ESP32学习笔记2（GPIO的数字输入输出功能）

1. 普通5mm直径LED参数测定实验
以上为普通5mm直径LED，手册建议持续工作电流为20mA以内。以下，采用学生电源（带控压限流功能）通过限流电阻170欧给各色LED供电，通过缓慢加压测流和观察LED亮度的方法，确定电流、压降与亮度关系，实测该批次LED颜色与压降大致如下：

颜色 1mA状态与压降 5mA状态与压降 10mA状态与压降 15mA状态与压降 20mA状态与压降
红 1mA起亮 明亮，1.98V 明亮，2.04V 刺眼，2.08V 刺眼，2.13V
绿 1mA起亮 较亮，1.96V 亮，2.00V 亮，2.03V 亮，2.04V
黄 1mA起亮 明亮，1.96V 明亮，2.01V 刺眼，2.04V 刺眼，2.07V
蓝 1mA起亮 明亮，2.72V 明亮，2.77V 刺眼，2.85V 刺眼，2.91V
白 1mA起亮 刺眼，2.82V 明亮，2.92V 刺眼，3.01V 刺眼，3.07V

注：以上LED亮度肉眼区分为星亮、较亮、亮、明亮、刺眼5种状态，亮度依次增强。不同批次及规格LED不尽相同，供参考。
从以上实验结论可知，普通5mm直径LED在1-2mA就能观察到起亮（有些已经达到亮和明亮的程度），10mA就已经很明亮了。所以完全可以按10mA来设计LED工作电流。
ESP32可以提供3.3V的40mA输出能力，足以烧坏LED。而实测红色LED烧坏为短路状态，这可能进一步导致ESP32故障。为保证电路安全运行，请务必给LED串联限流电阻。电阻计算参考以上实验数据，约取100到200欧即可。

2. 普通数字输出功能
去掉影响闪存和仅建议用作输入的GPIO引脚，ESP32推荐用于普通IO输出功能的引脚标示如下图：

实测该ESP32控制板载LED灯的为编号为2的引脚，高有效，程序如下：

点击查看代码

#define LED 2
void setup()
{
  pinMode(LED,OUTPUT);
}
void loop()
{
  digitalWrite(LED,HIGH);    // 同 digitalWrite(LED,1);
  delay(1000);
  digitalWrite(LED,LOW);    // 同 digitalWrite(LED,0);
  delay(1000);  //亮灭时间不同以示区别
}

注意：Arduino单片机通常经过串口下载程序时，自动进行了复位。即在IDE点击“编译下载”后，不需要额外的任何操作即可实现程序下载，下载后单片机自动复位并执行新程序。而ESP32部分型号单片机需要手动按BOOT，从而实现程序下载，且程序下载后，需要手动按RST，才能开始执行新程序。 若仅在IDE点击“编译下载”图标，但不配合“BOOT”按键，则程序并不能正常下载，并最终显示如下下载失败的界面：

对于这类需要配合BOOT按键的ESP32开发板，除了正常选择开发板型号和串口、输入正确的程序外，程序下载的操作实测有2种，读者可自行尝试：
1）按住BOOT键不松手，IDE点击“编译下载”图标，待IDE完成编译、显示如下图所示的“connecting...”信息时松开BOOT键，可自动进行程序下载进程。

而后按一下RST，单片机就开始执行新程序。
2）另一种方式是仅在IDE完成编译、显示“connecting...”信息时才按一下BOOT键（注意不要过快，如按下保持2~3秒再松开），实测也可进行程序下载进行。下载完成后，需要手动完成单片机复位，单片机才开始执行新程序。
经多次尝试，尽管第2种方式多数均能实现下载，但并不稳定，可能会下载失败或多次按压BOOT才成功，因此推荐采用第1种下载操作方式。

继续用多路流水灯模块（共阴极、高有效）测定各引脚GPIO编号与程序中引脚编号的关系。如编写GPIO 0控制LED1、GPIO 13控制LED2、GPIO 23控制LED3,亮灭交替不同时间以示区别，程序如下：

