掌控板IO接口编程入门 | 用Arduino玩转掌控板(ESP32)系列

Posted 2022-12-01 铁熊玩创客

众所周知，掌控板在创客教育中用的非常广泛，它是一块基于 ESP32 的学习开发板。大家对掌控板编程，用的比较多的都是图形化编程的方式，比如 mPython、Mind+ 等。但是，既然掌控板是基于 ESP32 芯片的，所以我们也可以用 Arduino 软件对其编程。所以，有时间的话，我准备给大家分享一系列用 Arduino 代码对掌控板（ESP32）编程的教程：用 Arduino 玩转掌控板(ESP32)系列。

本系列历史文章目录：

• ESP32概述与Arduino软件准备

• 蓝牙翻页笔（PPT控制器）

• 新冠肺炎疫情数据实时显示器

• B站粉丝计数器

• Siri 语音识别控制 LED 灯

• Siri 语音识别获取传感器数据

本期给大家带来的是：掌控板IO接口编程入门，教你用 Arduino IDE 学会掌控板 IO 接口的简单编程操作。IO 就是 INPUT 与 OUTPUT 的缩写，即输入与输出。

其实本篇是这个系列的入门篇之一，但是由于我一直偷懒，这篇一直放着没写，先写了一些进阶的内容。本篇比较简单，所以就不放案例演示视频了。

# 概述

掌控板的 IO 接口主要是用来连接外部传感器、执行器等相关外设的。平时我们使用最多最常见的一些外设，一般都是数字量或模拟量的，传感器一般都是输入设备、执行器一般都是输出设备。所以，一般情况下学习一个主控板的 IO 接口基本操作，我们都是从数字输入、数字输出、模拟输入、模拟输出这个 4 个方面来进行学习的，本篇也不例外。

这里需要注意的是，输入和输出是相对主控板来说的：

• 当信号是由主控板向外设发送时，相应的外设就是主控板的输出设备；

• 当信号是由外设向主控板发送时，也就是主控板去读取外设的信号时，相应的外设就是主控板的输入设备。

所以：

• 大部分传感器都是输入设备，因为他们的功能是测量数据，然后主控板去读取他们的数据；

• 大部分执行器都是输出设备，因为是主控板向他们发送信号、控制他们完成相应的操作。

# 数字输入

数字输入（或数字量输入）设备是生活中最常见的设备，比如房间里的开关、按钮、楼道里的人体感应设备，这些设备有一个共同的特点，即只有 2 种情况：有或无、开或关、1 或 0，这些只有 2 种情况的设备，一般称为数字量设备。相应地，如果他们是传感器，则称为数字输入设备，或数字输入传感器。

掌控板上的按键 A 和 B，其实就是数字输入传感器。所以本节就以读取掌控板上的按键 A 和 B 为例，教你对数字输入设备编程。

先来看一下完整的程序：

// 设置掌控板按键 A 的引脚编号
const int buttonAPin = P5;
// 设置按键 A 的状态值变量
int buttonAState = 0;


void setup() 
  // 初始化串口监视器
  Serial.begin(9600);
  // 初始化按键 A 对应的引脚为输入模式
  pinMode(buttonAPin, INPUT);



void loop() 
  // 读取按键 A 的值
  buttonAState = digitalRead(buttonAPin);
  // 如果按键 A 被按下了，串口监视器输出信息
  if (buttonAState == LOW) 
    Serial.println("Button A pressed");
  


  delay(100);

这个程序很简单，程序中也有相应的注释了，我们简单来讲解一下。

首先在程序开头定义了两个变量，buttonAPin 用来定义按键 A 对应的引脚，buttonAState 用来存储按键 A 的状态。

// 设置掌控板按键 A 的引脚编号
const int buttonAPin = P5;
// 设置按键 A 的状态值变量
int buttonAState = 0;

这里讲一下命名变量的小技巧，变量一般要命名成方便用户辨别、并且有一定实际字面意义的名称，这样当程序比较长的时候更加容易读懂。尽量不要命名成 a、b 这些没有太多实际字面意义的名称，当然特殊情况除外。

那么我们是如何知道按键 A 对应的引脚编号是 P5 呢？

实际上掌控板官方 Wiki 上提供了非常详细的说明和电路图，我们阅读相应的文档，就可以知道掌控板上的板载资源对应的引脚了。我们可以直接点击下方链接，查看掌控板官方 Wiki 资料。

https://mpython.readthedocs.io/zh/master/board/hardware.html

在上面的网页中，我们可以查到一张表格，上面记录了掌控板上所有板载资源对应的引脚。从这里我们可以查到按键 A 对应的引脚编号为 P5。

接下来在初始化程序 setup() 中，我们可以看到下面两句代码，分别用来对串口监视器进行初始化、以及设定按键 A 引脚的模式。对串口监视器初始化时，我们要设定串口波特率，常用的波特率是 9600 和 115200，设置波特率的作用是让电脑和掌控板保持相同的通信速率，以便可以互相收发信息。引脚模式，最常用的一般为输入模式 INPUT 和输出模式 OUTPUT，我们知道按键是数字输入传感器，所以要设置为输入模式 INPUT。

