Guía de Primeros Pasos con Los Pines GPIO en Raspberry Pi

Los pines GPIO en Raspberry Pi son una característica principal que necesitas conocer.
Como soy un administrador de Linux, principalmente utilicé Raspberry Pi para probar sistemas y software en los primeros meses. Pero para avanzar y ser capaz de crear tus propios sistemas electrónicos y programas, necesitarás aprender a usarlos.

Los pines GPIO permiten agregar extensiones a tu Raspberry Pi, ya sea con HATs o para crear circuitos. La forma más fácil de usarlos es crear scripts de Python, pero Scratch u otro software son opciones que considerar.

En esta guía para principiantes, realmente comenzaré con lo básico, para las personas que nunca intentaron usar los pines GPIO. Si ya has realizado algunas pruebas, puedes utilizar la tabla de contenido de abajo para acceder directamente al párrafo que quieres leer.

Necesitarás algunos elementos para completar este tutorial. Si aún no tienes nada, puedes consultar este estupendo kit de Sunfounder. Esto puede ser un poco excesivo para este tutorial, pero creeme que vale la pena a largo plazo, ya que no necesitarás nada más para tus primeros proyectos.

Conceptos básicos de GPIO

Comencemos con los principios básicos acerca de GPIO.

¿Qué son los pines GPIO?

GPIO significa General Purpose Input/Output.
Son los 40 pines que puedes ver en Raspberry Pi, cerca del borde:

El objetivo de los pines GPIO es añadir algunas extensiones a tu Raspberry Pi.
Por ejemplo, la mayoría de las placas HAT de Raspberry Pi utilizan estos pines para conectarse con Raspberry Pi (aquí puedes encontrar mis recomendaciones de placas HAT de Raspberry Pi si quieres probar una, en inglés).
También puedes crear tu propio circuito electrónico utilizando estos pines GPIO con cables, LED y otros accesorios. Lo veremos más adelante.

Distribución de pines GPIO

Como podrías haber adivinado, cada pin tiene un rol específico y solo puedes usarlo para ese propósito.
Algunos de ellos son de entrada/salida, de alimentación (3.3V o 5V), o de tierra.
Hay cosas aún más complejas que veremos más adelante.
Por lo tanto, es importante saber qué es qué.

Tengo una guía completa sobre el esquema de pines GPIO (en inglés) aquí que puedes revisar para obtener más detalles.
Aquí te dejo una ilustración para que te muevas rápidamente:

El sitio web pinout.xyz es útil para esto.
Te muestra el diseño exacto y el papel de cada pin.
También tengo un artículo dedicado a el esquema de pines de Raspberry Pi Pico (en inglés) en caso estes utilizando este modelo.

Si no lo tienes con tu placa de pruebas o kit GPIO, te recomiendo que imprimas esta imagen para utilizarla después.

Configuración de Raspberry Pi

Antes de comenzar con la práctica de los pines GPIO, necesitamos realizar algunos pasos en la Raspberry Pi para asegurarnos de que todo esté listo:

• Comienzar actualizando tu sistema
  sudo apt update
sudo apt upgrade
• Instalar el paquete rpi.gpio (debería estar preinstalado en la mayoría de las versiones)
  sudo apt install python3-rpi.gpio
• Habilitar I2C y SPI en raspi-config
  No los necesitas en este tutorial, por lo que puedes saltarte este paso.
  Pero si sigues avanzando después de este punto te ahorrarás esfuerzo, ya que nadie lo explica 🙂
  sudo raspi-config
  Ir a “Interface Options”.
  Y habilitar I2C y SPI en cada submenú.

I2C y SPI son pines GPIO específicos.
Los puedes necesitar con algunos módulos de hardware que los requieran (un monitor como este por ejemplo).

Hardware Requerido

Aquí está el hardware recomendado que necesitas para seguir el resto de este tutorial (enlaces de Amazon):

• Un Raspberry Pi, estoy usando el 3B+ para este artículo, pero cualquier modelo será adecuado.
• Un kit de placa de pruebas será perfecto, con todo lo que necesitas dentro. Así no tendrás que hacer docenas de preguntas para saber qué componente realmente necesitas (no es fácil cuando apenas comienzas con los circuitos GPIO).
• O al menos:
  • Una placa de pruebas
  • Algunos cables jumper macho/hembra, para conectar la placa de pruebas a los pines GPIO
  • Cables jumper macho/macho también pueden ser útiles (en la placa de pruebas)
  • LEDs y resistencias
  • Aún no tengo uno, pero este tipo de placa de expansión GPIO es una excelente opción para saber qué pin usar

Estos componentes serán útiles para muchos proyectos más adelante, es una larga lista de cosas que necesitas para empezar, pero las usarás en cada ocasión después de eso 🙂

Eso es todo, una vez que tengas todo listo, puedes pasar a la siguiente parte.

Conceptos básicos de Breadboard

Empecemos con el breadboard.
Si es tu primera vez con él, puede que te cueste entender cómo funciona.

Instalación de Breadboard

Si estás utilizando el kit de breadboard que recomendé arriba, el primer paso es instalarlo en la caja de plástico azul.
En general, tienes que pegarlo en el gran espacio y atornillar la Raspberry Pi a la ubicación correspondiente.

