Android Things Tutorial（七）認識Raspberry Pi的GPIO與基本零件

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Raspberry Pi的GPIO

到目前為止，你應該完成工作電腦的開發環境，還有Raspberry Pi的執行環境的安裝、設定與測試。想要把應用程式放在Raspberry Pi這類的單板電腦上運作，主要有這幾種情況：

• 應用程式的需求比較簡單，甚至不需要圖形使用者介面，所以不需要太高的硬體效能與資源，這樣可以節省一些硬體的成本
• 應用程式需要讀取一些感應器的資訊，例如氣溫、大氣壓力或物體的距離，依照需求儲存與使用這些資訊
• 應用程式需要控制硬體的設備，例如LED、馬達或家用電器

Raspberry Pi這類的單板電腦，都會提供一組用來輸出與輸入用的介面，稱為「Gereral-Purpose Input/Output、GPIO」，Raspberry Pi 3 Model B有40個GPIO針腳，位置是在下面圖片紅色框的部份：

Raspberry Pi提供的GPIO，除了一般的電源，例如編號1號的3.3V、2號的5V與6號的GND，其它會根據不同的用途有各自的名稱，例如編號12號的PWM0/BCM18、16號的BCM23與3號的I2C1(SDA)，下面的圖片是所有針腳的名稱：

在後續討論的內容，會經常出現「請你把某個腳位連接到某個裝置」的說明，像「PWM0」或「BCM18」這樣的名稱，也會出現在程式碼裡面。

連接並點亮LED

接下來的說明開始需要一些其它設備或零件，這樣才能夠真正體驗GPIO的功能，在執行一些測試之前，會把Raspberry Pi以外需要的零件列出來：

• LED
• 杜邦線
• 麵包板與麵包板連接線
• 電阻

這些零件會很常使用，這是它們實際的樣子：

接下來的內容說明一些相關零件的基本概念，主要是讓你先認識它們，並不需要照著說明執行任何工作。這些零件可以在一般的電子材料行購買，現在很多拍賣與購物網站也都可以買的到，使用LED、杜邦線這些名稱搜尋看看，不過建議先看完接下來的介紹，再決定要購買的規格與數量。

LED

如果你還沒有接觸過這些電子零件，可以先認識這些零件的基本概念。LED是Light Emitting Diode的縮寫，通常稱為發光二極體，在生活中的應用雖然已經很常見，不過這裡需要的是單顆LED的零件，並不是一般市面上賣的LED燈泡。

LED在提供電源給它以後就會發亮，主要的顏色有紅、綠、藍、黃、白、暖與琥珀色，LED需要的電壓會根據顏色而不一樣，紅、黃、淺綠的電壓是1.8到2.4v之間，白、藍、深綠的電壓是3.0到3.6v之間。LED需要的電流大多是20MA，電壓與電流的大小可以控制LED的亮度。過大的電壓與電流會燒壞LED，甚至可能會讓你聞到燒焦的味道。

LED零件有兩個針腳，使用長短來分辨正、負極，長的是正極，短的是負極。

杜邦線

要讓Raspberry Pi連接各種零件，例如LED、感應器或馬達，都需要使用電線連接到對應的GPIO針腳。這種用來連接的電線稱為杜邦線，下面的圖片是它的外觀：

根據不同的用途，杜邦線有一些不同規格，常見長度有20與30公分，兩端分為公與母兩種接頭：

Raspberry Pi的GPIO是突出的針腳（公），所以杜邦線的一端需要母的接頭，另外一端需要依照連接的零件選擇，如果有兩條像這樣兩端都是母接頭的杜邦線：

這裡的線路只是用來認識杜邦線的用途，這樣的作法很容易讓LED燒掉。

如果想要使用Raspberry Pi的電源輸出點亮LED，可以參考這個線路圖，把一條杜邦線插入GPIO的一號（3.3V）針腳，另一端插入LED長的針腳。另一條杜邦線插入GPIO的六號（GND）針腳，另一端插入LED短的針腳，這樣就可以使用GPIO的電源輸出點亮LED：

