樹莓派Pico物理編程指南

樹莓派 Pico 的 RP2040 微控制器在設計時考慮到了物理計算。它的眾多通用輸入/輸出（GPIO）引腳讓它與一系列組件交互，允許你建立項目，從照明 LED 到記錄你周圍世界的數據。

物理計算并不比傳統計算更難學習，如果你能遵循本篇的內容，你會明白如何建立你自己的電 路，并對它們進行編程來執行你的命令。

第一個物理計算程序：Hello, LED!

就像在屏幕上打印「Hello, World」是學習編程語言的第一步，點亮 LED 是學習物理計算的經典入門。

你也可以在沒有任何額外組件的情況下開始，Pico 電路板上就有一個小的 LED。

這個 LED 被通電時，它會發光；當它關閉電源，它就會熄滅。

板載 LED 連接到 RP2040 的 GP25 引腳上。你可能還記得，這是RP2040上「缺失」的 GPIO 引腳之一。

打開 Thonny，連上你的 Pico。點擊進入腳本編輯區域，用以下一行開始你的編程：

import machine

這一小行代碼是在 Pico 上使用 MicroPython 的關鍵。它導入 MicroPython 代碼集合，也稱為庫。在本例中是「machine」庫。包含了 MicroPython 與 Pico 和其他 兼容 MicroPython 的設備通信所需的所有指令。如果沒有這一行，你將無法控制任何 Pico 的 GPIO 引腳。

選擇性導入
在 MicroPython 和 Python 中，都可以導入庫的一部分，而不是整個庫。這樣做可以使你的程序使用更少的內存，并允許你混合和匹配來自不同庫的函數。本教程中的程序導入了整個庫，在其他地方，你可能會看到程序有類似于 from machine import Pin，這是告訴 MicroPython 只從「machine」庫中導入「Pin」函數，而不是整個庫。

machine 庫公開了應用程序接口（API）。這個名稱聽起來很復雜，但是準確地描述了它的功能，它為你的程序提供了一種通過接口與 Pico 通信的方法。

程序的下一行提供了 machine 庫的 API 示例：

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

這一行定義了一個名為 led_onboard 的對象，代碼的第二部分調用 machine 庫中的 Pin 函數。顧名思義，這個函數是為處理你的 Pico 的 GPIO 引腳而設計的。第一個參數是 25，是你設置的引腳編號。machine.Pin.OUT 則是告訴 Pico 該引腳應該被用作輸出而不是輸入。

這行代碼只起到了設置引腳的作用，它并不會點亮 LED。要做到這一點，你需要告訴 Pico 打 開這個引腳。在下一行輸入以下代碼：

led_onboard.value(1)

這一行將 led_onboard 的值設置為 1（表示「開」），也可以將值設置為 0 (表示「關」）。

單擊 Run 并將程序保存在 Pico 上，命名為 Blink.py。你會看到 LED 燈亮起來。祝賀你——你已經編寫了你的第一個物理計算程序！

然而，你會注意到 LED 仍然是亮著的。這是因為你的程序告訴 Pico 打開它，但從來沒有告訴它關閉 LED。你可以在程序的底部添加另一行：

led_onboard.value(0)

然而，這次運行程序 LED 似乎永遠不會點亮。這是因為 Pico 的工作速度非常非?？?，比你用 肉眼看到的速度快得多。LED 有被點亮，但在如此短的時間內，它似乎保持熄滅。要解決這個問題，你需要通過引入延遲來降低程序的速度。

轉到程序的最上面，并單擊第一行末尾，然后按回車鍵插入新行：

import utime

與 import machine 類似，這一行將一個新的 utime 庫導入 MicroPython。這個庫處理與時間有關的所有事情，從度量時間到向程序中插入延遲。

轉到程序的底部，并單擊 led_onboard.value(1) 行末尾，然后按回車鍵插入新行：

utime.sleep(5)

這將調用來自 utime 庫的 sleep 函數，該函數將使你的程序暫停數為你輸入的秒數，在本例中為 5 秒。

再次單擊 Run。這次你會看到你的 Pico 上的 LED 燈亮了，保持亮 5 秒鐘然后再熄滅。

最后，是時候讓 LED 循環閃爍了。為此，你需要創建一個循環。重寫你的程序：

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)

