Arduino 入门学习笔记（五）：KEY实验

开发板：正点原子ESP32S3
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1. GPIO 输入功能使用

1.1 GPIO 输入模式介绍

在上一文章中提及到 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：
在这里插入图片描述
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：
在这里插入图片描述
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：
在这里插入图片描述
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：
在这里插入图片描述
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。

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：
在这里插入图片描述
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。

2. 硬件设计

2.1 例程功能

通过开发板上的 boot 独立按键实现 LED 的亮灭。

2.2 硬件资源

1） LED 灯：LED-IO1
2）独立按键：BOOT-IO0

2.3 原理图

独立按键硬件部分的原理图，如下图所示：
在这里插入图片描述
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。

3 软件设计

3.1 程序流程图

下面看看本实验的程序流程图：
在这里插入图片描述

3.2 程序解析

3.2.1 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：

/**
* @brief 初始化 KEY 相关 IO 口
* @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。

3.2.2 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。