麵包板與麵包板連接線

在開發與測試的過程，為了方便在Raspberry Pi連接各種零件，通常會使用一塊麵包板，先把需要的GPIO針腳連接到麵包板，在麵包板插入LED或其它零件，再把它們連接起來。下面的圖片使用麵包板在Raspberry Pi的GPIO連接八顆LED：

麵包板有幾種不同的尺寸，選擇630洞的尺寸比較夠用。麵包板上面有很多洞可以用來插入杜邦線的公頭，或是插入LED與其它零件。麵包板上的洞分為垂直與水平連接，下面圖片中線條穿越的洞都是連接在一起的：

所以只要下面的線路圖，把GPIO的一號（3.3V）與六號（GND）針腳連接到麵包板，需要電源的的零件都可以從垂直的洞連接：

這裡的線路只是用來認識麵包板的用途，這樣的作法很容易讓LED燒掉。

如果一次要點亮多顆LED燈的話，就可以使用這樣的作法，把所有的LED長腳插入與3.3V垂直的洞，短腳插入與GND垂直的洞：

這裡的線路只是用來認識麵包板的用途，這樣的作法很容易讓LED燒掉。

麵包板上水平連接的洞，在以後連接感應器的時候會經常使用，不過現在可以先看看這種點亮LED的作法。先依照下面的線路圖把LED插在麵包板上，再使用公-公的杜邦線，通常稱為麵包板連接線，連接到3.3V與GND垂直的洞，同樣可以點亮LED：

麵包板連接線（公-公的杜邦線）通常需要不同的長度，才不會讓接完線路後的麵包板變得很雜亂，市面上可以找到各種不同長度的一組連接線，你可以考慮購買這樣的麵包板連接線。

電阻

從上面介紹的內容，你可以發現直接把LED接在GPIO提供的電源，是一件很不好的作法，LED需要的電流大多是20MA，如果超過太多的話，就很容易燒壞LED。Raspberry Pi的3.3V最大輸出電流是50mA，所以很容易燒壞LED，使用5V的時候要更小心，它的輸出電流是根據提供給Raspberry Pi的電源決定的，所以在連接零件的時候，不小心把3.3V接到5V，在電流過大的情況下，如果零件本身沒有保護的功能，就很容易發生燒壞的情況。

為了保護LED，應該要連接電阻限制通過的電流，不過電流也會影響LED的量度，所以也不適合使用太大的電阻值。一般使用220 ohm到1k ohm的電阻都可以，不過電阻值越大的話，LED的亮度就會減低。

在電子材料行可以直接購買指定電阻值的電阻，例如220 ohm，電阻使用顏色標示電阻值，使用不同的顏色線條換算，如果你想要確認電阻值，可以到這個網站查詢：http://www.digikey.com/en/resources/conversion-calculators/conversion-calculator-resistor-color-code-4-band：

依照電阻上的顏色選擇完後，就會自動幫你計算它的電阻值：

為了避免燒壞LED這類電流需求比較小的零件，在連接的時候就要加上電阻。像下面這個圖型的連接方式，把LED的短針腳接在GND，長針腳插入麵包板；使用麵包板連接線連接3.3V，最後使用220 ohm的電阻連接LED的長針腳與3.3V：

點亮兩顆LED

現在可以把這些零件接在一起，試試看點亮兩顆LED：

• 麵包板
• LED兩顆
• 220 ohm電阻兩個
• 公-母杜邦線兩條
• 麵包板連接線（公-公杜邦線）三條

依照下面的線路圖連接所有的零件：

如果你的Raspberry Pi已經接上電源，兩顆LED在連接以後就會點亮了，關閉電源Raspberry Pi的以後，LED才會關閉。你可以使用這樣的連接方式，試試看第三或第四棵LED。

下一步

在認識基本的GPIO電源與基本的零件以後，接下來就可以開發Andriod Things App，在應用程式裡控制GPIO的輸出，就可以點亮或關閉LED。

相關的檔案都可以在GitHub瀏覽與下載。

http://github.com/macdidi5/Android-Things-Tutorial

後續 >> Android Things Tutorial（八）GPIO輸出 – LED