記住，循環中的行需要縮進四個空格，這樣 MicroPython 就知道它們構成了循環。再次點擊 Run，你會看到 LED 點亮 5 秒，熄滅 5 秒，然后再次點亮的不斷重復。LED 將繼續閃 爍，直到你點擊停止圖標取消你的程序和重置你的 Pico。

還有另一種方法來處理同樣的工作，即使用 toggle，而不是顯式地將 LED 的輸出設置為 0 或 1。刪除程序的最后四行，并替換它們，如下面這這樣：

import machine
import utime

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

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

再次運行程序。你將看到與之前相同的效果。板載的 LED 將點亮 5 秒，然后熄滅 5 秒，然后在無限循環中再次點亮。不過，這一次，你的程序縮短了兩行，你已經優化了它。toggle() 可用于所有數字輸出引腳，它只是在開和關之間切換：如果引腳當前是開的，toggle() 將其關閉；如果它是關閉的，toggle() 將它打開。

使用面包板

如果你使用面包板來保存組件并進行電氣連接，那么本章中接下來的項目將會更容易完成。

面包片上面有很多間距 2.54 毫米的孔洞。在這些孔下是金屬條，它們就像用跳線串連起來。

其中帶有正負標志的兩行通常用于接 Pico 的 5V／3.3V 和 GND 引腳。當然也可以用來接外部電源的正負極。用來給需要的元器件供電。

把電子元件加到面包板上很簡單，只要把它們的引腳與孔對齊，然后輕輕插進去。你可以使用跳線再將引腳引入到 Pico 上。

把你的 Pico 插到面包板上，使它跨過面包板中間的空隙，microUSB 接口在最上面。在插入之前，請確保所有的排針都對準了孔位，否則可能很難插入或者折斷 Pico 的引腳。

外接 LED

對于這個項目，你需要一個面包板，公對公跳線，一個 LED，和一個 330Ω 電阻（或接近 330Ω）。如果你沒有面包板，你可以使用母對母杜邦線。

電阻在這里被當作限流電阻使用。它通過限制 LED 可以引出的電流量來保護你的 Pico 和 LED。如果沒有它，LED 可能會拉出太多的電流而燒毀。330Ω 對大多數常見的 LED 都適用。數值越高，LED 越暗；數值越低，LED 就越亮。

如果沒有電流限制電阻，千萬不要把 LED 連接到 Pico 上，除非你知道 LED 有一個合適的內置電阻。

用手指握住 LED，你會看到其中一根導線比另一根長。較長的引線稱為正極，較短的引線是 負極。正極需要通過電阻連接到你的 Pico 的 GPIO 管腳；負極需要連接到一個 GND 引腳。

從連接電阻器取一端（哪一端無關緊要），并將它插入到面包板的同一行，與 Pico 的 GP15 引腳在左下角。將另一端插入面包板下面的一個空置行中。

拿起 LED，把較長的支腳（正極）推到電阻器的末端所在的同一排。把較短的（負 極）放到同一行，但要穿過面包板中間的空隙，這樣它就能對齊。最后，在 LED 短腳的同一行插入一根 M2M 跳線，然后將它直接連接到你的 Pico 的 GND 引腳上。如下圖所示。

在 MicroPython 中控制一個外部 LED 和控制 Pico 板載的 LED 沒有什么不同，只需要改變程序代碼中引腳的編號。如果你關閉了 Thonny，重新打開它并加載前面的 Blink.py 程序。找到：

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

編輯引腳號，將其從 25 改為 15。再把 led_onboard 修改為 led_external。最終代碼如下：

import machine
import utime

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

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

輸入：讀取按鍵

對于這個項目，你將需要一個面包板，公對公跳線，和一個按鈕開關。將他們按照圖中示意的位置安裝好。其中按鈕有引腳的兩側分別插入面包板，并且橫跨在面包板正中間（物理上隔斷兩側引腳的連通）。

