前言

此篇文章为有关 ESP32 的学习期间的代码记录，并且加上了自己的注释，非教学文章。

使用开发板全称ESP32 DEVKILTv1(devkitv1) ,搭载芯片为 ESP32D0WDQ6，使用软件为 Arduino 。

参考链接

如果是小白并且想要学习单片机相关知识，建议移步此篇文章：51单片机入门教程(上篇)(代码＋个人理解) – Echo (liveout.cn)

此篇文章参考教程视频：小鱼创意的个人空间哔哩哔哩bilibili

GitHub代码样例链接：https://github.com/PGwind/ESP32code

开发板详细讲解：ESP32 DEVKILTv1(devkitv1)开发板全解析

1. 点亮LED

1.1 点亮第一个LED

int ledPin = 2; //定义引脚,一般为板载蓝色灯

void setup() {
  // put your setup code here, to run once:
  pinMode(ledPin,OUTPUT); //输出模式
}

void loop() {
  // put your main code here, to run repeatedly:
  digitalWrite(ledPin, HIGH); //引脚高电平，即等效于 digitalWrite(ledPin, 1);
}

1.2 LED闪烁

int ledPin = 2;

void setup() {
  pinMode(ledPin,OUTPUT);

}

void loop() {
  digitalWrite(ledPin, HIGH);
  delay(2000); //延迟
  digitalWrite(ledPin, LOW);
  delay(2000);
}

1.3 不同闪烁周期LED

int ledPin2 = 2; 
int ledStatus2 = 0;  //现在的状态
unsigned int prevTime2 = 0; //改变状态时的时间

int ledPin4 = 4;
int ledStatus4 = 0;  
unsigned int prevTime4 = 0;

void setup() {
  pinMode(ledPin2, OUTPUT);
  digitalWrite(ledPin2, HIGH);
  ledStatus2 = HIGH;
  prevTime2 = millis(); //millis(): 本程序已经运行的时间（ms） micros()微秒us

  pinMode(ledPin4, OUTPUT);
  digitalWrite(ledPin4, HIGH);
  ledStatus4 = HIGH;
  prevTime4 = millis(); //millis(): 本程序已经运行的时间（ms） micros()微秒us
}

void loop() {
  unsigned int now = millis(); //程序运行的时间

  if (now - prevTime2 > 3000) //上次改变状态后已经过了3s
  {
    int status  = ledStatus2 == HIGH ? LOW: HIGH;
    digitalWrite(ledPin2, status);
    ledStatus2 = status;
    prevTime2 = now;
  }

  if (now - prevTime4 > 1000) //上次改变状态后已经过了1s
  {
    int status  = ledStatus4 == HIGH ? LOW: HIGH;
    digitalWrite(ledPin4, status);
    ledStatus4 = status;
    prevTime4 = now;
  }
}

2. 按键

2.1 按键控制LED

int switchPin = 25; //按键所接GPIO口
int ledPin = 4; //LED接口
int ledStatus = 0; //LED目前状态

void setup() {
  pinMode(switchPin, INPUT_PULLUP);//INPUT_PULLUP上拉，低电平有效，检测到低电平表明按键已经按下
  pinMode(ledPin, OUTPUT);
  digitalWrite(ledPin, HIGH);
  ledStatus = HIGH;
}

void loop() {
  int val = digitalRead(switchPin); //读取开关引脚的电平状态
  if (val == LOW) //低电平有效
  {
    ledStatus = !ledStatus;
    digitalWrite(ledPin, ledStatus);
  }
}

2.2 软件消除抖

使用 RBD_ Button 库进行消抖，在 库管理 处进行安装

#include <RBD_Timer.h>
#include <RBD_Button.h>

int switchPin = 25;
int ledPin = 4;
int ledStatus = 0;

