树莓派 Pico 物理编程入门

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树莓派 Pico 物理编程入门

树莓派 Pico 的 RP2040 微控制器在设计时考虑到了物理计算。它的众多通用输入/输出（GPIO）引脚让它与一系列组件交互，允许你建立项目，从照明 LED 到记录你周围世界的数据。

物理计算并不比传统计算更难学习，如果你能遵循本篇的内容，你会明白如何建立你自己的电 路，并对它们进行编程来执行你的命令。

第一个物理计算程序：Hello, LED!

就像在屏幕上打印「Hello, World」是学习编程语言的第一步，点亮 LED 是学习物理计算的经典入门。

你也可以在没有任何额外组件的情况下开始，Pico 电路板上就有一个小的 LED。

这个 LED 被通电时，它会发光；当它关闭电源，它就会熄灭。

板载 LED 连接到 RP2040 的 GP25 引脚上。你可能还记得，这是RP2040上「缺失」的 GPIO 引脚之一。

打开 Thonny，连上你的 Pico。点击进入脚本编辑区域，用以下一行开始你的编程：

import machine

这一小行代码是在 Pico 上使用 MicroPython 的关键。它导入 MicroPython 代码集合，也称为库。在本例中是「machine」库。包含了 MicroPython 与 Pico 和其他 兼容 MicroPython 的设备通信所需的所有指令。如果没有这一行，你将无法控制任何 Pico 的 GPIO 引脚。

选择性导入
在 MicroPython 和 Python 中，都可以导入库的一部分，而不是整个库。这样做可以使你的程序使用更少的内存，并允许你混合和匹配来自不同库的函数。本教程中的程序导入了整个库，在其他地方，你可能会看到程序有类似于 from machine import Pin，这是告诉 MicroPython 只从「machine」库中导入「Pin」函数，而不是整个库。

machine 库公开了应用程序接口（API）。这个名称听起来很复杂，但是准确地描述了它的功能，它为你的程序提供了一种通过接口与 Pico 通信的方法。

程序的下一行提供了 machine 库的 API 示例：

led_onboard = machine.Pin(25, machine.Pin.OUT)

这一行定义了一个名为 led_onboard 的对象，代码的第二部分调用 machine 库中的 Pin 函数。顾名思义，这个函数是为处理你的 Pico 的 GPIO 引脚而设计的。第一个参数是 25，是你设置的引脚编号。machine.Pin.OUT 则是告诉 Pico 该引脚应该被用作输出而不是输入。

这行代码只起到了设置引脚的作用，它并不会点亮 LED。要做到这一点，你需要告诉 Pico 打 开这个引脚。在下一行输入以下代码：

led_onboard.value(1)

这一行将 led_onboard 的值设置为 1（表示「开」），也可以将值设置为 0 (表示「关」）。

单击 Run 并将程序保存在 Pico 上，命名为 Blink.py。你会看到 LED 灯亮起来。祝贺你——你已经编写了你的第一个物理计算程序！

然而，你会注意到 LED 仍然是亮着的。这是因为你的程序告诉 Pico 打开它，但从来没有告诉它关闭 LED。你可以在程序的底部添加另一行：

led_onboard.value(0)

然而，这次运行程序 LED 似乎永远不会点亮。这是因为 Pico 的工作速度非常非常快，比你用 肉眼看到的速度快得多。LED 有被点亮，但在如此短的时间内，它似乎保持熄灭。要解决这个问题，你需要通过引入延迟来降低程序的速度。

转到程序的最上面，并单击第一行末尾，然后按回车键插入新行：

import utime

与 import machine 类似，这一行将一个新的 utime 库导入 MicroPython。这个库处理与时间有关的所有事情，从度量时间到向程序中插入延迟。

转到程序的底部，并单击 led_onboard.value(1) 行末尾，然后按回车键插入新行：

utime.sleep(5)

这将调用来自 utime 库的 sleep 函数，该函数将使你的程序暂停数为你输入的秒数，在本例中为 5 秒。

再次单击 Run。这次你会看到你的 Pico 上的 LED 灯亮了，保持亮 5 秒钟然后再熄灭。

最后，是时候让 LED 循环闪烁了。为此，你需要创建一个循环。重写你的程序：

import machine
import utime

led_onboard = machine.Pin(25, machine.Pin.OUT)

while True:
        led_onboard.value(1)
        utime.sleep(5)
        led_onboard.value(0)
        utime.sleep(5)

