【ESP32+MicroPython】硬件控制基础

ESP32是一款功能强大的微控制器，具有多种硬件接口。本文以“ESP32硬件控制”为主题，逐步介绍GPIO（通用输入输出）、PWM（脉宽调制）、ADC（模数转换）等功能的原理与实现，并结合实际硬件进行演示，包括LED灯、按钮、电阻和DS18B20温度传感器等的应用。通过本教程，你将能够掌握ESP32的基本硬件控制技能，并用MicroPython编写控制程序。

GPIO（通用输入输出）

GPIO基础知识

GPIO（General Purpose Input Output）是ESP32控制外部设备的主要方式。GPIO引脚可以设置为输入模式或输出模式，以接收信号或控制设备。

• 输入模式：用于检测按钮等设备的状态。
• 输出模式：用于控制LED、继电器等设备的状态。

GPIO基本操作

硬件准备

• ESP32开发板
• LED灯（1个）
• 按钮（1个）
• 电阻（330欧姆）

电路连接

1. 将LED的正极（长引脚）连接到ESP32的GPIO 2，负极连接到电阻后再接地（GND）。
2. 将按钮一端接到GPIO 4，另一端接地（GND）。

实现LED点亮与按钮输入控制

from machine import Pin
import time

# 初始化LED和按钮引脚
led = Pin(2, Pin.OUT)      # 将GPIO 2设置为输出，用于控制LED
button = Pin(4, Pin.IN)    # 将GPIO 4设置为输入，用于检测按钮状态

while True:
    if button.value() == 0:  # 检测按钮是否按下
        led.on()             # 按下时点亮LED
    else:
        led.off()            # 松开时熄灭LED
    time.sleep(0.1)

• Pin初始化：通过Pin(2, Pin.OUT)将GPIO 2设置为输出，用于控制LED；GPIO 4设置为输入，用于检测按钮。
• 循环检测按钮状态：每次检测按钮状态，按下时点亮LED，松开时熄灭。

PWM（脉宽调制）

PWM（Pulse Width Modulation）通过调整信号高电平的时间占整个周期的比例，控制LED亮度、电机转速等。

PWM原理

PWM的两个主要参数：

• 频率：信号变化速度。
• 占空比：高电平持续时间占总周期的比例，控制输出强度。

PWM调节LED亮度

硬件准备

• ESP32开发板
• LED灯（1个）
• 电阻（330欧姆）

电路连接

将LED的正极连接到ESP32的GPIO 2，负极连接到330欧姆电阻后接地（GND）。

使用PWM调节LED亮度

from machine import Pin, PWM
import time

# 初始化PWM，频率设为1000Hz
led = PWM(Pin(2), freq=1000)

# 逐步调节亮度
while True:
    for duty in range(0, 1024):  # 逐渐增加亮度
        led.duty(duty)
        time.sleep(0.01)
    for duty in range(1023, -1, -1):  # 逐渐减小亮度
        led.duty(duty)
        time.sleep(0.01)

• PWM初始化：PWM(Pin(2), freq=1000)将GPIO 2设为PWM输出，频率为1000Hz。
• 循环调节占空比：通过led.duty(duty)控制LED亮度，占空比增大，亮度增加；减小则亮度减弱。

ADC（模数转换）

ADC（Analog to Digital Converter）用于将模拟信号转换为数字信号。ESP32集成了ADC模块，能读取如温度传感器、光线传感器等模拟传感器的信号。

ADC工作原理

ADC将输入电压（通常在0V至VCC之间）转换为数值。ESP32的ADC转换值范围在0至4095之间，0代表0V，4095代表最大电压。

ADC实现实例

硬件准备

• ESP32开发板
• 模拟传感器（如光敏电阻）
• 电阻（10k欧姆）

电路连接

将光敏电阻和10k欧姆电阻串联成一个分压电路，光敏电阻一端接3.3V，另一端连接电阻和ADC引脚（如GPIO 34），然后接地（GND）。

代码实现：读取光线强度

from machine import ADC, Pin
import time

# 初始化ADC
adc = ADC(Pin(34))           # 创建ADC对象
adc.atten(ADC.ATTN_11DB)     # 设置量程，最大输入电压约为3.3V
adc.width(ADC.WIDTH_12BIT)   # 设置分辨率为12位，返回0到4095的值

while True:
    light_intensity = adc.read()  # 读取模拟信号
    print('光线强度:', light_intensity)
    time.sleep(1)

• ADC初始化：使用ADC(Pin(34))将GPIO 34配置为ADC输入引脚。
• 设置ADC量程：通过adc.atten(ADC.ATTN_11DB)设置量程，使最大输入电压接近3.3V。
• 读取ADC值：adc.read()返回一个介于0到4095的数值，表示当前光线强度。

综合应用：传感器数据的PWM输出

通过综合使用ADC和PWM，可以将传感器的模拟信号用于控制LED亮度，实现动态反馈。例如，根据光线强度控制LED亮度。

硬件连接

• 将光敏电阻电路接到ADC输入（GPIO 34）
• 将LED接到PWM输出（GPIO 2）

综合代码实现

from machine import ADC, Pin, PWM
import time

# 初始化ADC和PWM
adc = ADC(Pin(34))
adc.atten(ADC.ATTN_11DB)
adc.width(ADC.WIDTH_12BIT)

led = PWM(Pin(2), freq=1000)

while True:
    light_intensity = adc.read()       # 读取光线强度
    duty_cycle = int(light_intensity / 4095 * 1023)  # 映射到PWM占空比
    led.duty(duty_cycle)               # 调整LED亮度
    print('光线强度:', light_intensity, 'PWM占空比:', duty_cycle)
    time.sleep(0.1)

• 传感器读值映射：将ADC读数（0至4095）映射为PWM占空比（0至1023）。
• 动态控制：根据光线强度自动调节LED亮度，实现自动光照反馈。

总结

通过本教程，你已学习了ESP32的硬件控制基础，包括GPIO、PWM和ADC的使用。熟悉这些功能后，你可以轻松实现传感器数据采集、控制电机和LED等硬件操作。