一、"输出"到底是什么意思

输出：你写一行代码，那根针上的电压就变。

led.on()     # BCM 17 变成 3.3V（高电平）
led.off()    # BCM 17 变成 0V（低电平）

它表达的只有"两种情况"。所以在数字输出这件事上，你能做的事只有：把某个东西通电／断电。听起来很少，但配上下面这些，就什么都能干了：

• LED：亮 / 灭
• 蜂鸣器：响 / 不响
• 继电器：接通 / 断开（间接控制大电流设备）
• 另一个芯片的某个脚：给它一个"开始"信号

二、⚠️ 做任何输出实验前，先记住这一条：必须串限流电阻

这是本章唯一会让你的元件当场冒烟的地方。

2.1 为什么必须串电阻

LED 不是"灯泡"，是"二极管"。它的特点是：只要电压超过它的导通门槛（约 2~3V），它就几乎变成一根导线——内阻趋近于 0。

而 3.3V 是明显超过门槛的。所以不串电阻直接接，会发生：

1. 电流不受限制地冲过去（理论上电流只受电源能力限制）；
2. 电流远超 LED 自己的承受能力 → LED 烧掉；
3. 同时也远超 GPIO 针的承受能力 → 针也可能烧掉。

电阻的作用就是"把电流掐到安全值"。它串在电路里，承受掉多余的电压。

2.2 算一次（这就是本节唯一的"要会算"）

用欧姆定律：电阻 = 多余的电压 ÷ 想要的电流

R = (3.3V − LED 的导通电压) ÷ 想要的电流

以最常见的红色 LED 为例：

反过来验算：用 220Ω 时，实际电流 ＝ 1.3V ÷ 220Ω ≈ 5.9mA。

这个数安全吗？GPIO 单针的上限大约 16mA，而长期使用建议只取几毫安——5.9mA 正好落在"够亮又稳当"的区间。这就是为什么 220Ω 是全世界最通用的 LED 限流电阻。

电阻没有方向（正反接都一样）；LED 有方向（见下）。

2.3 认清 LED 的两个脚

• 长脚 ＝ 正极（阳极） → 接 GPIO 那一侧
• 短脚 ＝ 负极（阴极） → 接 GND 那一侧

如果两个脚被剪得一样长：看里面——LED 内部有两个金属支架，大块的是负极，小块（像个小杯子）的是正极。

三、接线：第一个电路

3.1 （附）面包板三条常识

如果你第一次用面包板，只需要记住三件事：

1. 中间那条凹槽把上下两半隔开——凹槽左边的孔和右边的孔不连通。
2. 同一列的 5 个孔是连通的（以凹槽为界，上半区一列 5 个孔互通，下半区一列 5 个孔互通）。所以同一列上的元件互相当导线连着。
3. 上下两条长排（通常标着红线和蓝线）是"电源轨"——整排贯通，一般用来铺 3.3V 和 GND。

最简单的用法：元件跨着凹槽插（两条脚分别落在上下半区），这样它的两条脚就不连通；需要连通时，就用导线把它们插进同一列。

3.2 LED 接线表（本课统一约定）

四个要点：

• 接线前拔掉电源。接完、用眼睛检查一遍，再上电。
• 电阻和 LED 谁在前面谁在后面都行（串联电路里电流处处相等），只要它们串在一条路上。
• LED 的长脚朝向 GPIO 方向（电流从 GPIO 流向 GND）。
• GND 用哪个都行——排上 8 个 GND 都通，挑离你最近的（这就是 7-1 讲"8 根 GND 是为方便"的意思）。

四、让 Python 点亮它

写 led_blink.py：

from gpiozero import LED
import time

led = LED(17)

try:
    print("亮 3 秒")
    led.on()
    time.sleep(3)

    print("灭 3 秒")
    led.off()
    time.sleep(3)

    print("后台闪烁 6 次（每次间隔 0.5 秒）")
    led.blink(on_time=0.5, off_time=0.5, n=6, background=False)

finally:
    led.off()
    led.close()
    print("结束，灯已熄灭")

