ESP32零基础教学第二章： 2.2 GPIO操作

ESP32 GPIO操作详解：从点亮LED到外部中断

ESP32是一款功能强大的微控制器，广泛应用于物联网、智能家居和嵌入式系统中。其GPIO（General Purpose Input/Output）引脚可以配置为输入或输出模式，支持数字和模拟信号的处理。本文将详细介绍ESP32的GPIO操作，包括数字输入输出、模拟输入输出以及外部中断的使用，并配有相关图片帮助理解。

---

2.2.1 GPIO简介

GPIO是通用输入输出引脚，可以配置为输入或输出模式。在ESP32中，GPIO引脚可以用于控制LED、读取按键状态、采集模拟信号等。

GPIO模式

• 输入模式：用于读取外部信号，如按键状态。
• 输出模式：用于控制外部设备，如点亮LED。

ESP32的GPIO引脚还支持内部上拉或下拉电阻，可以在配置时启用。

---

2.2.2 数字输入输出

2.2.2.1 点亮LED

硬件连接：

• 将LED的正极（长脚）连接到ESP32的GPIO引脚（如GPIO2）。
• 将LED的负极（短脚）通过一个220Ω电阻连接到GND。

代码实现：

#define LED_PIN 2  // 定义LED连接的GPIO引脚为GPIO2

void setup() {
  pinMode(LED_PIN, OUTPUT); // 配置GPIO2为输出模式
}

void loop() {
  digitalWrite(LED_PIN, HIGH); // 将GPIO2设置为高电平，点亮LED
  delay(1000);                // 延时1秒
  digitalWrite(LED_PIN, LOW);  // 将GPIO2设置为低电平，熄灭LED
  delay(1000);                // 延时1秒
}

函数说明：

1. pinMode(pin, mode)

   • 作用：配置指定GPIO引脚的工作模式。
   • 参数：
     • pin：GPIO引脚编号（如2）。
     • mode：引脚模式，可以是INPUT（输入模式）或OUTPUT（输出模式）。
   • 示例：pinMode(LED_PIN, OUTPUT); 将GPIO2配置为输出模式。

2. digitalWrite(pin, value)

   • 作用：设置指定GPIO引脚的电平状态。
   • 参数：
     • pin：GPIO引脚编号。
     • value：电平状态，可以是HIGH（高电平）或LOW（低电平）。
   • 示例：digitalWrite(LED_PIN, HIGH); 将GPIO2设置为高电平。

3. delay(ms)

   • 作用：延时指定毫秒数。
   • 参数：
     • ms：延时的毫秒数。
   • 示例：delay(1000); 延时1秒。

效果：
LED会每隔1秒闪烁一次。

---

2.2.2.2 按键控制LED

硬件连接：

• 将按键的一端连接到ESP32的GPIO引脚（如GPIO4）。
• 将按键的另一端连接到GND。
• 在GPIO4和VCC之间连接一个10kΩ上拉电阻。

代码实现：

#define BUTTON_PIN 4  // 定义按键连接的GPIO引脚为GPIO4
#define LED_PIN 2     // 定义LED连接的GPIO引脚为GPIO2

void setup() {
  pinMode(BUTTON_PIN, INPUT); // 配置GPIO4为输入模式
  pinMode(LED_PIN, OUTPUT);   // 配置GPIO2为输出模式
}

void loop() {
  if (digitalRead(BUTTON_PIN) == LOW) { // 检测按键是否按下
    digitalWrite(LED_PIN, HIGH);       // 点亮LED
  } else {
    digitalWrite(LED_PIN, LOW);        // 熄灭LED
  }
}

函数说明：

1. digitalRead(pin)
   • 作用：读取指定GPIO引脚的电平状态。
   • 参数：
     • pin：GPIO引脚编号。
   • 返回值：HIGH（高电平）或LOW（低电平）。
   • 示例：digitalRead(BUTTON_PIN) 读取GPIO4的电平状态。

效果：
按下按键时，LED点亮；松开按键时，LED熄灭。

---

2.2.3 模拟输入输出

2.2.3.1 ADC（模拟输入）

ESP32内置12位ADC（模数转换器），可以将模拟信号转换为数字值。

硬件连接：

• 将电位器的中间引脚连接到ESP32的ADC引脚（如GPIO34）。
• 将电位器的另外两个引脚分别连接到VCC和GND。

代码实现：

#define ADC_PIN 34  // 定义电位器连接的ADC引脚为GPIO34

void setup() {
  Serial.begin(115200); // 初始化串口通信，波特率为115200
}

void loop() {
  int adcValue = analogRead(ADC_PIN); // 读取GPIO34的ADC值
  Serial.println(adcValue);          // 将ADC值打印到串口监视器
  delay(500);                         // 延时500毫秒
}