点击查看代码

#define LED1 0
#define LED2 13
#define LED3 23
void setup()
{
  pinMode(LED1,OUTPUT);
  pinMode(LED2,OUTPUT);
  pinMode(LED3,OUTPUT);
}
void loop()
{
  digitalWrite(LED1,HIGH);
  digitalWrite(LED2,HIGH);
  digitalWrite(LED3,HIGH);
  delay(2000);   // 3只LED全亮2秒
  digitalWrite(LED1,HIGH); 
  digitalWrite(LED2,LOW); 
  digitalWrite(LED3,LOW);
  delay(2000);   // LED1亮、LED2灭、LED3灭，持续2秒
  digitalWrite(LED1,LOW);
  digitalWrite(LED2,HIGH);
  digitalWrite(LED3,LOW);
  delay(1000);  // LED2亮、LED1灭、LED3灭，持续1秒
  digitalWrite(LED1,LOW);
  digitalWrite(LED2,LOW);
  digitalWrite(LED3,HIGH);
  delay(200);  // LED2亮、LED1灭、LED3灭，持续1秒  
}

对照引脚图连接电路，上传后观察可知，系统运行与程序设定及预想相符。通过以上实验可知，与Arduino UNO等单片机数字引脚全部支持普通数字输出不同，ESP32只有部分GPIO引脚适用于作普通数字输出。此外，编程方式式，GPIO号就是程序中的对应引脚编号。

3. 普通数字输入功能
与可以作为普通数字输出的引脚数量相比，ESP32可作为普通数字输入的引脚多了G34、G35、G36和G39，这些引脚的位置及编号如下图所示：

接下来，分别测试这些引脚的普通输入、上拉输入、下拉输入以及触摸感应功能。注意，G34、G35、G36、G39四路引脚内部无上下拉电阻设计，理论上仅支持普通数字输入模式。即使声明为上拉或下拉输入功能，也不能实现预期抗干扰效果。
（1）普通输入模式
采用一组8只数字IO作为输出，另一组8路IO作为普通数字输入，通过杜邦线接高（3.3V）、低（GND）和悬空3种输入状态，控制对应LED亮灭。

点击查看代码

byte LED[8]={23,22,1,3,21,19,18,5};  // 注意：8位流水灯模块为共阳极，低有效（控制信号输出为低电平时灯亮）
byte KEY[8]={36,39,34,35,32,33,25,26};  
void setup()
{
  for(int i=0;i<8;i++)
  {
    pinMode(KEY[i],INPUT);   //控制引脚均声明为普通输入模式
    pinMode(LED[i],OUTPUT);
    digitalWrite(LED[i],LOW);
  }
  delay(3000);  //全亮持续3秒，表示程序正常完成初始化
  for(int i=0;i<8;i++)    //熄灭8只LED
    digitalWrite(LED[i],HIGH);
}
void loop()
{
  for(int i=0;i<8;i++)
  digitalWrite(LED[i],digitalRead(KEY[i]));
}

通过观察执行效果可知，LED灯在输入控制引脚确定地接高/低电平时，呈现对应稳定的受控效果。但当输入引线悬空时，LED灯存在闪烁未定状态。说明普通输入功能可能给程序引入输入状态量不确定的BUG，除非输入能够确定在高/低2种电平之间，不存在不确定性。

（2）上拉输入模式
在Arduino单片机开发中，输入上拉模块通过编程实现内部上拉电阻电路的激活。这种输入上拉模式使得输入信号默认为高电平，输入为GND时才读到低电平。如此，输入量被确定在高/低2种电平之间，抗干扰能力强。

点击查看代码

byte LED[8]={23,22,1,3,21,19,18,5};  // 注意：8位流水灯模块为共阳极，低有效（控制信号输出为低电平时灯亮）
byte KEY[8]={36,39,34,35,32,33,25,26};  
void setup()
{
  for(int i=0;i<8;i++)
  {
    pinMode(KEY[i],INPUT_PULLUP);   //控制引脚均声明为输入上拉模式
    pinMode(LED[i],OUTPUT);
    digitalWrite(LED[i],LOW);
  }
  delay(3000);  //全亮持续3秒，表示程序正常完成初始化
  for(int i=0;i<8;i++)    //熄灭8只LED
    digitalWrite(LED[i],HIGH);
}
void loop()
{
  for(int i=0;i<8;i++)
  digitalWrite(LED[i],digitalRead(KEY[i]));
}