// 初始化串口监视器
Serial.begin(9600);
// 初始化按键 A 对应的引脚为输入模式
pinMode(buttonAPin, INPUT);

这里顺便再提一下，在 Arduino IDE 中编程，一般会有两个自带的函数，分别为初始化函数 setup() 和循环函数 loop()。setup() 函数的功能是在程序开始前做相应的设置，设备上电后（或者按下 RESET 按键之后）只执行一次；loop() 函数是在 setup() 运行完成之后开始运行的，它的功能是不断重复执行其中的代码，因此需要重复运行的代码或任务，一般放在 loop() 函数中，比如不断读取按键的状态。当然也有一些特殊情况，比如中断的设置等，是不用放在 loop() 中的，这部分等讲到相应内容的时候再来展开。

接下来在 loop() 函数中，首先读取按键 A 的状态值，并且赋值给变量 buttonAState。读取数字量输入的程序为 digitalRead()，跟变量命名一样，程序中函数命名也是带有一定的意义、简单易读的。

// 读取按键 A 的值
buttonAState = digitalRead(buttonAPin);

然后根据按键 A 的状态值，通过串口监视器打印出相应的信息。这里需要注意的是，一般情况下，按键弹起时的默认值为 LOW（或 0），当按键被按下时，按键的值变为 HIGH（或 1）。但是这不是绝对的，跟电路设计有关，掌控板的按键值与按键状态，就正好相反。所以当掌控板的按键 A 被按下时，它的状态值为 LOW。为了防止程序运行太快，导致串口监视器一下子输出太多信息，我们这里加了一个延时函数：delay(100)，让程序每次都延时 100 毫秒再去运行下一次循环任务。

// 如果按键 A 被按下了，串口监视器输出信息
if (buttonAState == LOW) 
  Serial.println("Button A pressed");

delay(100);

在工具菜单中，将主控板选为掌控板，并选择正确的串口号，上传程序。然后打开串口监视器，我们看看程序运行的效果。在串口监视器中将波特率设置为 9600，然后按下掌控板上的按键 A。每按下一次按键 A，串口监视器中就会输出相应的信息，说明程序编写成功！

试一试：改写程序，让程序同时也可以读取按键 B 的状态，并在串口监视器输出相应的信息。你会了么？

# 数字输出

学会了数字输入，我们再来学一学数字输出。我们生活中最常见的电灯，一般情况下，都是数字输出设备。数字输出也是只有 2 种控制状态的设备，高或低、1 或 0。这里以控制 LED 灯为例，来学习一下数字输出的程序编写。我们现在掌控板的 P0 端口外接一个 LED 灯，这里你可以选择自己喜欢的任意扩展板。电路比较简单，所以这里不放电路图了。

来看一下完整的程序：

// 设置掌控板按键 A 的引脚编号
const int buttonAPin = P5;
// 设置 LED 灯的引脚编号
const int ledPin = P0;
// 设置按键 A 的状态值变量
int buttonAState = 0;


void setup() 
  // 初始化串口监视器
  Serial.begin(9600);
  // 初始化按键 A 对应的引脚为输入模式
  pinMode(buttonAPin, INPUT);
  // 初始化 LED 对应的引脚为输出模式
  pinMode(ledPin, OUTPUT);



void loop() 
  // 读取按键 A 的值
  buttonAState = digitalRead(buttonAPin);
  // 如果按键 A 被按下了，点亮 LED 灯，否则熄灭 LED 灯
  if (buttonAState == LOW) 
    Serial.println("Button A pressed");
    digitalWrite(ledPin, HIGH);
   else 
    digitalWrite(ledPin, LOW);
  
  delay(100);

仔细观察，我们发现这个程序跟上一节数字输入中的程序非常类似，我们只是在这基础之上加了几行代码。这里只讲差异部分。

首先在程序开头，定义了 LED 灯的引脚编号，我们将 LED 灯通过扩展板接在掌控板的 P0 引脚，这个与定义按键 A 引脚编号的方法一致。

// 设置 LED 灯的引脚编号
const int ledPin = P0;

然后在 setup() 初始化函数中设置了 LED 连接的引脚为输出模式 OUTPUT，这个与设置按键 A 的方法也一样，只不过一个是 LED 设置为输出模式、按键 A 设置为输入模式。

// 初始化 LED 对应的引脚为输出模式
pinMode(ledPin, OUTPUT);

然后在 loop() 函数中，当检测到按键 A 被按下时，点亮 LED，否则熄灭 LED 灯。点亮 LED 灯的代码为：

digitalWrite(ledPin, HIGH);

熄灭 LED 灯的代码为：

digitalWrite(ledPin, LOW);

