Raspberry Pi 树莓派项目：Python 与 GPIO 控制

FreeGuideOnline 最新 2026-06-15

Raspberry Pi 树莓派项目：Python 与 GPIO 控制

简介

GPIO（通用输入输出）引脚让树莓派能与物理世界交互。通过 Python，你可以轻松控制 LED、读取按钮、驱动电机，构建自己的物联网原型。本教程从零开始，带你掌握 GPIO 控制的核心方法。

准备工作

所需硬件

树莓派（任意型号，推荐 3B+ 或更新）
MicroSD 卡（已刷写 Raspberry Pi OS）
面包板 + 跳线（公对母）
LED ×1（任何颜色）
330 Ω 电阻 ×1
轻触按键 ×1
10 kΩ 电阻 ×1（用于按键下拉）

软件环境设置

启动树莓派并完成初始配置。
打开终端，更新系统：
```
sudo apt update && sudo apt upgrade -y
```
确认 Python3 已安装（通常预装）：
```
python3 --version
```
安装 GPIO 控制库。推荐使用 gpiozero（入门更友好），同时保留系统内置的 RPi.GPIO 作为备选：
```
sudo apt install python3-gpiozero python3-rpi.gpio -y
```

认识 GPIO 引脚

树莓派引脚采用 BCM 编号 和 物理 BOARD 编号 两种命名体系。本教程统一使用 GPIO 编号 (BCM)。
引脚功能：电源（3.3V、5V）、地（GND）、I/O 引脚（可配置输入输出）。
绝对不要接超过 3.3V 的信号，否则会永久损坏芯片。
常用引脚参考图（执行 pinout 命令可查看终端版脚位图）。

项目一：控制 LED 亮灭

电路连接

LED 正极（长脚） → 330 Ω 电阻 → GPIO 17（第11脚）
LED 负极（短脚） → GND（如第9脚）

Python 代码（使用 gpiozero）

from gpiozero import LED
from time import sleep

led = LED(17)

while True:
    led.on()
    sleep(1)
    led.off()
    sleep(1)

保存为 blink.py，运行 python3 blink.py，LED 将以 1 秒间隔闪烁。按 Ctrl+C 停止。

替代方案（RPi.GPIO）

import RPi.GPIO as GPIO
import time

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

while True:
    GPIO.output(17, GPIO.HIGH)
    time.sleep(1)
    GPIO.output(17, GPIO.LOW)
    time.sleep(1)

使用 RPi.GPIO 时需手动清理：GPIO.cleanup() 在程序结束时调用。gpiozero 会自动释放资源。

项目二：按钮输入控制 LED

电路连接

按键一脚 → GPIO 2（第3脚）
按键另一脚 → GND
同侧可并联一个 10 kΩ 下拉电阻到 GND（防止引脚浮空），或利用 gpiozero 的内部上拉/下拉。

代码：按下亮灯，松开熄灭

from gpiozero import LED, Button

led = LED(17)
button = Button(2, pull_up=False)  # 默认使用内部下拉

while True:
    if button.is_pressed:
        led.on()
    else:
        led.off()

更优雅的方式，使用事件驱动：

button.when_pressed = led.on
button.when_released = led.off
# 需要保持程序运行
from signal import pause
pause()

pull_up=False 表示使用下拉，当按键按下时引脚读到高电平。若按键连接方式不同，可调整为 pull_up=True 或使用外部上下拉。

项目三：呼吸灯（PWM 控制亮度）

PWM（脉宽调制）可模拟模拟输出，控制 LED 亮度或电机速度。

代码：渐亮渐灭

from gpiozero import PWMLED
from time import sleep

led = PWMLED(17)

while True:
    # 渐亮
    for duty in range(0, 101, 1):
        led.value = duty / 100.0
        sleep(0.02)
    # 渐灭
    for duty in range(100, -1, -1):
        led.value = duty / 100.0
        sleep(0.02)

led.value 的取值范围为 0~1。也可以直接使用 led.pulse() 方法实现呼吸灯效果。

使用 RPi.GPIO 的 PWM

pwm = GPIO.PWM(17, 100)  # 频率 100 Hz
pwm.start(0)
pwm.ChangeDutyCycle(50)  # 占空比 50%

项目四：舵机控制

舵机广泛应用在机器人、云台等项目中，通常通过 PWM 信号控制角度。

连接方式

舵机信号线（橙色/白色） → GPIO 18（第12脚）
电源（红色） → 外部 5V 电源（树莓派 5V 引脚可驱动小功率舵机，但为避免压降建议外接）
地线（黑色） → 外部电源 GND + 树莓派 GND（共地）

代码（gpiozero）

from gpiozero import AngularServo
from time import sleep

servo = AngularServo(18, min_angle=-90, max_angle=90)

while True:
    servo.angle = -90
    sleep(1)
    servo.angle = 0
    sleep(1)
    servo.angle = 90
    sleep(1)

若舵机抖动，可调整 min_pulse_width 和 max_pulse_width 参数。

常见问题与调试

LED 不亮？

检查正负极是否接反。
测量电阻是否过大（330 Ω 是安全值）。
更换 GPIO 引脚测试（注意代码同步更改）。

按钮无反应？

确认引脚连接正确，上拉/下拉配置是否与电路匹配。
使用 gpio readall 命令查看引脚状态（需安装 wiringpi，但推荐用 pinout 验证脚号）。
在代码中添加打印语句监测按钮状态：print(button.is_pressed)

权限问题

若提示无权限访问 /dev/gpiomem，将用户加入 gpio 组：sudo usermod -a -G gpio $USER，然后注销重新登录。

电路安全提醒

任何 GPIO 引脚最大输出电流不可超过 16 mA，总电流不要超过 50 mA。
驱动大电流设备（继电器、电机）务必使用驱动模块（如 ULN2003、L298N），切勿直接连接 GPIO。
外接传感器时确认工作电压，3.3V 与 5V 混接可能导致损坏。

下一步扩展方向

传感器读取：DHT11 温湿度、HC-SR04 超声波测距。
通讯协议：I2C（连接 OLED 屏幕）、SPI（驱动 LED 点阵屏）。
远程控制：结合 Flask 搭建 Web 端控制界面，或使用 MQTT 实现物联网互动。
案例库资源：gpiozero 官方文档提供了大量现成类，如 DistanceSensor、LightSensor、Motor 等，可直接调用。