如下代码。

图12-7-12 打开树莓派上的 Python 编辑器

import RPi.GPIO as GPIO
import time

GPIO.setmode(GPIO.BOARD)
GPIO.setup(16, GPIO.OUT)

GPIO.output(16, GPIO.HIGH)  # 16 号引脚输出一个高电平，灯亮
time.sleep(2)
 

GPIO.output(16, GPIO.LOW)   # 16号引脚输出一个低电平，灯灭
time.sleep(2)

GPIO.output(16, GPIO.HIGH)  # 等再亮
time.sleep(2)

GPIO.cleanup()              # 结束

将上述程序保存为 led.py 文件，并在终端执行它，就能观察到 LED 的亮、灭交替。

以上是非常简单的案例，读者若有兴趣，可以参阅专门资料，以树莓派为平台，开发更复杂的引用。

★自学建议 对于学生和业余爱好者而言，树莓派是一个性价比很高的开发平台，通过它能够控制很多电子设备，将“软件”和“硬件”结合起来。诚然，这还需要读者具备相关的电子学知识。”