//创建一个可以消除拉动的按键对象
RBD::Button button(switchPin, INPUT_PULLUP);

void setup() {
  pinMode(ledPin, OUTPUT);
  button.setDebounceTimeout(20); // 消除抖动时间是20ms
}

void loop() {
  //检测按键按下去的事件(下降沿)
  if (button.onPressed()) //按键已经按下
  {
    ledStatus = !ledStatus;
    digitalWrite(ledPin, ledStatus);
  }
}

3. PWM

LED控制（LEDC）外围设备主要用于控制LED的强度，尽管它也可以用于生成PWM信号用于其他目的。它具有16个通道，可以生成独立的波形，这些波形可以用于驱动RGB LED器件。

3.1 LEDC(PWM)

void setup() {
  int ret = 0; //状态
  Serial.begin(115200);
  int ch0 = 0; //通道
  int gpio4 = 4; //引脚
  ret = ledcSetup(ch0, 5000, 12); //设置ledc通道0，频率5000HZ，精度12 

  delay(200);
  if (ret == 0)
    Serial.println("Error Setup");
  else 
    Serial.println("Success Setup");
    
  ledcAttachPin(gpio4, ch0); //设置引脚和通道
  ledcWrite(ch0, pow(2, 11)); //占空比50%   2^11 / 2^12 = 1/2 

}

void loop() {
  // put your main code here, to run repeatedly:

}

3.2 LED呼吸灯

每秒钟固定调整占空比 50 次。 T 为呼吸周期，光从灭到最亮经过半个周期T/2。

半个周期进行 50*T/2 调整占空比

count 表示占空比为 100% 时等分的格子

step 为每次调整时要加上的增量 step = count / (50 * T/2) = 2 * count / (50 * T)

3.2.1 使用 delay() ，呼吸周期偏长

/* 每秒钟固定调整占空比50次。T为呼吸周期，光从灭到最亮经过半个周期T/2。
   半个周期进行 50*T/2 调整占空比
   count表示占空比为100%时等分的格子
   step为每次调整时要加上的增量  step = count / (50 * T/2) = 2 * count / (50 * T)
*/

int gpio4 = 4;
int ch1 = 1; //ledc通道号
int duty = 0; //目前信号的占空比
int count = 0; //100%占空比时的格子
int step = 0; //占空比步进值(增量)
int breathTime = 3; //呼周期，单位s

void setup() {
  ledcSetup(ch1, 1000, 12); //建立ledc通道
  count = pow(2, 12); //计算占空比为100%时共几份
  step = 2 * count / (50 * breathTime); //计算一次增加多少格子
  ledcAttachPin(gpio4, ch1); //绑定 ch1 和 GPIO4
}

void loop() {
  ledcWrite(ch1, duty);
  duty += step;
  if (duty > count)
  {
    duty = count;
    step = -step; //step变为负数，duty递减
  }
  else if (duty < 0)
  {
    duty = 0;
    step = -step; //step变为正数，duty递增
  }
  delay(20); //阻塞20ms
}

3.2.2 使用 millis

int prevTime = 0;
int gpio4 = 4;
int ch1 = 1; //ledc通道号
int duty = 0; //目前信号的占空比
int count = 0; //100%占空比时的格子
int step = 0; //占空比步进值(增量)
int breathTime = 3; //呼周期，单位s

void setup() {
  ledcSetup(ch1, 1000, 12); //建立ledc通道
  count = pow(2, 12); //计算占空比为100%时共几份
  step = 2 * count / (50 * breathTime); //计算一次增加多少格子
  ledcAttachPin(gpio4, ch1); //绑定 ch1 和 GPIO4
}

void loop() {
  int now =  millis(); 
  if (now - prevTime >= 20) //上次改变状态后已经过了 20ms
  {
    ledcWrite(ch1, duty);
    duty += step;
    if (duty > count)
    {
      duty = count;
      step = -step;
    } 
    else if (duty < 0)
    {
      duty = 0;
      step = -step;
    }
    prevTime = now;
  }
}