记住，循环中的行需要缩进四个空格，这样 MicroPython 就知道它们构成了循环。再次点击 Run，你会看到 LED 点亮 5 秒，熄灭 5 秒，然后再次点亮的不断重复。LED 将继续闪 烁，直到你点击停止图标取消你的程序和重置你的 Pico。

还有另一种方法来处理同样的工作，即使用 toggle，而不是显式地将 LED 的输出设置为 0 或 1。删除程序的最后四行，并替换它们，如下面这这样：

import machine
import utime

led_onboard = machine.Pin(25, machine.Pin.OUT)

while True:
        led_onboard.toggle()
        utime.sleep(5)

再次运行程序。你将看到与之前相同的效果。板载的 LED 将点亮 5 秒，然后熄灭 5 秒，然后在无限循环中再次点亮。不过，这一次，你的程序缩短了两行，你已经优化了它。toggle() 可用于所有数字输出引脚，它只是在开和关之间切换：如果引脚当前是开的，toggle() 将其关闭；如果它是关闭的，toggle() 将它打开。

使用面包板

如果你使用面包板来保存组件并进行电气连接，那么本章中接下来的项目将会更容易完成。

面包片上面有很多间距 2.54 毫米的孔洞。在这些孔下是金属条，它们就像用跳线串连起来。

其中带有正负标志的两行通常用于接 Pico 的 5V／3.3V 和 GND 引脚。当然也可以用来接外部电源的正负极。用来给需要的元器件供电。

把电子元件加到面包板上很简单，只要把它们的引脚与孔对齐，然后轻轻插进去。你可以使用跳线再将引脚引入到 Pico 上。

把你的 Pico 插到面包板上，使它跨过面包板中间的空隙，microUSB 接口在最上面。在插入之前，请确保所有的排针都对准了孔位，否则可能很难插入或者折断 Pico 的引脚。

外接 LED

对于这个项目，你需要一个面包板，公对公跳线，一个 LED，和一个 330Ω 电阻（或接近 330Ω）。如果你没有面包板，你可以使用母对母杜邦线。

电阻在这里被当作限流电阻使用。它通过限制 LED 可以引出的电流量来保护你的 Pico 和 LED。如果没有它，LED 可能会拉出太多的电流而烧毁。330Ω 对大多数常见的 LED 都适用。数值越高，LED 越暗；数值越低，LED 就越亮。

如果没有电流限制电阻，千万不要把 LED 连接到 Pico 上，除非你知道 LED 有一个合适的内置电阻。

用手指握住 LED，你会看到其中一根导线比另一根长。较长的引线称为正极，较短的引线是 负极。正极需要通过电阻连接到你的 Pico 的 GPIO 管脚；负极需要连接到一个 GND 引脚。

从连接电阻器取一端（哪一端无关紧要），并将它插入到面包板的同一行，与 Pico 的 GP15 引脚在左下角。将另一端插入面包板下面的一个空置行中。

拿起 LED，把较长的支脚（正极）推到电阻器的末端所在的同一排。把较短的（负 极）放到同一行，但要穿过面包板中间的空隙，这样它就能对齐。最后，在 LED 短脚的同一行插入一根 M2M 跳线，然后将它直接连接到你的 Pico 的 GND 引脚上。如下图所示。

在 MicroPython 中控制一个外部 LED 和控制 Pico 板载的 LED 没有什么不同，只需要改变程序代码中引脚的编号。如果你关闭了 Thonny，重新打开它并加载前面的 Blink.py 程序。找到：

led_onboard = machine.Pin(25, machine.Pin.OUT)

编辑引脚号，将其从 25 改为 15。再把 led_onboard 修改为 led_external。最终代码如下：

import machine
import utime

led_external = machine.Pin(15, machine.Pin.OUT)

while True:
        led_external.toggle()
        utime.sleep(5)
输入：读取按键

对于这个项目，你将需要一个面包板，公对公跳线，和一个按钮开关。将他们按照图中示意的位置安装好。其中按钮有引脚的两侧分别插入面包板，并且横跨在面包板正中间（物理上隔断两侧引脚的连通）。

按钮的一侧接 Pico 的 3V3 引脚，另一侧接 Pico 的 GND 引脚。

隐藏的内置电阻
与 LED 不同，按钮开关不需要限流电阻。它仍然需要一个所谓的上拉或下拉电阻，这取决于你的电路如何工作。如果没有上拉或下拉电阻，输入信号会有「噪声」，即使你没有按下按钮也会触发。

