控制 GPIO 输出 - 点亮 LED

罗大富 BigRich大约 5 分钟ESP32Python

不论学习什么单片机,最简单的外设莫过于 IO 口的高低电平控制 LED,本节课将向大家介绍如何使用 MicroPython 控制 ESP32 的 GPIO 输出。通过本节课的学习,让大家对 MicroPython 的程序架构有一定的认识,为以后大型项目程序学习打下基础,增强信心。

实验原理

1. GPIO 引脚

引脚又叫管脚,英文叫 Pin, 就是从集成电路(芯片以及一些电子元件)内部电路引出与外围电路的接线的接口。

在我们的 ESP32 开发板上, 我们可以把这些称为引脚, 这些引脚其实是从 ESP32 芯片内部引出来的, 我们可以看到每个引脚都标了自己独特的名字。

其中有一类引脚叫 GPIO 引脚, 负责输入/输出电压。开发板上 D 开头的引脚都是这种引脚, 比如 D2、D4、D15 等等

输入我们暂时不讲,这里我们先讲一下输出,简单来说,每个 GPIO 都可以输出高低电平。

什么是电平?

电路上某点的电压(对公共参考点)或电位是高还是低。比如在逻辑电路中,高于某个数值的电位称其为高电位,或高电平,低于某个数值的,为低电位或低电平。比如 ESP32 中,高电平的数值大于2.5V,低电平的数值小于0.5V,具体的数值最好通过测试研究来确定。

2. LED

LED(light-emitting diode) 即发光二极管。它具有单向导电性,通过 5mA 左右电流即可发光,电流越大,其亮度越强,但若电流过大,会烧毁二极管,一般我们控制在 3mA-20mA 之间,通常我们会在 LED 管脚上串联一个电阻,目的就是为了限制通过发光二极管的电流不要太大,因此这些电阻又可以称为限流电阻。当发光二极管发光时,测量它两端电压约为 1.7V,这个电压又叫做发光二极管的导通压降

发光二极管正极又称阳极,负极又称阴极,电流只能从阳极流向阴极。直插式发光二极管长脚为阳极,短脚为阴极。

硬件电路设计

物料清单(BOM 表):

材料名称数量
直插式 LED1
1kΩ 电阻1
杜邦线(跳线)若干
面包板1

LED 的正极接开发板的 D12 引脚,并串联一个电阻,负极接 GND,如下图:

注意

一定要接电阻,不然会由于电流过大,烧坏 LED。

软件设计

Pin 引脚类

MicroPython 中可使用 machine 模块中的 Pin 模块对 GPIO 输出控制。其构造方法如下:

构造函数 Pin(id, mode=-1, pull=-1, value, drive, alt):访问与给定 id 引脚. 如果在构造函数中给出了额外的参数,那么它们将用于初始化引脚。任何未指定的设置将保持其先前状态。

  • id 是必填项,用于指定引脚,注意:可用的引脚范围是:0-19,21-23,25-27,32-39。
  • mode 指定引脚模式,可以是 Pin.IN 输入引脚,Pin.OUT
  • pull 指定引脚是否连接了(弱)上拉电阻,并且可以是 None 没有上拉或下拉电阻,Pin.PULL_UP 上拉电阻,Pin.PULL_DOWN 下拉电阻。

其他参数在初级阶段涉及相对较少,更多内容可以参考官网文档open in new window

from machine import Pin

# 创建一个输出引脚在 0 引脚
p0 = Pin(0, Pin.OUT)

# 给 P0 引脚先输出低电平,再输出高电平
p0.value(0)
p0.value(1)

# 给 P0 引脚先输出低电平,再输出高电平,等同于 p0.value(0),p0.value(1)
p0.on()
p0.off()

# 在 P2 创建一个输入引脚,并设置上拉电阻
p2 = Pin(2, Pin.IN, Pin.PULL_UP)

# 打印 P2 的值
print(p2.value())

通过上面的文档我们知道,想要让一个引脚输出高电平,只需要找到对应的 GPIO 然后通过 on() 或者 value(1) 操作就可以,同理如果想要输出低电平让 LED 灯灭,只需要调用 off() 或者 value(0) 就行。

1. 点亮一颗 LED

因此,如果我们想要点亮这颗 LED 的话,只需要先构建引脚对象,然后给这个引脚赋值一个高电平即可。

from machine import Pin

# 构建 pin_12 引脚对象,GPIO12输出
pin_12 = Pin(12, Pin.OUT)

# 使 Pin2 输出高电平,点亮LED
pin_12.value(1)

通过 Thonny 编写上述代码,然后运行,此时会看到电路中的 LED 灯被点亮了。

2. 闪烁的 LED 灯

我们已经成功点亮一颗 LED 了,接下来,可以尝试一下稍微复杂一点的逻辑,比如让这颗 LED 闪烁。

实现 LED 闪烁的原理很简单,就是在循环语句中使用延时模块。先设置高电平,延时 X 秒,再设置低电平,延时 X 秒,之后就不断循环该语句即可。

在之前的 Python 入门教程 中,我们学习了 forwhile 两种循环语句,如果我们想要让灯泡一直闪烁,则需要设置无限循环,因此使用 while 更合适。

# 如果 while 的条件为 True,一直为真,就可以实现无限循环了。
while True:
    pass

Python 中用到延时,可使用 time 模块,time 模块中常用的几个延时函数使用如下:

# 导入 time 模块
import time

# 延时 0.5 秒
time.sleep(0.5)
# 延时 100 毫秒
time.sleep_ms(100)
# 延时 100 微秒
time.sleep_us(100)
# 获取毫秒计时器当前值
time_1 = time.ticks_ms()

注意

这里的 time 模块是 MicroPython 中的 time 模块,与 Python 中的不同,更多使用方法可以参考官方文档 MicroPython Time 模块open in new window

所以,我们的程序可以这么写:

# 导入time模块
import time
# 导入 Pin 模块
from machine import Pin

# 构建 P12 对象,GPIO12输出
pin_12 = Pin(12, Pin.OUT)  

# 永真循环
while True:
    # 使 P12 输出高电平,点亮 LED
    pin_12.on()
    # 延时 0.5 秒
    time.sleep(0.5)
    # 使 P12 输出低电平,熄灭 LED
    pin_12.off()
    time.sleep(0.5)

运行程序,LED 就闪烁了。

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贡献者: Luo