程序执行后，G34、G35、G36、G39四路输入控制下的四只LED仍存在闪烁。查找原因可知，即使声明为上拉输入的语句不报错，这四路输入由于内部没有上拉或下拉电阻，仅支持作为普通数字输入使用。其余内部带输入上拉设计的不会闪烁、功能符合程序及电路预设。当然，在一般电路中，干扰通常是较小的，普通输入功能也足够使用。

（3）下拉输入模式
下拉输入与上拉输入的电路及功能设计恰好相反，由于输入为下拉设计，引脚悬空或接低电平时，CPU总读到低电平输入。仅当输入确定地接高电平（3.3V）时，CPU才读到高电平。

点击查看代码

byte LED[8]={23,22,1,3,21,19,18,5};  // 注意：8位流水灯模块为共阳极，低有效（控制信号输出为低电平时灯亮）
byte KEY[8]={36,39,34,35,32,33,25,26};  
void setup()
{
  for(int i=0;i<8;i++)
  {
    pinMode(KEY[i],INPUT_PULLDOWN);   //控制引脚均声明为输入下拉模式
    pinMode(LED[i],OUTPUT);
    digitalWrite(LED[i],LOW);
  }
  delay(3000);  //全亮持续3秒，表示程序正常完成初始化
  for(int i=0;i<8;i++)    //熄灭8只LED
    digitalWrite(LED[i],HIGH);
}
void loop()
{
  for(int i=0;i<8;i++)
  digitalWrite(LED[i],digitalRead(KEY[i]));
}

没有悬念，仅支持普通数字输入功能（内部未设计上下拉电路）的引脚控制下的LED有闪烁现象。其余4路支持内部下拉功能的引脚，默认灯亮（共阳极、低有效），说明默认读入为低电平。仅当输入引脚接高电平时，对应受控LED才熄灭。

（4）触摸感应功能
ESP32具备普通Arduino数字输入引脚不具备的感应输入功能，这种输入功能原理是引脚支持感应皮肤触摸引脚后引起的电荷变化，从而判定触摸动作。支持触摸功能的引脚共有10路，如图所示：

启用这些引脚的触摸输入功能的语法类似中断功能，详见以下示例程序：

点击查看代码

#define TOUCH_PIN 4  // T0触摸传感器连接到GPIO4
#define LED_PIN 23   // LED连接到GPIO23
void setup() 
{  
  pinMode(LED_PIN, OUTPUT);
  Serial.begin(115200);  
  touchAttachInterrupt(TOUCH_PIN, touchHandler, 40);  // 第3个参数为触摸传感器的阈值，该值可根据需要调整
}
void loop() 
{
  // 主循环中不需要做任何操作，触摸检测在后台进行
}
void touchHandler()   // 触摸事件处理函数
{ 
  static bool ledState = false;    // 切换LED的状态
  ledState = !ledState;
  digitalWrite(LED_PIN, ledState);
  Serial.println("T0 touched!");   // 打印触摸事件
}

上述例程中，采用T0电容触摸传感器控制G23点灯。每触摸一次，电平翻转一次，且串口输出触摸检测情况。其中，阈值设置较为关键，这通常需要根据具体的硬件来确定合适的阈值，以调整触摸灵敏度。阈值越低，传感器越容易被触发，这可能会增加误触发风险，但可以更快地响应触摸。相反，较高的阈值需要更强的触摸信号才能触发，这可能 会降低误触发，但响应速度可慢一点。上述示例中设置的数值不高，单次触摸可能存在多次频繁动作。除了调整灵敏度阈值外，还可以设置程序上的抗干扰措施，比如检测到触摸后增加延时，以避免一次触摸导致多次电平翻转。