4. 软件定时器

使用 AsyncTimer 库进行定时操作，在 库管理 处进行安装。

定时器主要模式：

1. 等待多长时间触发一个事件
2. 每个多久时间触发一个事件
3. 到某个时间点触发一个事件

定时器类型：

1. 硬件定时器：ESP32只有4个
2. 软件定时器：精度低，数量多

4.1 单次定时任务

串口定时打印信息

#include <AsyncTimer.h>

AsyncTimer t; //定义一个定时器

void myfun()
{
  Serial.println("the second");
}
void setup() {
  Serial.begin(115200);
  delay(200);
  
  //setTimeout(回调函数, 超时时间(ms))，回调函数可以无参无返回值
  auto id = t.setTimeout([](){ //第一个单次定时任务：2s 打印 the first
    Serial.println("the first");
  }, 2000);
  Serial.print("First：");
  Serial.println(id);

  id = t.setTimeout(myfun, 4000); //第二个单次定时任务：4s 打印 the second
  Serial.print("Second：");
  Serial.println(id);
}

void loop() {
  t.handle(); //执行有关定时器的操作，精度与loop()函数里面操作时间有关
}

First：62510
Second：36048
the first
the second

4.2 周期定时任务

#include <AsyncTimer.h>

AsyncTimer t;

void myfun()
{
  Serial.println("the second");
}

void setup() {
  Serial.begin(115200);
  delay(200);
  
  //setInterval(回调函数, 超时时间(ms))，回调函数可以无参无返回值
  auto id = t.setInterval([](){ //第一个周期定时任务：每 2s 打印 the first
    Serial.println("the first");
  }, 2000);
  Serial.print("First：");
  Serial.println(id);

  id = t.setInterval(myfun, 4000); //第二个周期定时任务：每 4s 打印 the second
  Serial.print("Second：");
  Serial.println(id);
}

void loop() {
  t.handle();
}

the first
the first
the second

4.3 闪烁LED改造

LED灯刚启动以1s周期进行闪烁，按键按下去后在1s和3s的周期进行切换

// LED灯刚启动以1s周期进行闪烁，按键按下去后在1s和3s的周期进行切换
#include <RBD_Button.h>
#include <AsyncTimer.h>

int switchPin = 25; // 按钮
int ledPin = 4; // led
int ledStatus = HIGH;
int t = 1; // 闪烁周期

// 软件消抖
RBD::Button button(switchPin, INPUT_PULLUP);

AsyncTimer timer;
int taskId = 0;

void ChangeLedStatus() // 改变LED状态函数
{
  ledStatus = !ledStatus; // 状态取反
  digitalWrite(ledPin, ledStatus); // 改变状态
}

void setup() {
  pinMode(ledPin, OUTPUT);
  digitalWrite(ledPin, HIGH); // 点亮
  button.setDebounceTimeout(20);
  // 创建周期任务
  taskId = timer.setInterval(ChangeLedStatus, t*1000);
}

void loop() {
  timer.handle();

  if (button.onPressed())
  {
    t = t == 1?3:1; // 周期定时时间为：1s或3s
    timer.changeDelay(taskId, t*1000);
  }
}

4.4 相关函数讲解

1. 停止单个定时任务：

   cancel(intervalOrTimeoutId) ，intervalOrTimeoutid即定时任务的编号

2. 停止多个定时任务：

   cancelAll(includeIntervals) ，参数默认值为true。

   true：取消所有定时任务 fasle：只取消单次定时任务

3. 改变定时任务周期：

   changeDelay(intervalOrTimeoutId, delaylnMs) ，参数分别为定时任务的编号 和 新的超时时间(ms)

4. 重置定时任务：

   reset(intervalOrTimeoutId)，只能重置还没有停止的定时任务，重置完从0重新计时

5. 额外延时一个定时任务：

   delay(intervalOrTimeoutId, delaylnMs) ，参数分别为定时任务的编号 和 额外延时时间(ms)

