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外观

4. 按键点灯 ​

4.1 独立按键基础知识 ​

独立按键是一种简单的输入设备，广泛应用于各种电子设备中，用于实现基本的用户交互。它们的工作原理通常基于一个简单的机械开关，当按下按键时触发某些操作。独立按键可以有多种尺寸、形状和颜色，便于用户辨识和使用。

4.2 独立按键结构组成 ​

独立按键的主要结构组成包括：按钮、外壳、弹簧、触点、导电片和引脚。当按下按键时，导电片触碰到触点，从而形成一个闭合电路。

4.3 独立按键原理 ​

独立按键原理主要是基于机械触点和电气触点之间的关系。当按键未被按下时，通常触点是分开的，电路是断开的。当用户按下按键时，触点在弹簧和导电片的作用下形成闭合，这时电路连通，微控制器能够读取到该按键触发的信号。

4.4 消抖措施 ​

由于机械按键在闭合和分开时可能产生的机械振动(相当于弹簧)，导致开关状态在短时间内多次变换，这就是按键抖动现象。消抖措施主要分为软件消抖和硬件消抖：

  1. 软件消抖：主要是通过编程的方法，设定一个延迟或计时器，确保在一定的时间内只读取一次按键状态，避免抖动对程序的影响。
  2. 硬件消抖：在按键电路中加入元器件如电阻、电容组成的RC低通滤波器，对按键信号进行平滑处理，降低抖动的影响。

4.5 独立按键驱动原理 ​

独立按键驱动是为了让微控制器能识别按键的状态，而微控制器正好可以识别高电平和低电平，所以大多数的按键都是通过给按键的一端接入高电平，一端接入GPIO；或者是给按键的一端接入低电平，一端接入GPIO。通过检测连接按键的引脚有没有发生电平变化，就可以知道按键是否按下。

4.6 独立按键原理图 ​

开发板原理图中，将按键一端通过上拉电阻R14接到的3.3V的高电平和引脚GPIO0上，另一端接到了GND（低电平）。将开发板的按键电路简化，得到下图。

开发板一上电，GPIO0引脚就会因为R14这个上拉电阻变为高电平，所以当按键没有按下的时候，GPIO0引脚默认为高电平；当按键按下时，因为按键闭合，GPIO0通过按键接到了GND上，所以GPIO0变为了低电平；

4.7 独立按键驱动流程 ​

使用按键可以分为以下几个步骤：

  1. 配置 GPIO 为输入模式
    在 ESP32 上所有的 IO 口都是通过 GPIO 来进行控制的，因此我们需要将需要使用的 GPIO 配置为输入模式，以检测按键的状态。
    例如，如果我们需要使用 GPIO0 来检测按键状态，可以通过以下方式来将其配置为输入模式：
c
gpio_config_t io_conf;                        //定义GPIO初始化结构体
io_conf.mode = GPIO_MODE_INPUT;               //输入模式
io_conf.pull_up_en = GPIO_PULLUP_ENABLE;      //使能上拉
io_conf.pin_bit_mask = (1ULL<<GPIO_NUM_0);    //设置引脚为GPIO0
gpio_config(&io_conf);                        //将以上配置写入寄存器

这里的 pin_bit_mask 表示开启的 GPIO 引脚 Bit mask，因为 ESP32 支持一次配置多个 GPIO 引脚，使用 Bit mask 来指定需要配置的 GPIO 引脚。
主要修改的地方就是 .mode = GPIO_MODE_INPUT； 将GPIO模式修改为输入模式，其余与LED章节一致；
2. 轮询检测按键状态
在配置好 GPIO 之后，我们需要不断轮询检测按键状态，以获取按键事件并执行相应的操作。
我们可以通过如下代码来获取 GPIO0 引脚的状态：

c
if(gpio_get_level(0) == 0)
{
    // 如果 GPIO0 对应的引脚逻辑为 0，则表示按键被按下
    // 执行相应操作
}

gpio_get_level() 是一个 ESP-IDF 中的函数，用于获取指定 GPIO 引脚的逻辑电平。
函数原型如下：

c
int gpio_get_level(gpio_num_t gpio_num);