En este punto, tu configuración debería verse así:

No conectes el cable de alimentación de la Raspberry Pi por el momento.

Esquema de Breadboard

Antes de seguir adelante, necesitas entender cómo funciona una breadboard.
Cada agujero es un pin que puedes usar para enchufar algo.

Entrada de Energía

En los bordes de la placa, hay dos líneas:

• La línea roja es para la entrada de energía
• La línea azul es para la tierra

Cada puerto está conectado con todos los pines de la misma línea.

Atención, con algunas placas de pruebas (como la mía), hay una separación en el medio, puedes ver un espacio en la línea roja, por ejemplo.
Si conectas cerca del puerto 0, no funcionará cerca del puerto 50.

Otros Puertos

Los otros puertos se utilizan para todo lo demás (LEDs, resistencias, otros módulos).
Un cable los conecta en columnas.
Si tomas un número en la placa, conecta cada puerto de la misma columna con los demás.

Esquema

Te será más claro con esta imagen:

He cuadrado cada uno de los puertos conectados.

El cuadrado rojo corresponde a una línea de entrada de potencia.
Hay cuatro líneas de este tipo en la placa.
Si introduces energía en uno de los puertos cuadrados, puedes usarla desde cualquier otro puerto resaltado.

Para los puertos de tierra, es lo mismo (cuadrado azul).

Y para los otros puertos, puedes ver en el cuadrado verde cómo están conectados entre sí.
Es lo mismo para cada columna, en ambos lados de la línea media.

En caso lo necesites, aquí te comparto el esquema completo:

Tu primer circuito: ¡Parpadea el LED!

Bien, esto es el final de la parte teórica, y ahora comienza el tutorial de tu primer circuito.
Vamos a practicar 🙂

Configuración de la Placa de Pruebas

Como siempre, empieza a conectar los pines sin una fuente de alimentación conectada.

Para empezar necesitas:

• 1x LED
• 2x cables de puente macho/hembra
• 1x resistencia

Toma los dos cables de puente y conéctalos de esta manera:

• Uno desde la línea de tierra a un pin de tierra del Raspberry Pi (por ejemplo, el tercero de la segunda fila, puerto 6)
• El otro desde un puerto de entrada/salida (por ejemplo, el cuarto de la primera fila, puerto 7)

Ahora tienes dos cables, conectados solo por un lado.
En el otro lado, necesitaras conectarlos a la placa de pruebas.

Conecta el cable de tierra a la línea de tierra del protoboard (cualquier puerto).
Conecta el otro cable en una columna del protoboard (en cualquier lugar).

Debería verse así:

Finalmente, coloca la resistencia entre la línea de tierra y la columna cerca del otro cable.
Y coloca una luz con un pie en cada columna, el más corto en la columna de resistencia/tierra.

Algo como esto:

Sí, sé que mi resistencia parece estar pasando un mal rato 🙂

Ahora puedes encender tu Raspberry Pi y saltar al SSH (o GUI si lo prefieres) para crear el script de Python.
En cuanto la Raspberry Pi esté encendida, evita tocar el circuito.

Script de Python

El primer script básico que podemos codificar es para encender la luz LED y comprobar que todo funciona.
Para hacer esto, el sistema operativo Raspberry Pi ya incluye todas las bibliotecas que necesitas.

• En una terminal, o con tu editor de código favorito, crear un nuevo archivo python:

  nano led_on.py

• Pegar estas líneas de código dentro:
  #importar bibliotecas
import RPi.GPIO as GPIO
import time

#Inicialización básica de GPIO
GPIO.setmode(GPIO.BCM)
GPIO.setwarnings(False)

#Usar una variable para el Pin a usar
#Si seguiste mis imágenes, es el puerto 7 => BCM 4
led = 4
#Inicializar el pin
GPIO.setup(led,GPIO.OUT)

#Encender el LED
print("LED on")
GPIO.output(led,1)

#Esperar 5s
time.sleep(5)

#Apagar el LED
print("LED off")
GPIO.output(led,0)

  He comentado todo para que quede claro.
  La única trampa es el número de pin a usar en la variable LED.
  Puedes tener una numeración diferente en tu placa de expansión de protoboard o pegatina, pero tienes que usar el número BCM de pinout.xyz.

• Guardar y salir (CTRL+X)
• Ejecutar el script con:

  python3 led_on.py

El LED se encenderá durante 5 segundos y luego se apagará.
Si no es así, verifica nuevamente cada párrafo anterior para ver qué te has perdido.
Si tu circuito parece estar bien, revisa la dirección del LED, tiene un lado + y un lado -.

Por cierto, si eres nuevo en los scripts de Python, probablemente debas consultar primero este artículo (en inglés). También tengo un libro electrónico completo sobre Python en Raspberry Pi que explica todo desde cero hasta el dominio. Te recomiendo encarecidamente usarlo si estás seriamente interesado en aprender Python y Raspberry Pi.

Conclusión

Ya está, ya has aprendido lo básico sobre los pines GPIO y la placa de pruebas.
Ahora puedes construir circuitos básicos, y estás listo para el próximo nivel 🙂

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