6. 获取定时任务剩余时间：

   getRemaining(intervalOrTimeoutId) ，获取指定定时任务本轮还剩多久时间超时

   unsigned long remaining = getRemaining(timeoutId);
   

    

5. ADC模数转换

5.1 样例

void setup() {
  Serial.begin(115200);
  analogReadsolution(12); // 设置读取精度（位宽）

  //设置通道衰减值（不设置默认为11db）
  /*
  analogSetAttenuation(ADC_ATTEN_DB_11); // 设置所有通道
  analogSetPinAttenuation(2, ADC_ATTEN_DB_11); // 设置指定GPIO口的衰减值
  */
}

void loop() {
  int analogValue = analogRead(2); // 读取DAC值
  int analogVolts = analogReadMilliVolts(2); // 读取电压值（c）

  Serial.printf("ADC analog value = %d\n", analogValue);
  Serial.printf("ADC millivolts value = %d\n", analogVlots);

  delay(100);
}

5.2 电位器控制LED亮度

/* ADC + LEDC + 定时器(软件)
  通过更改定位器阻值控制LED亮度
*/
#include <AsyncTimer.h>

int pmPin = 32; // 电位器GPIO接口
int ledPin = 4; // LED
int ch0 = 0; // ledc通道

AsyncTimer timer;
int taskId = 0;

void ChangeLedLightness()
{
  int val = analogRead(pmPin);
  Serial.printf("%d:", val);

  auto vol = analogReadMilliVolts(pmPin);
  Serial.println(vol);

  int duty = val / 4095.0 * 1024;
  ledcWrite(ch0, duty);
}

void setup() {
  Serial.begin(115200);
  analogReadResolution(12); // 确定analogRead() 函数返回的值的分辨率(以位为单位)
  analogSetAttenuation(ADC_11db); // 设置所有通道衰减值

  ledcSetup(ch0, 1000, 10); // 设置ledc通道0，频率1000HZ，精度10
  ledcAttachPin(ledPin, ch0); 

  taskId = timer.setInterval(ChangeLedLightness, 20); //周期定时任务
}

void loop() {
  timer.handle();
}

6. I2C协议

6.1 I2C及Wire库使用

主机

// 主机Master
#include <Wire.h>

#define I2C_DEV_ADDR 0x55  // I2C设备地址

uint32_t i = 0;

void setup() {
  Serial.begin(115200);
  Serial.setDebugOutput(true); // 启用串口调试输出
  Wire.begin(); // 初始化I2C总线
}

void loop() {
  delay(5000);

  Wire.beginTransmission(I2C_DEV_ADDR); // 开始I2C传输
  Wire.printf("Hello World! %u", i++); // 向I2C设备发送数据
  uint8_t error = Wire.endTransmission(true); // 结束I2C传输并检查错误
  Serial.printf("endTransmission：%u\n", error);

  uint8_t bytesReceived = Wire.requestFrom(I2C_DEV_ADDR, 16); // 从I2C设备读取数据并返回接收到的字节数
  Serial.printf("requestFrom：%u\n", bytesReceived);
  if ((bool)bytesReceived) {
    uint8_t temp[bytesReceived];
    Wire.readBytes(temp, bytesReceived); // 读取接收到的字节
    log_print_buf(temp, bytesReceived); // 打印接收到的数据
  }
}

从机

// 从机Slave
#include "Wire.h"

#define I2C_DEV_ADDR 0x55

uint32_t i = 0;

/*
  onRequest()函数：用于处理主机的请求，在每次请求时，
  向主机发送递增的数据包计数，并打印调试信息。
*/
void onRequest(){
  Wire.print(i++);
  Wire.print("Packets.");
  Serial.println("onRequest");
}