参数 gpio_num 表示需要获取电平的 GPIO 引脚编号，类型为 gpio_num_t。
函数返回值为 int 类型，表示指定 GPIO 引脚的逻辑电平。返回值为 0 表示引脚为低电平 (logic level 0)，返回值为 1 表示引脚为高电平 (logic level 1)。
注意事项：

  • 使用 gpio_get_level() 函数之前，需要先配置对应的 GPIO 引脚为输入模式，否则可能会得到错误的电平值。
  • 在读取 GPIO 电平之前，需要知道GPIO是否有设置上下拉电阻，以确保在未连接按键时能够正确读取电平状态。例如，假设设置为了下拉电阻，再使用语句 if(gpio_get_level(0) == 0) 则无法判断，因为该因为下拉电阻的存在，导致引脚一直是低电平。
  1. 如有按键抖动现象，应用消抖措施
    按键需要消抖是因为它可能会在按下或松开时产生抖动现象。当我们按下一个机械按键时，机械部件的接触可能会因为各种因素导致颤动，这就会导致按键连接的电路在短时间内产生多次开关状态的切换。这种切换会导致系统错误地认为按键被按下了多次，造成按键操作的重复执行或干扰其他命令的执行。消抖的作用是在按键信号产生时，瞬间过滤掉抖动信号，确保只有一个有效的按键信号被识别响应，避免误操作。
    为了解决按键抖动问题，我们可以使用软件或硬件方案实现按键消抖。在软件方案中，通过设定一定的抖动消除时间和处理逻辑，使得按键信号被按下和松开的变化稳定处理为一个有效信号。
c
        //如果按键按下使GPIO0为低电平
        if( gpio_get_level(0) == 0 )
        {
            //延时100ms,等待按键抖动的时间过去
            vTaskDelay(100 / portTICK_PERIOD_MS);
            //点亮LED，LED引脚为GPIO48
            gpio_set_level(48, 0);
        }

以上是最简单的一种延时消抖方法，还有很多种消抖方式。

  • 状态判断消抖：在按键信号改变时，记录按键状态，并在一段时间内持续检测按键的状态。只有在状态持续稳定一段时间后，才认定为有效的按键触发。这可以通过比较多次采样的结果来实现。
  • 滑动窗口消抖：使用一个滑动窗口来记录按键触发的历史状态。在每次检测按键状态时，计算窗口内按键状态的平均值或多数票决，只有当平均值或多数票决结果表示按键稳定时，才认定为有效的按键触发。
  • 边缘触发消抖：检测按键信号的上升沿和下降沿（也称为边缘触发）。只有在检测到一个边缘触发后，在一段时间内不再检测到其他边缘触发，才认定为有效的按键触发。 在硬件消抖方案中，通过在电路中添加RC电路、滤波器等元件进行抖动滤波，也可以实现减少抖动信号的作用。注意是减少，不是消除。

4.8 按键点灯验证 ​

设置LED引脚为输出模式，设置按键引脚为输入模式。当按键按下时，先进行按键消抖，再判断一次是否按下按键。确定按下按键后将执行LED状态变化的操作。（关于LED的代码请参考LED章节。）
创建两个文件，bsp_key.c和bsp_key.h。加入头文件路径。

在 bsp_key.c 中编写以下代码：

c
#include "bsp_key.h"

//配置引脚寄存器
#define GPIO_INPUT_PIN_SEL  (1ULL<<KEY_PIN)