跑：

python3 led_blink.py

看到什么算成功：LED 先亮 3 秒 → 灭 3 秒 → 快速闪 6 次 → 熄灭，屏幕上依次打印对应的提示。

读结果 · 三种"让灯动"的方式要分清：

五、数字输入：按钮，以及"浮空"这个坑

输入：让一根针去读外面的电平。

接一个按钮到 BCM 27（物理针 13），你以为只要"接上就能读"。但这里有一个必须先解决的物理问题。

5.1 浮空的针会读到随机值

如果一根输入针什么都没接（或者只接了按钮的一端、按钮另一端悬空），它上面的电压是不确定的。

为什么？因为它像一根小天线：周围环境的电磁场（你的手、灯、电源线）都会在它上面感应出电压。结果是——读到的值忽 1 忽 0。

这叫"浮空"（floating）。它的现象很迷惑人：按钮明明没按，程序却一直在触发。

5.2 解法：给它一个"默认值"

办法是给这根针配一个电阻，把它"轻轻拉"到某一端：

好消息是：树莓派的每根 GPIO 都有内置的上拉/下拉电阻，可以软件开关，不用你外接。这是它比老式单片机方便的地方之一。

5.3 gpiozero 的选择：默认上拉，所以按钮接 GND

Button(27) 默认 pull_up=True（内部上拉）。这决定了接线方式：

按下时读到 0，松开读到 1。——注意这是反的："按下"对应"低电平"。

5.4 去抖：为什么"按一下"会触发好几次

按钮内部的金属片在接触的瞬间会"弹跳"——在这几毫秒里，它一会儿通一会儿断，像一颗小石子在地上弹。

结果：程序以为你按了 3 次。

gpiozero 已经帮你处理了：Button 默认 bounce_time=0.01（10 毫秒）——它会忽略这 10 毫秒内的抖动。所以正常情况下你不用管它。

什么时候要调它：如果你用一个质量差的按钮、或者长长的导线（导线本身也有噪声），可以把 bounce_time=0.05 调大一点。调大代价是"反应变慢"——所以别随便调到 0.5 秒。

六、按钮的三种读法（从简单到好用）

版本 A：轮询（不停地问"按了吗"）

while True:
    if button.is_pressed:
        print("按下")

缺点：CPU 空转（它一秒问几十万次），而且这个循环里干不了别的。

版本 B：阻塞等待（停在那里等）

button.wait_for_press()
print("被按了一下")

优点：几乎不占 CPU。缺点：就停在那儿了，后面还要干别的事就得再想办法。

版本 C：事件回调（告诉它"按下时该做什么"，然后放心去干别的）

from gpiozero import Button
from signal import pause

button = Button(27)
button.when_pressed = lambda: print("按下了！")

pause()      # 挂起，专门等事件

这是最推荐的写法。因为：

1. 不占 CPU（pause() 时进程睡着）；
2. 可以同时挂好几件事（多个 when_pressed、后台闪烁的灯都能一起跑）；
3. 代码结构清楚：每个事件对应一小段逻辑，不用写成一堆嵌套的 if。

七、动手 Demo：按钮控制灯（三步递进）

接线（先断电）：

（两件东西可以同时在面包板上，各占一个 GND 针，互不影响。）

第 1 步 · 按住亮，松开灭（最短的版本）

nano btn_hold.py

from gpiozero import LED, Button
from signal import pause

led = LED(17)
button = Button(27)

button.when_pressed = led.on        # 注意：这里没有括号！
button.when_released = led.off

print("按住按钮灯亮，松开灯灭。Ctrl+C 退出。")
pause()

跑：python3 btn_hold.py

看到什么算成功：按住按钮灯亮，松手灯灭。

第 2 步 · 按一下切换亮灭（引入"状态"）

nano btn_toggle.py

from gpiozero import LED, Button
from signal import pause

led = LED(17)
button = Button(27)

count = 0
lit = False

def on_press():
    global count, lit
    count += 1
    lit = not lit          # 取反：亮变灭、灭变亮
    led.value = lit
    print(f"第 {count} 次按下 → 灯现在{'亮' if lit else '灭'}")

button.when_pressed = on_press
print("每按一次切换一次。Ctrl+C 退出。")
pause()

