《ESP32-S3使用指南—IDF版 V1.6》第十一章 KEY实验

第十一章 KEY实验

1）实验平台：正点原子DNESP32S3开发板

2）章节摘自【正点原子】ESP32-S3使用指南—IDF版 V1.6

3）购买链接：https://detail.tmall.com/item.htm?&id=768499342659

4）全套实验源码+手册+视频下载地址：http://www.openedv.com/docs/boards/esp32/ATK-DNESP32S3.html

5）正点原子官方B站：https://space.bilibili.com/394620890

6）正点原子DNESP32S3开发板技术交流群：132780729

在上一章，我们详细讲解了GPIO的输出模式，并演示了如何利用它来控制LED的亮灭。而在本章中，我们将重点关注GPIO的输入模式配置，学会如何获取外部的输入信号，例如检测按键的状态。通过学习本章内容，开发者将能够掌握GPIO作为输入模式的使用方法，进一步扩展其在嵌入式系统开发中的应用能力。
本章分为如下几个小节：
11.1独立按键基础知识
11.2硬件设计
11.3 程序设计
11.4 下载验证

11.1 独立按键基础知识

独立按键是一种简洁高效的输入设备，广泛应用于各类电子设备中，实现基础的用户交互功能。其工作原理主要基于机械开关的触发机制，当用户按下按键时，便能执行相应的操作。独立按键在尺寸、形状和颜色上都具有多样性，便于用户进行辨识和使用，满足不同场景下的需求。
1，独立按键原理
独立按键的原理主要依赖于机械触点和电气触点之间的相互作用。在未被按下时，触点保持分离状态，电路处于断开状态。然而，当用户按下按键时，在弹簧和导电片的共同作用下，触点会闭合，从而使电路连通。此时，微控制器能够检测到按键触发的信号，进而执行相应的操作。这种基于物理触点的设计使得独立按键既稳定又可靠，广泛应用于各种电子设备中。
2，消抖措施
机械按键在闭合与分开的过程中，由于机械振动（类似于弹簧效应）的存在，可能导致开关状态在短时间内频繁切换，这种现象被称为按键抖动。下图是独立按键抖动波形图。

图11.1.1 独立按键抖动波形图
图中的按下抖动和释放抖动的时间一般为5~10ms，如果在抖动阶段采样，其不稳定状态可能出现一次按键动作被认为是多次按下的情况。为了避免抖动可能带来的误操作，我们要做的措施就是给按键消抖（即采样稳定闭合阶段）。
为了消除这种抖动，我们通常采用软件消抖和硬件消抖两种主要方法：
（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。
我们例程中使用最简单的延时消抖。检测到按键按下后，一般进行10ms延时，用于跳过抖动的时间段，如果消抖效果不好可以调整这个10ms延时，因为不同类型的按键抖动时间可能有偏差。待延时过后再检测按键状态，如果没有按下，那我们就判断这是抖动或者干扰造成的；如果还是按下，那么我们就认为这是按键真的按下了。对按键释放的判断同理。

11.2 硬件设计

11.2.1例程功能

实验现象：按下BOOT按键可控制LED状态翻转。

11.2.2硬件资源

1. LED
   LED-IO1
2. 按键
   BOOT-IO0

11.2.3原理图

本章实验使用的一个ESP32-S3开发板板载按键：BOOT按键，其于板载MCU的连接原理图，如下图所示：

图11.2.3.1按键与MCU的连接原理图
从上面的原理图中可以看出，BOOT按键的一端连接到了电源负极，而另一端分别与MCU的BOOT引脚相连接，因此当按键被按下时，MCU对应的引脚都能够读取到低电平的状态，而当松开按键后，MCU对应的引脚读取到的电平状态却是不确定的，因此用于读取BOOT按键的BOOT引脚不仅要配置为输入模式，还需要配置成上拉。

11.3 程序设计

11.3.1 程序流程图

程序流程图能帮助我们更好的理解一个工程的功能和实现的过程，对学习和设计工程有很好的主导作用。下面看看本实验的程序流程图：

图11.3.1.1 KEY实验程序流程图

11.3.2 GPIO函数解析

GPIO函数已在10.3.2章节中详细阐述，为避免重复，此处不再赘述。建议读者查阅第十章的函数解析章节，以获取更多关于GPIO函数的信息。

11.3.3 KEY驱动解析

在IDF版的02_key例程中，作者在01_key\components\BSP路径下新增了一个KEY文件夹，用于存放key.c和key.h这两个文件。其中，key.h文件负责声明KEY相关的函数和变量，而key.c文件则实现了KEY的驱动代码。下面，我们将详细解析这两个文件的实现内容。
1，key.h文件

/* 引脚定义 */
#define BOOT_GPIO_PIN   GPIO_NUM_0
/*IO操作*/
#define BOOT            gpio_get_level(BOOT_GPIO_PIN)
/* 按键按下定义 */
#define BOOT_PRES       1      /* BOOT按键按下 */
/* 函数声明 */
void key_init(void);            /* 初始化按键 */
uint8_t key_scan(uint8_t mode); /* 按键扫描函数 */