将程序上传到掌控板，按下按键 A，看看 LED 灯是否点亮了呢？松开按键 A 呢？

试一试：改写程序，实现：按下按键 A，点亮 LED 灯；按下按键 B，熄灭 LED 灯。

# 模拟输入

讲完数字输入、数字输出，我们再来看一看模拟输入。模拟输入是相对数字输入来说的，数字输入只要 2 种状态，但是模拟输入有很多种连续的状态，比如各种旋钮、温度值等。

在掌控板上也有 2 个模拟输入传感器：声音传感器与光线传感器。下面我们以声音传感器为例，讲一讲模拟输入的程序编写方法。

// 设置掌控板声音传感器引脚编号
const int soundPin = P10;
// 设置声音大小值变量
int soundValue = 0;


void setup() 
  // 初始化串口监视器
  Serial.begin(9600);
  // 初始化声音传感器引脚为输入模式
  pinMode(soundPin, INPUT);



void loop() 
  // 读取声音传感器的值
  soundValue = analogRead(soundPin);
  // 串口监视器中打印声音传感器的值
  Serial.println(soundValue);


  delay(10);

这个程序与数字输入部分的程序也是非常类似的。

在程序开头，定义了两个变量，用来设置声音传感器的引脚编号、声音传感器的值。

// 设置掌控板声音传感器引脚编号
const int soundPin = P10;
// 设置声音大小值变量
int soundValue = 0;

接着在 setup() 初始化函数中，初始化串口监视器和声音传感器的引脚模式：

// 初始化串口监视器
Serial.begin(9600);
// 初始化声音传感器引脚为输入模式
pinMode(soundPin, INPUT);

接着在 loop() 函数中读取声音的值，并且在串口监视器中打印出来。读取模拟量的函数为 analogRead()。

// 读取声音传感器的值
soundValue = analogRead(soundPin);
// 串口监视器中打印声音传感器的值
Serial.println(soundValue);
delay(10);

将程序上传到掌控板中，打开串口监视器，对着声音传感器说话，我们看看效果。

我们还可以以曲线图的形式，将声音传感器数据的变化展现出来。在 Arduino IDE 菜单栏中，依次点击：工具 → 串口绘图器，打开串口绘图器，对着声音传感器说话，看看曲线图变化吧。

试一试：改写程序，让程序同时也可以读取光线传感器的值，看看串口绘图器会输出什么信息呢？

# 模拟输出

你有没有注意到，有些人家里的电灯，亮度是可以调节的？这个其实就是模拟输出。相比于数字输出只有两种状态，模拟输出可以有连续的多种状态。

由于在 Arduino IDE 中，用掌控板自带的函数功能实现模拟输出比较复杂。因此我们这里调用别人做好的适用于掌控板 ESP32 的模拟输出函数库。函数库下载地址为：

https://github.com/ERROPiX/ESP32_AnalogWrite

我们要先将这个库导入到 Arduino IDE 中。这个库的功能是可以让掌控板像 Arduino 一样，方便的使用模拟输出功能，有个这个库，掌控板模拟输出的语法，就跟 Arduino 完全一样了。

这里以控制 LED 灯实现呼吸灯效果为例，完整的程序如下：

#include <Arduino.h>
#include <analogWrite.h>


// 设置 LED 灯引脚编号
const int ledPin = P0;


void setup() 
  // 初始化 LED 灯引脚为输出模式
  pinMode(ledPin, OUTPUT);



void loop() 
  for (int brightness = 0; brightness <= 255; brightness++) 
    analogWrite(ledPin, brightness);
    delay(5);
  


  for (int brightness = 255; brightness >= 0; brightness--) 
    analogWrite(ledPin, brightness);
    delay(5);
  

在程序最开始，我们先引入两个头文件，在头文件中定义了实现模拟输出相关的功能函数。然后定义了 LED 灯的引脚编号。

#include <Arduino.h>
#include <analogWrite.h>


// 设置 LED 灯引脚编号
const int ledPin = P0;

接着在 setup() 函数中设置 LED 灯引脚为输出模式。

然后在 loop() 函数中，通过 for 循环结构，控制 LED 灯由暗变亮，再由亮变暗。亮度通过局部变量 brightness 来设置。

for (int brightness = 0; brightness <= 255; brightness++) 
  analogWrite(ledPin, brightness);
  delay(5);



for (int brightness = 255; brightness >= 0; brightness--) 
  analogWrite(ledPin, brightness);
  delay(5);

将程序上传到掌控板中，LED 灯是不是呈现呼吸灯闪烁变化的样子？说明程序编程成功了。

# 总结

在本章中，我们学习了：

• 如何查阅掌控板各引脚相应的资源配置；

• 数字量与模拟量的区别；

• 简单的数字输入、数字输出、模拟输入、模拟输出的程序编写；

• Arduino IDE 的基本使用方法。

学习了这些基础内容之后，就可以学习后面更加进阶的内容啦，其实进阶内容与入门内容类似，都是由一个个小功能组成的，有了这些基础功能的组合，通过不同的排列组合和逻辑设置，就可以实现各种好玩的创意啦！

我们下期见！如果本文对你有帮助的话，点个“ 在看 ”支持一下喽。

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