按鈕的一側接 Pico 的 3V3 引腳，另一側接 Pico 的 GND 引腳。

隱藏的內置電阻

與 LED 不同，按鈕開關不需要限流電阻。它仍然需要一個所謂的上拉或下拉電阻，這取決于你的電路如何工作。如果沒有上拉或下拉電阻，輸入信號會有「噪聲」，即使你沒有按下按鈕也會觸發。

那么電路中的電阻器在哪里？它藏在 Pico 芯片里。就像它有一個板載 LED，Pico 內置一個板載可編程電阻連接到每個 GPIO 引腳?？梢愿鶕枰?MicroPython 中將其設置成下拉電阻或上拉電阻。

有什么區別呢？

下拉電阻將引腳連接到 GND，這意味著當按鈕被按下時，讀取到的輸入值是 0。

上拉電阻連接引腳到 3V3，這意味著當按鈕沒有按下，讀取到的輸入值是 1。

本書中所有的電路都使用下拉模式下的可編程電阻。

打開 Thonny，然后在新的一行啟動一個新程序：

import machine

接下來，你需要使用 machine API 設置一個引腳作為輸入，而不是輸出：

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

這與你的 LED 項目的工作方式相同：創建一個名為「button」的對象，它包括引腳號 GP14，并將其配置為一個電阻設置為下拉的輸入。不過，創建對象并不意味著它會自己做任 何事情，就像之前創建LED對象并不能使 LED 發光一樣。

要真正讀取按鈕，你需要再次使用 machine API，這一次使用 value 函數讀取，而不是設置引腳的值。輸入以下一行：

print(button.value())

單擊 Run 并將程序保存為 Button.py，記住以確保它保存在你的 Pico MicroPython device 里。你的程序將打印出從 GP14 讀取到的值。因為輸入端使用的是一個下拉電阻，這個值將是 0，讓你知道按鈕沒有被按下。

用手指按住按鈕，并再次按下 Run 圖標。這一次，你將看到值 1 打印到 Shell。按下按鈕就電

路導通并改變了從引腳讀取的值。要連續讀取按鈕，你需要在程序中添加一個循環。編輯程序如下：

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)

再次單擊 Run 按鈕。你的 Pico 運行速度要比你的觀察速度快得多，并且沒有延遲，即使是簡單地按一下按鈕，也可以向 Shell 打印數百條消息！如果你按住按鈕超過兩秒的延遲，它會每兩秒打印一條消息，直到你松開按鈕。

輸入和輸出：同時使用

大多數電路都有不止一個元件，這就是為什么 Pico 有這么多 GPIO 管腳?，F在是時候把你學 到的所有東西結合在一起，制作一個更復雜的電路了：一個用按鈕開關 LED 的裝置。

實際上，這個電路將前面的兩個電路組合成一個。你可能記得你使用 GP15 來驅動外部 LED，GP14 來讀取按鈕?，F在重建你的電路，使 LED 和按鈕同時在面包板上，仍然連接到 GP15 和 GP14。別忘了 LED 的限流電阻。

在 Thonny 啟動一個新程序，并開始導入你的程序需要的兩個庫：

import machine
import utime

接下來，設置輸入和輸出引腳：

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

然后創建一個讀取按鈕值的循環：

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

不過，這一次你將根據輸入引腳的值切換輸出引腳上 LED 的狀態，而不是將消息打印到 Shell。使用下面的代碼：

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

這足以讓 LED 亮起來，但當按鈕沒有被按下時，你還需要再次關閉它。添加以下新行，刪除 8 個空格中的 4 個，這意味著這行將不是 if 語句的一部分，而是無限循環的一部分：

led_external.value(0)

最終代碼如下：

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)

單擊 Run 并將程序保存為 Pico 上的 Switch.py。

起初，什么都不會發生。按下按鈕，你就會看到 LED 燈亮起來。松開按鈕兩秒鐘后，指示燈再次熄滅，直到你再次按下按鈕。

祝賀你！你已經建立了你的第一個電路，它根據一個輸入引腳控制另一個輸出引腳，我們已經在 構建模塊程序的路上跨越了一大步！

審核編輯：劉清