跑：python3 btn_toggle.py

看到什么算成功：

每按一次切换一次。Ctrl+C 退出。
第 1 次按下 → 灯现在亮
第 2 次按下 → 灯现在灭
第 3 次按下 → 灯现在亮

读结果：这里引入了一个新概念——"状态"（state）。按钮本身只有"按下／松开"两种瞬时动作，而"灯现在是亮的还是灭的"必须由你的程序自己记住（那个 lit 变量）。

这也是"程序"这个词的真正含义：它不只响应眼前这一刻，它还带着一个"过去"。（global 的用法见 6-5：函数里要给外面的变量赋值，必须声明。）

第 3 步 · 加一个短按／长按的区分（可选，玩一下）

gpiozero 自带 held_time 和 when_held：

button = Button(27, hold_time=1.0)
button.when_held = lambda: print("长按超过 1 秒！")

不用改接线，只是改代码里的判断条件。这说明"更多功能"往往只是"代码里多写一行"，而不是"多接一根线"。

八、30 秒实验：不用按钮，用一根线当按钮

这个实验特别好用——手边没按钮、或者怀疑按钮坏了的时候，它能把问题定位到"是按钮的锅还是代码的锅"。

做法：插一根跳线在一根 GND 针上，另一头空着。然后跑下面这个脚本：

nano wire_test.py

from gpiozero import Button
from signal import pause

button = Button(27)
button.when_pressed = lambda: print("针 13 被接到地上了（等同于按下）")

print("用那根接在 GND 上的线去碰物理针 13，每碰一次会打印一行。")
pause()

你会看到什么：每次用那根线碰一下针 13，就打印一行。

读结果：这根线做的事，和按钮被按下时做的事在电学上完全一样（都是"把这个针连到 0V"）。

九、常见误区

1. "LED 直接接针就能亮，为什么还要电阻" —— 会亮，但电流没被限制，可能在慢慢损伤 LED 或那根针。220Ω 是底线，不是讲究。
2. "灯不亮就是代码错了" —— 先查极性（LED 长脚有没有朝 GPIO）、再查 GND 有没有接上。LED 接反时程序一切正常、灯完全不亮——这是最常见的"假故障"。
3. "按钮接 3.3V 还是接 GND 都行" —— 不行。gpiozero 的 Button 默认内部上拉，必须接 GND。接 3.3V 会出现"按不按都一样"的现象（想接 3.3V 就得写 pull_up=False）。
4. "输入针直接接按钮就行，不用管上拉下拉" —— 不管它，针会浮空，读数随机，现象是"没按也在触发"。上拉或下拉必须有一个（用 gpiozero 就是选 pull_up=True/False，它帮你开内部电阻）。
5. "按一下计数加 3，是我的代码有问题" —— 大概率是触点抖动。gpiozero 默认已经去抖 10 毫秒；按钮质量差时可把 bounce_time 调到 0.05。
6. "when_pressed = led.on() 和 = led.on 差不多" —— 差远了。加了括号是"现在就执行"，不加才是"交给它以后执行"（见第七节那个警告框）。
7. "轮询（while True ＋ is_pressed）是最好的写法" —— 它空转 CPU，而且干不了别的事。事件回调 ＋ pause() 才是推荐写法。
8. "Ctrl + C 退出后灯还亮着，是 gpiozero 的 bug" —— 是没做清理。用 try / finally 把 led.off() 包进去。

• ☐ 下一节（7-4 模拟输出） —— 让灯不只"亮／灭"，而是能"半亮"；讲清 PWM 这个把数字变成近似模拟的办法
• ☑ 本章第三节已读 —— 亲手点亮了第一颗 LED，也让第一颗按钮有了反应

相关笔记

• Python 的 GPIO 模块 —— 上一节：LED(17) 与 Button(27) 的来处，以及报错时该往哪查
• 认识树莓派的 GPIO 引脚 —— BCM 17（物理针 11）、BCM 27（物理针 13）的对照表在那里
• 你需要知道的背景知识 —— 电压／电流／电阻的三条新手铁律，本节第一次真的用上
• 树莓派的硬件规格 —— 3.3V 铁律与 GPIO 针的电流上限
• Python 函数与模块 —— when_pressed = 某函数 为什么不能加括号，答案在"函数也是值"那里
• 🍓 树莓派 · 索引 —— 全课路线图