《Microduino实战》——3.5 I/O操作——现学现用

本节书摘来自华章出版社《Microduino实战》一 书中的第3章，第3.5节，作者：姚琪　杨立斌，更多章节内容可以访问云栖社区“华章计算机”公众号查看。

3.5　I/O操作——现学现用

上一节重点介绍了Microduino-Core的I/O引脚的物理功能以及在程序中对应的函数操作。接下来趁热打铁，将刚学的知识用起来。这也是本书的一大宗旨：强调动手实践，而非深入学习编程的语法或电子器件的原理，即在实践中学习，在学习中实践。
本节所用的示例是用I/O控制LED的亮度，以进一步熟悉I/O的控制。

1. 基本要求
   用两个按键调节LED的亮度，一个按键增加亮度，另一个减少亮度。
2. 基本原理
   按键就只有2种状态，按下和断开，如何将按键的两种状态转化成控制板能够识别的高低电平信号呢？

如图3-25所示，下降键采用内部的上拉，所以外部不需要添加电阻。当按下时，D5引脚直接连到GND低电平；而断开时，因为内部上拉的缘故，所以D5引脚接到了高电平。这就将按键的两种状态转化成了高低电平的变化了。

上升键则采用了外部下拉，通过一个电阻将D2引脚直接引到了GND上，所以断开时，D2引脚为低电平，而当按下时，直接接到了5V高电平。据此得出了如表3-2所示的映射关系。

小知识　简单介绍一下轻触开关的4个引脚的关系。如图3-25所示，1和2引脚是导通的，3和4引脚是导通的，如果按下，4个引脚导通。
明白了如何处理按键的状态之后，再看看PWM是如何调节LED的亮度的。
PWM全称为脉冲宽度调制，如图3-26所示。脉冲是指每个周期高电平的部分。所谓占空比就是方波的宽度占整个周期的百分比。比如占空比25%，就是说在一个周期内，有1/4的时间是高电平，而剩下的3/4是低电平。占空比0%就相当于输出低电平，而占空比100%则相当于输出高电平。

本例是D11口通过PWM直接驱动LED，当输出高电平时LED点亮，输出低电平时LED熄灭。可以很直观地想象，随着占空比的增加，高电平宽度越宽，LED会越亮。这就是用PWM控制LED的亮度的原理。
3.具体步骤

（1）搭建电路
根据上面提供的硬件清单和电路连接示意图搭建电路，并用USB线与计算机连接起来。
（2）编写并编译程序
程序中采用的是上一节提到的analogWrite(pin, val)函数，即用PWM控制LED的亮度，而用两个按键控制占空比的增加或者减少。
（3）程序清单

/* 功能描述：
* 用两个按键分别控制LED亮度，一个按键可以让灯逐渐变亮，另一个键正好相反
* *
* 引脚映射：
*   2    --> upKey, 即上升键状态输入口
*   5    --> downKey, 即下降键状态输入口
*   11   --> led, 即PWM控制输出口
*/
int upKey=2;
int downKey=5;
int led=11;
int n=0;
void setup ()
{
    pinMode(upKey,INPUT);                //设置upKey端口为输入
    pinMode(downKey,INPUT_PULLUP);        //设置downKey端口为内部上拉输入
    pinMode(led,OUTPUT);                //设置led端口为输出
    Serial.begin(9600);
}

void loop()
{
    int upState =digitalRead(upKey);        //读取上升键的状态
    int downState = digitalRead(downKey);    //读取下降键的状态   
    if (upState==HIGH)
    { 
        Serial.println("upKey is ON!");        //串口打印upKey的状态
        n=n+5;                    // 增加PWM的数值
        if (n>=255) {                //限定n<=255
            n=255;
    }
    analogWrite(led,n);    //使用PWM控制led端口输出，变量n的取值是0～255
Serial.println(n); 
    delay (300);        // 延时300ms
    }
    if (downState==LOW) 
    {
    Serial.println("downKey is ON!");        //串口打印downKey的状态
    n=n-5;                        // 减小PWM的数值
    if (n<=0) {                    //限定n>=0
        n=0;
    }
    analogWrite(led,n);    //使用PWM控制led端口输出，变量n的取值是0～255
    Serial.println(n);
    delay (300);        //延时300ms
    }
}

用容易理解的变量名去映射端口的地址，这样可以让程序更加容易理解，不易出错，而且也有利于软件和硬件的调试。
打开IDE输入代码并保存，然后单击下载即可。
（4）查看现象并调试
在IDE工具栏中打开串口监视器，在程序中串口波特率设置成了9600，所以在监视器窗口选择相应的速率。
试着按几下上升键和下降键，查看LED的亮度是否有变化，再查看串口打印出来的信息，如图3-27所示。

有兴趣的读者可以尝试如下的操作，看看会出现什么情况，再想想为什么，这些问题对硬件的了解和引脚的使用都会有帮助。
1）如果D2和D5的管脚悬空，会出现什么样的状况？
2）如果将pinMode （downKey,INPUT_PULLUP）换成pinMode （downKey,INPUT），又会出现什么样的情况？
3）在程序中，如果去掉delay （300）这样的延迟语句，又会出现什么样的现象？