//  onReceive()函数：用于处理主机发送的数据，在接收到数据时，打印接收到的数据内容和长度。
void onReceive(int len){
  Serial.printf("onReceived[%d]: ", len);
  while (Wire.available()){
    Serial.write(Wire.read());
  }
  Serial.println();
}

void setup() {
  Serial.begin(115200);
  Serial.setDebugOutput(true);
  Wire.onReceive(onReceive); // 注册接收回调函数
  Wire.onRequest(onRequest); // 注册请求回调函数
  Wire.begin((uint8_t)I2C_DEV_ADDR); // 初始化I2C从机

  // 如果是ESP系列芯片，可以使用slaveWrite函数发送初始消息
#if CONFIG_IDF_TARGET_ESP#@
  char message[64];
  snprintf(message, 64, "%u Packets.", i++);
  Wire.slaveWrite((uint8_t *)message, strlen(message));
#endif
}

void loop() {

}

6.2 ESP32双机通信

主机每秒2秒向从机发送递增的数字，

从机在收到主机的数据后LED闪烁0.5秒,并在收到的数字后加上OK字符发送给主机

主机收到从机发来的数据后打印在串口上

主机

主机程序使用了Wire库进行I2C通信。在setup函数中，初始化串口并加入I2C总线。在loop函数中，通过Wire.beginTransmission和Wire.endTransmission向从机发送数字字符串，并通过Wire.requestFrom从从机接收数据。收到数据后，将其打印在串口上。

/* 
  主机每秒2秒向从机发送递增的数字，
  从机在收到主机的数据后LED闪烁0.5秒,并在收到的数字后加上OK字符发送给主机
  主机收到从机发来的数据后打印在串口上
*/

// 主机程序
#include <Wire.h>

int num = 1; // 发送给从机
int address = 33; // 从机地址

void setup() {
  Serial.begin(115200);

  if (Wire.begin()) // 主机加入I2C总线
    Serial.println("I2C Success");
  else 
    Serial.println("I2C Failed");
}

void loop() {
  char tmp[32];
  itoa(num++, tmp, 10); // 将数字转换成字符串

  Wire.beginTransmission(address);
  Wire.write(tmp); // 传输数字字符串
  int ret = Wire.endTransmission();
  if (ret != 0) // 判断状态
  {
    Serial.printf("Send failed：%d\r\n", ret);
    return;
  }

  delay(100); // 从机处理时间
    
  /*
  	Wire.requestFrom(address, quantity, stop);
  	requestFrom返回值代表了从机发来多少字节的数据，实际上是错误的，
  	返回值永远是等于你传进去的欲读取数据的数量值(quantity)
  	若 接收的数据量 > 从机发送的数据量，超出部分全部为 0x3f
  */
  int len = Wire.requestFrom(address, 32); // 发出请求，最多不超过32字节
  if (len > 0)
  {
    // 打印出来收到从机发来的数据
    Serial.print("Receive data size:");
    Serial.println(len);

    Wire.readBytes(tmp, 32);
    Serial.println(tmp);

    // 打印出收到数据的16进制值
    for (int i=0; i<32; i++)
    {
      Serial.printf("%2x, ", tmp[i]);
      if (i % 8 == 7)
        Serial.println();
    }
    Serial.println();
  }
  delay(1900);
}

从机

从机程序使用了Wire库进行I2C通信，并使用AsyncTimer库来控制LED闪烁。在onReceive函数中，当接收到数据时，将数据存储到缓冲区buf中，并让LED闪烁。在onRequest函数中，向主机发送带有"OK"字符的数据。

/* 
  主机每秒2秒向从机发送递增的数字，
  从机在收到主机的数据后LED闪烁0.5秒,并在收到的数字后加上OK字符发送给主机
  主机收到从机发来的数据后打印在串口上
*/

// 从机程序
#include <Wire.h>
#include <AsyncTimer.h>

char buf[32]; // 接受缓冲区
int ledPin = 4;