/**
 * @函数说明        按键引脚初始化
 * @传入参数        无
 * @函数返回        无
 */
void KeyGpioConfig(void)
{
    //初始化GPIO配置结构 为 零
    gpio_config_t io_conf = {};
    //失能中断
    io_conf.intr_type = GPIO_INTR_DISABLE;
    //设置输入引脚
    io_conf.pin_bit_mask = GPIO_INPUT_PIN_SEL;
    //设置输入模式
    io_conf.mode = GPIO_MODE_INPUT;
    //使能上拉电阻
    io_conf.pull_up_en = 1;
    //失能下拉电阻
    io_conf.pull_down_en = 0;
    ////用给定的设置配置GPIO
    gpio_config(&io_conf);
}

/**
 * @函数说明        获取按键引脚上的电平状态
 * @传入参数        无
 * @函数返回        0=按键被按下    1=按键没有被按下
 */
bool GetKeyValue(void)
{
    //如果按键状态为0
    if( gpio_get_level(KEY_PIN) == 0 )
    {
        //延时消抖，使用该延时需要加入对应头文件
        vTaskDelay(100 / portTICK_PERIOD_MS);
        // 如果按键状态还是0，说明按键真的按下
        if( gpio_get_level(KEY_PIN) == 0 )
        {
            return 0;
        }
    }
    return 1;
}

在 bsp_key.h 中编写以下代码：

c
#ifndef _BSP_KEY_H_
#define _BSP_KEY_H_

#include "driver/gpio.h"
#include "freertos/FreeRTOS.h"
#include "freertos/task.h"

//设置按键的引脚
#define KEY_PIN     0

/**
 * @函数说明        按键引脚初始化
 * @传入参数
 * @函数返回
 */
void KeyGpioConfig(void);

/**
 * @函数说明        获取按键引脚上的电平状态
 * @传入参数        无
 * @函数返回        0=按键被按下    1=按键没有被按下
 */
bool GetKeyValue(void);

#endif

在 main.c 中编写以下代码：

c
#include "freertos/FreeRTOS.h"
#include "freertos/task.h"

#include "bsp_led.h"
#include "bsp_key.h"

void app_main(void)
{
    int cnt = 0;
    //LED初始化
    LedGpioConfig();
    //按键初始化
    KeyGpioConfig();

    while(1) {
        //因ESP32S3采用的是RTOS方式运行，必须在死循环中加入延时让其能够正常运转
        vTaskDelay(20 / portTICK_PERIOD_MS);

        //如果按键有按下
        if( GetKeyValue() == 0 )
        {
            //使LED状态取反。LED引脚为GPIO48
            gpio_set_level(LED_PIN, cnt = !cnt);
        }
    }
}

WARNING

📌 为什么要在死循环中加入延时？

在 ESP32 的 ESP-IDF 环境下，死循环本身并不需要加上延时。死循环是指在程序中出现了一个循环结构，其中的条件永远为真，导致程序一直在该循环中执行，而无法继续往后执行其他代码。
然而，为了避免死循环对系统产生过大的负荷，核心代码部分启动了看门狗，用于监视程序的运行状态。如果程序在某个任务或死循环中占用 CPU 时间过长，没有及时喂狗（即复位 Watchdog 定时器），就会导致 Watchdog 定时器超时，进而触发系统重启。故一般使用时需要加入延时，释放CPU。这是为了让系统有一定的空闲时间去处理其他任务，也可以说是通过添加延时来减轻系统的负荷。
在死循环中加入延时可以避免 CPU 过度占用，在单核系统上尤为重要。即使当前任务无法继续执行，通过加入延时可以给其他任务腾出时间片来执行，从而保证系统的相对平滑运行。
示例代码如下，展示了一个带有延时的死循环：

c
while(1) {
    // 执行某些任务

    vTaskDelay(10 / portTICK_PERIOD_MS); // 延时 10 毫秒
}

这段代码中，使用了 FreeRTOS 的 vTaskDelay() 函数，它会暂停当前任务一段指定的时间，让出 CPU 的执行权。通过适当调整延时的时间，可以控制死循环中的任务执行速率，避免过度占用 CPU。

4.9 按键点灯效果 ​

按下按键灯亮，再按下按键灯灭，如此反复。