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第八章 KEY实验
上一章，我们介绍了ESP32-S3的IO如何作为输出功能，实现LED闪烁。本章，我们将向大家介绍如何使用 ESP32-S3的IO口作为输入。我们将利用板载的boot按键，来控制板载的LED灯亮灭。通过本章的学习，我们将了解到ESP32-S3的IO口作为输入口的使用方法。 本章分为如下几个小节： 8.1 GPIO输入功能使用 8.2 硬件设计 8.3 软件设计 8.4 下载验证
8.1 GPIO输入功能使用 8.1.1 GPIO输入模式介绍 首先回顾一下：在上一章也提及到pinMode函数，要对数字I/O进行检测，首先把I/O设置为输入模式，然后使用数字I/O检测函数为digitalRead函数检测外部电平状态。当外部输入高电平时，返回值为1；当外部输入低电平时，返回值为0。 pinMode函数设置I/O为输入，有三种选择：INPUT、INPUT_PULLUP、INPUT_PULLDOWN。这里简单设置的依据就跟这个按键电路相关。当我们存在上拉或者下拉按键电路的情况时，可以直接选择INPUT；如果当前的按键电路需要内部上拉电阻，这时候选择INPUT_PULLUP；如果当前的按键电路需要内部下拉电阻时，这时候选择INPUT_PULLDOWN。 在这里，简单介绍一下上拉电阻电路、下拉电阻电路、内部上拉电路和内部下拉电路。 上拉电阻电路，如下图所示。 图8.1.1.1 上拉电阻电路图 当按键开关断开时，即没有被按下时，ESP32S3的IO0通过电阻和3.3V电源相连接，产生高电平，digitalRead(0)函数的返回值为1。当按键开关闭合时，即按下按键时，ESP32S3的IO0的电压和地相连接，产生低电平，digitalRead(0)函数的返回值为0。电路中的1KΩ电阻成为上拉电阻。 下拉电阻电路，如下图所示。 图8.1.1.2 下拉电阻电路图 当按键开关断开时，即没有被按下时，ESP32S3的IO0通过电阻和地相连接，产生低电平，digitalRead(0)函数的返回值为0。当按键开关闭合时，即按下按键时，ESP32S3的IO0的电压和电源3.3V相连接，产生高电平，digitalRead(0)函数的返回值为1。电路中的1KΩ电阻成为下拉电阻。 当数字输入引脚的工作模式设置为INPUT时，读取按键值，一定要在电路中设置一个上拉电阻或者下拉电阻，电阻的阻值一般可以为1~10KΩ。采用上拉电阻时，当按键断开时digitalRead(0)函数的返回值为1。采用下拉电阻时，当按键断开时，digitalRead(0)函数的返回值为0。 内部上拉电阻电路，除了上述的两种电路外，在ESP32S3控制器内部还集成了上拉电阻，通过在pinMode()函数中设置mode参数为INPUT_PULLUP来启动内部上拉电阻。 启动控制器内部的上拉电阻后，按键开关电路就可以省略外接电阻。 内部上拉电阻电路，如下图所示。 图8.1.1.3 内部上拉电阻电路 从上图可以看出，当开关断开时，digitalRead(0)函数的返回值为1；当开关闭合时，digitalRead(0)函数的返回值为0。 当采用内部上拉电阻电路时，按键的一端和数字引脚相连，另外一端和地相连。 内部下拉电阻电路，在ESP32S3控制器内部除了集成上拉电阻，还有下拉电阻，通过在pinMode()函数中设置mode参数为INPUT_PULLDOWN来启动内部下拉电阻。 启动控制器内部的下拉电阻后，按键开关电路就可以省略外接电阻。 内部下拉电阻电路，如下图所示。 图8.1.1.4 内部下拉电阻电路 从上图可以看出，当开关断开时，digitalRead(0)函数的返回值为0；当开关闭合时，digitalRead(0)函数的返回值为1。 当采用内部下拉电阻电路时，按键的一端和数字引脚相连，另外一端和VCC相连。 8.1.2 独立按键简介 几乎每个开发板都会板载有独立按键，因为按键用处很多。常态下，独立按键是断开的，按下的时候才闭合。每个独立按键会单独占用一个IO口，通过IO口的高低电平判断按键的状态。但是按键在闭合和断开的时候，都存在抖动现象，即按键在闭合时不会马上就稳定的连接，断开时也不会马上断开。这是机械触点，无法避免。独立按键抖动波形图如下： 图8.1.2.1 独立按键抖动波形图 图中的按下抖动和释放抖动的时间一般为5~10ms，如果在抖动阶段采样，其不稳定状态可能出现一次按键动作被认为是多次按下的情况。