树莓派 GPIO按钮开关 原理与实现
本以为GPIO接一个开关是很简单的事情，但实际上需要学会很多前置的知识才能搞得下去，所以我把整个事情的原理和实现流程全部记录下来，希望帮助到像我一样的电路小白。
硬件
- 树莓派 * 1（我的是1B型号）
- 杜邦线(母对母) * 2
- 按钮 * 1
给大家看一下我的按钮，是那种4个脚的：
开关有4个脚，红框内的2根脚是互相联通，电会从这俩脚里流过，我们任意选一组用就可以了！
大家买到的按钮的4个脚的联通关系可能与图中不同，自己研究一下或者问一下商家到底哪两个脚是联通的就行。
按钮的作用就是按下去电路就联通了，否则就断开了，没什么特别的。
电路
GPIO有个input模式，如果输入电流到GPIO口，那么编程读取GPIO返回HIGH，如果没有输入电流则返回LOW，从而我们可以检测到按钮的状态变化。
GPIO输入安全电压应该是3.3V，因此我们会使用树莓派的3.3V供电口而不是5v（大家有兴趣可以试试5.5v会发生什么）。
错误的电路
所以很直接的，我就想把电路连成这样：
从树莓派引出3.3V的电压，经过开关，接到某个出于输入状态的GPIO针脚。
开关闭合的时候，电流流入GPIO，可以读到HIGH。
开关断开的时候，电路不通，可以读到LOW。
然而问题就在红色字体的情况：开关断开时，GPIO引脚是悬空的，受周遭环境干扰可能产生微弱电流，导致GPIO输入时高时低。
用程序检测GPIO的输入变化，会发现按钮不停的在断开与闭合：
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pi@raspberrypi:~/pi-switch $ python floating.py open open open |
测试代码后面我们再看，这里主要是为了告诉大家这种悬空浮动问题是客观存在的，必须解决。
此时，实际接线如下：
左侧3.3V的电压 ，流经按钮 ，输入到GPIO 18口。
按钮没有按下的情况，出现floating问题，因此这个电路是错误的，我们接下来看一下如何修正。
下拉电阻
我们现在只要解决开关断开情况下的输入浮动问题即可，如何解决呢？
我们把电路改成这样：
电路的变更：在开关右侧，拉了一根线出来，接了一个电阻，然后接到GND地线。
在开关断开的情况下，GPIO和GND相连，可以把GND相当于一个0v的电源，整个电路没有电流输入，所以GPIO稳定为LOW。
在开关闭合的情况下，电流经过开关后出现分叉位置（相当于水流要分叉了），因为下拉电阻存在导致电流（理解成流动的电子）并没有全部涌入，所以剩余电流得以进入GPIO，所以是HIGH。
红圈内的电路其实树莓派都封装在GPIO针脚内部，我们可以视作黑盒使用，只需要编程时控制切换到下拉模式即可。
此时，我们要做的硬件工作如下：
- 从3.3v连到开关
- 从开关连到gpio引脚
程序需要开启GPIO口的下拉模式，开关断开时是LOW、闭合时是HIGH，所以我们监听输入的RISING（升高）即可获知按钮按下的事件：
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# -*- coding: utf-8 -*- from RPi import GPIO import time # 采用BCM引脚编号 GPIO.setmode(GPIO.BCM) # 关闭警告 GPIO.setwarnings(False) # 输入引脚 channel = 18 # 设置GPIO输入模式, 使用GPIO内置的下拉电阻, 即开关断开情况下输入为LOW GPIO.setup(channel, GPIO.IN, pull_up_down = GPIO.PUD_DOWN) # 检测LOW -> HIGH的变化 GPIO.add_event_detect(channel, GPIO.RISING, bouncetime = 200) # 开关闭合的处理 def on_switch_pressed(): print('open') try: while True: # 如果检测到电平RISING, 说明开关闭合 if GPIO.event_detected(channel): on_switch_pressed() # 可以在循环中做其他检测 time.sleep(0.01) # 10毫秒的检测间隔 except Exception as e: print(e) # 清理占用的GPIO资源 GPIO.cleanup() |
上拉电阻
与下拉电阻类似，同样可以解决浮动问题。
电路图如下：
同样的，红圈都是GPIO内部的电路，可以通过编程控制切换到上拉模式。
我们要做的就是从树莓派的GND接到开关，开关接到GPIO针脚即可。
在开关断开情况下，电流经过上拉电阻，虽然电流小一点但也流向了GPIO，所以是HIGH。
在开关闭合情况下，电流经过上拉电阻后遇到分叉，接着电流（理解成流动的电子）会全部走向GND，可以理解成一个并联电路的短路分支。
代码需要设置GPIO为上拉模式：
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# -*- coding: utf-8 -*- from RPi import GPIO import time # 采用BCM引脚编号 GPIO.setmode(GPIO.BCM) # 关闭警告 GPIO.setwarnings(False) # 输入引脚 channel = 18 # 设置GPIO输入模式, 使用GPIO内置的上拉电阻, 即开关断开情况下输入为HIGH GPIO.setup(channel, GPIO.IN, pull_up_down = GPIO.PUD_UP) # 检测HIGH -> LOW的变化 GPIO.add_event_detect(channel, GPIO.FALLING, bouncetime = 200) # 开关闭合的处理 def on_switch_pressed(): print('open') try: while True: # 如果检测到电平FALLING, 说明开关闭合 if GPIO.event_detected(channel): on_switch_pressed() # 可以在循环中做其他检测 time.sleep(0.01) # 10毫秒的检测间隔 except Exception as e: print(e) # 清理占用的GPIO资源 GPIO.cleanup() |
我们刚才说了，断开时为HIGH，闭合时为LOW，所以要监听的是从HIGH变为LOW的事件，所以是检测FALLING变化。
我们一律加了bouncetime = 200，这是为了防抖用的，因为如果不加的话按下1次开关会发现事件触发了N次，可能是因为电路多次连续抖动的原因导致，所以忽略在200毫秒内的重复变化。
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非常有用，谢谢作者分享。作为电路小白，最需要的就是这种略微详细的分析，辛苦了！
客气！
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