函数说明：

1. Serial.begin(baudrate)

   • 作用：初始化串口通信。
   • 参数：
     • baudrate：波特率，常用值为9600、115200等。
   • 示例：Serial.begin(115200); 初始化串口通信，波特率为115200。

2. analogRead(pin)

   • 作用：读取指定ADC引脚的模拟值。
   • 参数：
     • pin：ADC引脚编号（如34）。
   • 返回值：0到4095之间的整数（12位ADC）。
   • 示例：analogRead(ADC_PIN) 读取GPIO34的ADC值。

3. Serial.println(value)

   • 作用：将数据打印到串口监视器，并换行。
   • 参数：
     • value：要打印的数据，可以是整数、字符串等。
   • 示例：Serial.println(adcValue); 打印ADC值并换行。

效果：
旋转电位器时，串口监视器会显示变化的ADC值。

---

2.2.3.2 DAC（模拟输出）

ESP32内置8位DAC（数模转换器），可以将数字值转换为模拟信号。

硬件连接：

• 将LED的正极连接到ESP32的DAC引脚（如GPIO25）。
• 将LED的负极通过一个220Ω电阻连接到GND。

代码实现：

#define DAC_PIN 25  // 定义LED连接的DAC引脚为GPIO25

void setup() {
  // 无需配置，DAC引脚默认启用
}

void loop() {
  for (int i = 0; i < 255; i++) {
    dacWrite(DAC_PIN, i); // 输出模拟信号，值从0到255
    delay(10);            // 延时10毫秒
  }
}

函数说明：

1. dacWrite(pin, value)
   • 作用：输出模拟信号到指定DAC引脚。
   • 参数：
     • pin：DAC引脚编号（如25）。
     • value：输出值，范围为0到255（8位DAC）。
   • 示例：dacWrite(DAC_PIN, i); 输出模拟信号到GPIO25。

效果：
LED的亮度会逐渐变化。

---

2.2.4 外部中断

ESP32支持外部中断，可以在引脚状态变化时触发中断函数。

2.2.4.1 按键触发中断

硬件连接：

• 将按键的一端连接到ESP32的GPIO引脚（如GPIO4）。
• 将按键的另一端连接到GND。
• 在GPIO4和VCC之间连接一个10kΩ上拉电阻。

代码实现：

#define BUTTON_PIN 4  // 定义按键连接的GPIO引脚为GPIO4
#define LED_PIN 2     // 定义LED连接的GPIO引脚为GPIO2

void IRAM_ATTR buttonISR() {
  digitalWrite(LED_PIN, !digitalRead(LED_PIN)); // 切换LED状态
}

void setup() {
  pinMode(BUTTON_PIN, INPUT); // 配置GPIO4为输入模式
  pinMode(LED_PIN, OUTPUT);   // 配置GPIO2为输出模式
  attachInterrupt(digitalPinToInterrupt(BUTTON_PIN), buttonISR, FALLING); // 配置下降沿触发中断
}

void loop() {
  // 主循环无需操作
}

函数说明：

1. IRAM_ATTR

   • 作用：将函数放置在IRAM（指令RAM）中，确保中断函数能够快速执行。
   • 示例：void IRAM_ATTR buttonISR() 将中断函数buttonISR放置在IRAM中。

2. attachInterrupt(pin, ISR, mode)

   • 作用：为指定GPIO引脚配置中断。
   • 参数：
     • pin：中断引脚编号，使用digitalPinToInterrupt(pin)获取。
     • ISR：中断服务函数，当中断触发时调用。
     • mode：中断触发模式，可以是RISING（上升沿）、FALLING（下降沿）或CHANGE（状态变化）。
   • 示例：attachInterrupt(digitalPinToInterrupt(BUTTON_PIN), buttonISR, FALLING); 配置GPIO4在下降沿触发中断。

3. digitalPinToInterrupt(pin)

   • 作用：将GPIO引脚编号转换为中断编号。
   • 参数：
     • pin：GPIO引脚编号。
   • 返回值：中断编号。
   • 示例：digitalPinToInterrupt(BUTTON_PIN) 获取GPIO4的中断编号。

效果：
每次按下按键时，LED的状态会切换。

---

总结

本文详细介绍了ESP32的GPIO操作，包括数字输入输出、模拟输入输出以及外部中断的使用。通过实际代码和硬件连接示例，读者可以快速掌握ESP32的基本功能。希望本文对你有所帮助！如果有任何问题，欢迎在评论区留言。