为了避免抖动可能带来的误操作，我们要做的措施就是给按键消抖（即采样稳定闭合阶段）。消抖方法分为硬件消抖和软件消抖，我们常用软件的方法消抖。 软件消抖：方法很多，我们例程中使用最简单的延时消抖。检测到按键按下后，一般进行10ms延时，用于跳过抖动的时间段，如果消抖效果不好可以调整这个10ms延时，因为不同类型的按键抖动时间可能有偏差。待延时过后再检测按键状态，如果没有按下，那我们就判断这是抖动或者干扰造成的；如果还是按下，那么我们就认为这是按键真的按下了。对按键释放的判断同理。 硬件消抖：利用RC电路的电容充放电特性来对抖动产生的电压毛刺进行平滑出来，从而实现消抖，但是成本会更高一点，本着能省则省的原则，我们推荐使用软件消抖即可。 8.2 硬件设计 1. 例程功能 通过开发板上的boot独立按键实现LED的亮灭。 2. 硬件资源 1）LED灯 LED-IO1 2）独立按键 BOOT-IO0 3. 原理图 独立按键硬件部分的原理图，如下图所示。 图8.3.1 独立按键与ESP32-S3连接原理图 这里需要注意的是：BOOT设计为采样到按键另一端的低电平为有效电平。 8.3 软件设计 8.3.1 程序流程图 下面看看本实验的程序流程图： 图8.3.1.1 程序流程图 8.3.2 程序解析 1. key驱动代码这里我们只讲解核心代码，详细的源码请大家参考光盘本实验对应源码。KEY驱动源码包括两个文件：key.cpp和key.h。 下面我们先解析key.h的程序，我们把它分两部分功能进行讲解。 由硬件设计小节，我们知道KEY按键在硬件上连接到IO0，我们做了下面的引脚定义。 /* 引脚定义 */ #define KEY_PIN 0 /* 开发板上KEY连接到GPIO0引脚 */ 为了后续对KEY按键进行便捷的操作，我们为KEY按键操作函数做了下面的定义。 /* 宏函数定义 */ #define KEY digitalRead(KEY_PIN) /* 读取KEY引脚的状态 */ KEY是读取对应按键状态的宏定义。用digitalRead函数实现，该函数返回值就是IO口的状态，0或1，代表的是低电平或高电平。 下面我们再解析key.cpp的程序，这里只有一个函数key_init，这是KEY按键的初始化函数，其定义如下： /** * @param 无 * @retval 无 */ void key_init(void) { /* 结合原理图设计,按键没有按下时,KEY引脚检测到的是高电平 */ pinMode(KEY_PIN, INPUT_PULLUP); /* 设置key引脚为上拉输入模式 */ } KEY按键的引脚设置为上拉输入模式。默认情况，读取到的是高电平。 2. 02_key.ino代码在02_key.ino里面编写如下代码： #include "led.h" #include "key.h" /** * @brief 当程序开始执行时，将调用setup()函数，通常用来初始化变量、函数等 * @param 无 * @retval 无 */ void setup() { led_init(); /* LED初始化 */ key_init(); /* KEY初始化 */ } /** * @brief 循环函数，通常放程序的主体或者需要不断刷新的语句 * @param 无 * @retval 无 */ void loop() { if (KEY == 0) /* 读取KEY状态,如果按下KEY */ { delay(10); if (KEY == 0) { LED(0); /* LED引脚输出接低电平,点亮 */ } } else /* 读取KEY状态,如果KEY没有按下 */ { LED(1); /* LED引脚输出接高电平,熄灭 */ } } 在setup函数中，除了要调用key_init函数对KEY进行初始化，还要调用led_init对LED进行初始化。接下来，在loop函数中，当按键被按下时，会调用delay函数等待10毫秒实现消抖作用，然后再次确认按键状态，如果按键确实被按下，点亮LED。如果按键没有被按下时，就会熄灭LED。然后程序进入检测按键是否按下的循环中。 8.4 下载验证 下载完之后，通过BOOT按键来控制LED灯的亮灭状态。
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