那么电路中的电阻器在哪里？它藏在 Pico 芯片里。就像它有一个板载 LED，Pico 内置一个板载可编程电阻连接到每个 GPIO 引脚。可以根据需要在 MicroPython 中将其设置成下拉电阻或上拉电阻。

有什么区别呢？
下拉电阻将引脚连接到 GND，这意味着当按钮被按下时，读取到的输入值是 0。
上拉电阻连接引脚到 3V3，这意味着当按钮没有按下，读取到的输入值是 1。

本书中所有的电路都使用下拉模式下的可编程电阻。

打开 Thonny，然后在新的一行启动一个新程序：

import machine

接下来，你需要使用 machine API 设置一个引脚作为输入，而不是输出：

button = machine.Pin(14, machine.Pin.IN, machine.Pin.PULL_DOWN)

这与你的 LED 项目的工作方式相同：创建一个名为「button」的对象，它包括引脚号 GP14，并将其配置为一个电阻设置为下拉的输入。不过，创建对象并不意味着它会自己做任 何事情，就像之前创建LED对象并不能使 LED 发光一样。

要真正读取按钮，你需要再次使用 machine API，这一次使用 value 函数读取，而不是设置引脚的值。输入以下一行：

print(button.value())

单击 Run 并将程序保存为 Button.py，记住以确保它保存在你的 Pico MicroPython device 里。你的程序将打印出从 GP14 读取到的值。因为输入端使用的是一个下拉电阻，这个值将是 0，让你知道按钮没有被按下。

用手指按住按钮，并再次按下 Run 图标。这一次，你将看到值 1 打印到 Shell。按下按钮就电
路导通并改变了从引脚读取的值。要连续读取按钮，你需要在程序中添加一个循环。编辑程序如下：

import machine
import utime

button = machine.Pin(14, machine.Pin.IN, machine.Pin.PULL_DOWN)

while True:
        if button.value() == 1:
                print("You pressed the button!")
                utime.sleep(2)

再次单击 Run 按钮。你的 Pico 运行速度要比你的观察速度快得多，并且没有延迟，即使是简单地按一下按钮，也可以向 Shell 打印数百条消息！如果你按住按钮超过两秒的延迟，它会每两秒打印一条消息，直到你松开按钮。

输入和输出：同时使用

大多数电路都有不止一个元件，这就是为什么 Pico 有这么多 GPIO 管脚。现在是时候把你学 到的所有东西结合在一起，制作一个更复杂的电路了：一个用按钮开关 LED 的装置。

实际上，这个电路将前面的两个电路组合成一个。你可能记得你使用 GP15 来驱动外部 LED，GP14 来读取按钮。现在重建你的电路，使 LED 和按钮同时在面包板上，仍然连接到 GP15 和 GP14。别忘了 LED 的限流电阻。

在 Thonny 启动一个新程序，并开始导入你的程序需要的两个库：

import machine
import utime

接下来，设置输入和输出引脚：

led_external = machine.Pin(15, machine.Pin.OUT)
button = machine.Pin(14, machine.Pin.IN, machine.Pin.PULL_DOWN)

然后创建一个读取按钮值的循环：

while True:
        if button.value() == 1:

不过，这一次你将根据输入引脚的值切换输出引脚上 LED 的状态，而不是将消息打印到 Shell。使用下面的代码：

led_external.value(1)
utime.sleep(2)

这足以让 LED 亮起来，但当按钮没有被按下时，你还需要再次关闭它。添加以下新行，删除 8 个空格中的 4 个，这意味着这行将不是 if 语句的一部分，而是无限循环的一部分：

led_external.value(0)

最终代码如下：

import machine
import utime

led_external = machine.Pin(15, machine.Pin.OUT)
button = machine.Pin(14, machine.Pin.IN, machine.Pin.PULL_DOWN)

while True:
        if button.value() == 1:
                led_external.value(1)
                utime.sleep(2)
        led_external.value(0)

单击 Run 并将程序保存为 Pico 上的 Switch.py。

起初，什么都不会发生。按下按钮，你就会看到 LED 灯亮起来。松开按钮两秒钟后，指示灯再次熄灭，直到你再次按下按钮。

祝贺你！你已经建立了你的第一个电路，它根据一个输入引脚控制另一个输出引脚，我们已经在 构建模块程序的路上跨越了一大步！