此文件的核心内容已较为明确，无需过多阐述。它主要定义了BOOT宏，用于获取IO0的状态，并声明了key_init和key_scan函数，以便外部文件能够调用这些函数。通过这些声明和定义，该文件为其他部分的代码提供了必要的接口和功能支持。
2，key.c文件
此文件中定义了两个函数，分别为key_init和key_scan。接下来，我将对这两个函数进行详细的解析。
（1）key_init函数

/**
*@brief       初始化按键
*@param       无
*@retval      无
*/
void key_init(void)
{
   gpio_config_t gpio_init_struct;
   gpio_init_struct.intr_type = GPIO_INTR_DISABLE;        /* 失能引脚中断 */
   gpio_init_struct.mode = GPIO_MODE_INPUT;                /* 输入模式 */
   gpio_init_struct.pull_up_en = GPIO_PULLUP_ENABLE;       /* 使能上拉 */
   gpio_init_struct.pull_down_en = GPIO_PULLDOWN_DISABLE;  /* 失能下拉 */
   gpio_init_struct.pin_bit_mask = 1ull << BOOT_GPIO_PIN;  /* BOOT按键引脚 */
   gpio_config(&gpio_init_struct);                         /* 配置使能 */
}

该函数主要配置IO0管脚为输入模式，这样就可以获取IO0的电平状态了。
（2）key_scan函数

/**
*@brief       按键扫描函数
*@param       mode:0 / 1, 具体含义如下:
*             0,  不支持连续按(当按键按下不放时, 只有第一次调用会返回键值,
*                  必须松开以后, 再次按下才会返回其他键值)
*             1,  支持连续按(当按键按下不放时, 每次调用该函数都会返回键值)
*@retval      键值, 定义如下:
*             BOOT_PRES, 1, BOOT按下
*/
uint8_t key_scan(uint8_t mode)
{
    uint8_t keyval = 0;
    static uint8_t key_boot = 1;    /* 按键松开标志 */
    if(mode)
    {
       key_boot = 1;
    }
    if (key_boot && (BOOT == 0))    /* 按键松开标志为1，且有任意一个按键按下了 */
    {
       vTaskDelay(10);             /* 去抖动 */
       key_boot = 0;
       if (BOOT == 0)
       {
           keyval = BOOT_PRES;
       }
    }
    else if (BOOT == 1)
    {
       key_boot = 1;
    }
    return keyval;                  /* 返回键值 */
}

此函数只有一个形参mode，用于设置按键是否支持连续按下模式。当mode为0时，表示按键不支持连续按下；反之，则支持连续按下。值得注意的是，该函数内部已经对按键进行了消抖延时处理，因此，在其他地方调用此函数时，无需再进行额外的按键消抖操作。

11.3.4 CMakeLists.txt文件

打开本实验BSP下的CMakeLists.txt文件，其内容如下所示：

set(src_dirs
           KEY
           LED)
set(include_dirs
           KEY
           LED)
set(requires
           driver)
idf_component_register(SRC_DIRS ${src_dirs}
INCLUDE_DIRS ${include_dirs} REQUIRES ${requires})
component_compile_options(-ffast-math -O3 -Wno-error=format=-Wno-format)

上述的红色KEY驱动需要由开发者自行添加，以确保KEY驱动能够顺利集成到构建系统中。这一步骤是必不可少的，它确保了KEY驱动的正确性和可用性，为后续的开发工作提供了坚实的基础。

11.3.5 实验应用代码

打开main/main.c文件，该文件定义了工程入口函数，名为app_main。该函数代码如下。

/**
*@brief       程序入口
*@param       无
*@retval      无
*/
void app_main(void)
{
    uint8_t key;
   esp_err_t ret;
   
    ret=nvs_flash_init();     /* 初始化NVS */
if (ret == ESP_ERR_NVS_NO_FREE_PAGES
|| ret ==ESP_ERR_NVS_NEW_VERSION_FOUND)
    {
       ESP_ERROR_CHECK(nvs_flash_erase());
       ret =nvs_flash_init();
    }
   led_init();                 /* 初始化LED */
   key_init();                 /* KEY初始化 */
    while(1)
    {
       key = key_scan(0);      /* 获取键值 */
       switch (key)
       {
           case BOOT_PRES:     /* BOOT被按下 */
           {
                LED_TOGGLE();   /* LED状态翻转 */
                break;
           }
           default:
           {
                break;
           }
       }
       vTaskDelay(10);
    }
}

可以看到应用代码中，在初始化完LED和按键后，就进入了一个while循环，在循环中，每间隔10毫秒就调用key_scan()函数扫描以此按键的状态，如果扫描到BOOT按键被按下，则反转对应LED的亮灭状态。

11.4 下载验证

在完成编译和烧录操作后，可以看到板子上的LED是处于亮起的状态，若此时按下并释放一次BOOT按键，则能够看到LED的亮灭状态发生了一次翻转，与预期的实验现象效果相符。