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使用Go语言在树莓派上读取温度传感器值：从GPIO到数据处理

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发布： 2025-10-29 15:02:29

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使用Go语言在树莓派上读取温度传感器值：从GPIO到数据处理

本教程旨在指导初学者如何使用go语言在树莓派（rpi）上读取温度传感器值。由于树莓派的gpio引脚均为数字类型，文章将介绍两种处理模拟信号的方法：构建简易模数转换电路（“穷人版adc”）或连接外部adc。核心内容包括利用go的`davecheney/gpio`包进行gpio引脚的输入输出操作，以及对数字信号进行处理以获取模拟电压值的基本原理。

树莓派GPIO与模拟信号处理概述

树莓派的通用输入/输出（GPIO）引脚本质上是数字的，它们只能识别和输出两种状态：高电平（HIGH）或低电平（LOW）。这意味着它们无法直接读取温度传感器等设备输出的模拟电压信号。为了在树莓派上获取模拟值，我们需要进行模数转换（Analog-to-Digital Conversion, ADC）。

有两种主要方法可以实现这一点：

简易模数转换电路（“穷人版ADC”）：通过一个简单的电阻-电容（RC）电路，利用电容充放电的时间来间接测量模拟电压。电压越高，电容充电所需的时间越长，通过测量GPIO引脚状态变化的时间即可推算出模拟电压值。
外部模数转换器（ADC）：连接一个专用的ADC芯片到树莓派，例如通过SPI或I2C接口。这种方法通常提供更高的精度和更广的测量范围。

本教程将侧重于利用Go语言与树莓派GPIO进行交互，并结合简易模数转换电路的原理进行说明。

使用Go语言操作树莓派GPIO

Go语言生态中，davecheney/gpio包是一个流行且功能强大的库，用于在树莓派上控制GPIO引脚。以下将介绍如何使用此包来配置和读取GPIO引脚。

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首先，确保你的Go开发环境已配置好，并且已安装davecheney/gpio包：

go get github.com/davecheney/gpio

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配置GPIO引脚为输入模式

要从传感器读取信号，需要将GPIO引脚配置为输入模式。这允许引脚检测外部电路的电压状态。

package main

import (
    "fmt"
    "os"
    "time"

    "github.com/davecheney/gpio"
)

func main() {
    // 打开GPIO22引脚并设置为输入模式
    pin, err := gpio.OpenPin(gpio.GPIO22, gpio.ModeInput)
    if err != nil {
        fmt.Printf("Error opening pin! %s\n", err)
        return
    }
    defer pin.Close() // 确保在函数退出时关闭引脚

    fmt.Println("GPIO22 configured as input.")

    // ... 后续读取操作 ...
}

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在上述代码中，gpio.OpenPin(gpio.GPIO22, gpio.ModeInput)函数用于打开指定的GPIO引脚（这里是GPIO22）并将其设置为输入模式。defer pin.Close()是一个重要的实践，它确保在程序退出或函数返回时，GPIO资源能够被正确释放。

监听输入引脚状态变化

对于简易模数转换电路，我们通常通过测量引脚从高电平变为低电平（或反之）所需的时间来推断模拟值。BeginWatch函数允许我们监听引脚的边缘触发事件（上升沿或下降沿）。

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// 假设 pin 已经配置为输入模式
// 监听GPIO22引脚的下降沿事件
err = pin.BeginWatch(gpio.EdgeFalling, func() {
    fmt.Printf("Callback for %d triggered! (Falling Edge)\n\n", gpio.GPIO22)
    // 在这里添加测量时间或处理逻辑
    // 例如，记录当前时间，与之前的某个时间点计算差值
})
if err != nil {
    fmt.Printf("Unable to watch pin: %s\n", err.Error())
    os.Exit(1)
}

fmt.Println("Watching for falling edge on GPIO22...")
// 为了让程序持续监听，需要保持主goroutine运行
select {} // 阻塞主goroutine，直到程序被外部中断

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在简易模数转换电路中，通常会先将电容充电（通过一个输出引脚），然后释放电容，并通过一个输入引脚测量电容放电到特定阈值所需的时间。BeginWatch的回调函数将在引脚状态发生变化时被触发，你可以在这里记录时间戳，从而计算出放电时间。

将模拟信号转换为数字值（原理）

以“穷人版ADC”为例，其基本原理是：

充电阶段：通过一个输出GPIO引脚给电容充电，直到输入GPIO引脚检测到高电平。
放电阶段：将输出GPIO引脚设置为输入（或断开），并让电容通过传感器（如热敏电阻）和固定电阻放电。
计时：同时使用另一个输入GPIO引脚监听电容放电过程中，其电压从高电平下降到树莓派GPIO的低电平阈值所需的时间。
计算：放电时间与传感器的电阻值（进而与温度）成正比。通过校准，可以将测量到的时间转换为相应的模拟电压值或温度值。

这个过程需要精确的时间测量，Go语言的time包可以提供帮助。例如，在BeginWatch的回调中记录时间戳，并在另一个地方启动计时器。

配置GPIO引脚为输出模式

在某些ADC方案中，例如简易ADC电路，可能需要一个输出引脚来控制电容的充电。

// 打开GPIO17引脚并设置为输出模式
power, err := gpio.OpenPin(gpio.GPIO17, gpio.ModeOutput)
if err != nil {
    fmt.Printf("Error opening pin! %s\n", err)
    return
}
defer power.Close() // 确保在函数退出时关闭引脚

fmt.Println("GPIO17 configured as output.")

// ... 后续写入操作 ...

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写入数字信号到输出引脚

配置为输出模式的引脚可以被设置为高电平或低电平，用于控制外部电路。

// 假设 power 已经配置为输出模式
// 设置GPIO17为高电平
power.Set()
fmt.Println("GPIO17 set to HIGH.")
time.Sleep(time.Second) // 保持高电平1秒

// 设置GPIO17为低电平
power.Clear()
fmt.Println("GPIO17 set to LOW.")
time.Sleep(time.Second) // 保持低电平1秒

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power.Set()将引脚设置为高电平，而power.Clear()则将其设置为低电平。

注意事项与总结

引脚编号：davecheney/gpio包使用BCM（Broadcom SOC channel）引脚编号，而不是物理引脚编号。请务必查阅你的树莓派型号的GPIO引脚图，以确保使用正确的编号。
外部电路：无论是简易ADC还是外部ADC芯片，都需要正确的硬件连接。确保电路连接牢固且符合规范，避免短路或过压损坏树莓派。
时间精度：对于简易ADC，测量时间是关键。Go语言的time包提供了高精度的时间函数，但操作系统的调度和Go运行时本身可能会引入一定的延迟和抖动。对于需要极高时间精度的应用，可能需要考虑更底层的C/C++库或实时操作系统。
显示电压：一旦你成功将模拟信号转换为数字电压值（或温度值），将其显示在数字显示器上则需要根据显示器的型号和接口（如LCD、OLED等）来编写相应的驱动代码。这通常涉及到通过SPI、I2C或其他协议发送数据到显示器。
资源管理：始终记得使用defer pin.Close()来关闭GPIO引脚，释放系统资源。