ESP32 教學系列(四)：數位輸入與輸出 – 實作篇

一、前言

上篇說明了 ESP32 的腳位和 GPIO 的功能與注意事項，本篇將以兩個簡單的範例說明如何使用 Arduino Framework 控制 ESP32 開發板的數位輸入與輸出，以及如何使用內建的上拉與下拉電阻簡化電路。

材料清單

二、數位輸出

語法說明

要控制數位輸出，會用到兩個函式語法：pinMode、digitalWrite。

pinMode
pinMode 函式用來定義 GPIO 接腳的操作模式。

pinMode(GPIO Pin, MODE);

參數說明：

GPIO Pin : GPIO 接腳編號

MODE : 接腳的操作模式

操作模式共有四種，可以是 OUTPUT（輸出模式）、INPUT（輸入模式）、INPUT_PULLUP（上拉輸入模式），或INPUT_PULLDOWN（下拉輸入模式）。

digitalWrite digitalWrite 函式用來設定 GPIO 接腳的輸出狀態，只有在 pinMode 函式設定成 OUTPUT（輸出模式）時才能使用。

digitalWrite(GPIO Pin, STATE);

參數說明：

GPIO Pin : GPIO 接腳編號

STATE : 接腳的電位，有 HIGH(3.3 V)和LOW (0 V)兩種狀態。

💡 Tips

在使用輸出腳位連接其他元件時建議加上限流電阻，以免損壞接腳或元件。

範例1：閃爍 LED 燈

讓我們以閃爍 LED 燈為例，說明如何控制 GPIO 的數位輸出功能。

元件連接示意圖

接線圖

範例程式碼

執行結果

三、數位輸入

要讓 ESP32 獲得感測器資料或是外部資訊時，就需要將接腳設定為輸入模式。

將接腳設定為輸入狀態時一樣要使用到 pinMode 語法，詳細的參數與用途可以參考前面的說明。讀取腳位狀態則要用到 digitalRead 語法。

digitalRead
digitalRead 函式的用途是將 GPIO 接腳設定成輸入狀態。由於 ESP32 接腳預設皆為數位輸入模式，所以在設定時只需要指定 GPIO 接腳編號即可。

digitalRead(GPIO Pin);

參數說明：

GPIO Pin : GPIO接腳編號

進階知識：上拉電阻與下拉電阻

當微控制器的接腳設定為輸入模式時，為了確保接腳在沒有外部訊號輸入的狀況下，也能維持在穩定的狀態，我們通常會加上上拉(Pull-Up)電阻或是下拉(Pull-Down)電阻。

ESP32 接腳本身內建了上拉以及下拉電阻，除了 GPIO34, 35, 36, 39 以外，其他所有的 GPIO 接腳只要在 pinMode 函式中設定就能使用。

當接腳處於浮接狀態時，可能會受到雜訊干擾而產生誤動作，而上拉的作用就是將不確定的訊號狀態透過電阻提升至高電位；下拉的作用則是將不確定的訊號透過電阻拉低至低電位，如此就能提供穩定的電位訊號，常用來檢測開關或按鈕的狀態。

要分辨上拉或是下拉的結構，可以由電阻所在的位置判斷。若電阻其中一端連接到高電位就是上拉電阻(左圖) ；連接到低電位的就是下拉電阻(右圖) 。

上拉電阻

分析：在按鈕還沒被按下之前，接腳會由上拉電阻提高至高電位；按下按鈕以後，接腳與 GND 連接，此時接腳的狀態為低電位。
說明：有些人將上拉電阻比喻成彈簧，在沒有受到外力作用時，彈簧會拉回到初始位置。相同的，當按鈕被放開後，上拉電阻會將接腳電壓拉回初始高電位(3.3V)狀態。

下拉電阻

分析：在開關還沒被按下之前，接腳會由下拉電阻拉低至低電位(0V)；按下開關以後，接腳與 3.3V 連接，此時接腳的狀態為高電位。
說明：下拉電阻就好比重物，當沒有受到外力作用時，重物會一直保持在地面上。所以當按鈕被放開以後，下拉電阻會將接腳電壓拉回低電位(0V)。

範例 2：以按鈕控制 LED 燈

接下來讓我們看第二個範例：用按鈕控制 LED 燈。

這個範例的功能是，只有當按鈕被按下時 LED 才會點亮，其他時候 LED 則保持熄滅狀態。

元件連接示意圖

接線圖

說明

為了節省接線，我們在讀取按鈕的時候使用內部上拉電阻，因此直接將按鈕開關連接到 GPIO 25 即可，GPIO 26 連接到 LED。

在一般狀態下（LED 熄滅時），由於上拉電阻的關係，開關腳位的電壓會保持在 3.3V；當按鈕被按下時，接腳與 GND 連接，此時電壓讀取到 0V，點亮 LED 燈。

程式碼

執行結果

四、小結

我們在這篇文章中示範如何使用 ESP32 的數位輸入與輸出的功能，下篇文章將會說明如何使用 ESP32 的 PWM（數位脈衝寬度調變）訊號控制 NeoPixel Ring 模組。

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