AsyncTimer timer;

void onReceive(int len) {
  // 接受数据，将数字存到缓冲区，并让led闪烁
  if (len > 0)
  {
    // 从I2C总线读取最多32个字节的数据，并将其存储到buf缓冲区中。函数返回实际读取到的字节数
    int sz = Wire.readBytes(buf, 32);
    if (sz > 0)
    {
      buf[sz] = 0;
      digitalWrite(ledPin, HIGH);

      // 注册定时事件，500ms后关闭led灯
      timer.setTimeout([](){
        digitalWrite(ledPin, LOW);
      }, 500);
    }
  }
}

void onRequest() {
   // 向主机发送数据
  strcat(buf, "OK"); // 拼接
  Wire.write(buf); // 发送缓冲区数据（包括"OK"字符）
  Wire.write(0);
}
void setup() {
  Serial.begin(115200);
  pinMode(ledPin, OUTPUT); 
  Wire.onReceive(onReceive); // 注册接受事件
  Wire.onRequest(onRequest); // 注册发送事件
  Wire.begin(33);
}

void loop() { 
 timer.handle();
}

6.3 I2C操控1602LCD

需要下载 LiquidCrystal_I2C 库，地址为：https://github.com/mrkaleArduinoLib/LiquidCrystal_I2C。

主要用到的文件为 LiquidCrystal_I2C.h 和 LiquidCrystal_I2C.cpp 这两个文件

使用时移动到项目文件根目录并调用

#include <Arduino.h>
#include <Wire.h>
#include "LiquidCrystal_I2C.h"

LiquidCrystal_I2C lcd(0x27, 16, 2); // LiquidCrystal_I2C lcd(显示器地址, 行数, 列数);

void setup() {
  lcd.init(); // 初始化 LCD 显示器
  lcd.backlight(); // 打开背光
  lcd.print("Hello World!"); // 在第一行打印 "Hello World!"
  // lcd.setCursor(列号, 行号)
  lcd.setCursor(0, 1); // 设置光标位置为第二行第一列
  lcd.print("I am a fish, I am a fish, I am a fish."); // 在第二行打印 "I am a fish, I am a fish, I am a fish."

  // 将第二行的 "am" 改成大写 "AM"
  lcd.setCursor(2, 1); // 设置光标位置为第二行第三列
  lcd.write('A'); // 写入大写字母 'A'
  lcd.write('M'); // 写入大写字母 'M'

  lcd.clear(); // 清空显示器

  // 字幕不停向左滚动
  for (int i = 0; i < 100; i++) {
    lcd.scrollDisplayLeft(); // 向左滚动显示内容
    delay(1000); // 延迟1秒
  }
}

void loop() {

}

7. 外部中断(硬件)

中断服务程序要求：

• 要尽量地短，减少执行时间
• 不要使用 delay() 函数
• 不要使用 Serial 打印
• 和主程序共享的变量要加_上 volatile 关键字
• 不要使用 millis() 函数，它的值将不会增长
• 可以使用 micros 函数来获取时间
• 外部中断最高频率手册没说，但达到几M是没有问题的

7.1 按键开关LED

IRAM_ATTR 是一个ESP32的特殊属性，用于指定函数在IRAM（内部RAM）中运行，而不是默认的闪存（Flash）中运行。在ESP32中，IRAM是位于处理器内部的高速随机访问存储器，执行速度更快。

使用 IRAM_ATTR 属性可以将函数加载到IRAM中，从而提高函数的执行速度和响应性能。在中断服务程序（ISR）中使用 IRAM_ATTR 属性可以确保ISR在最短的时间内得到执行，从而更及时地响应中断事件。

因此，IRAM_ATTR 修饰符常常用于将中断服务程序（ISR）函数加载到IRAM中，以提高性能。

const byte LED = 4;
const byte BUTTON = 25;

// ISR
IRAM_ATTR void switchPressed()
{
  // 按钮松开高电平亮，按钮按下低电平灭
  if (digitalRead(BUTTON) == HIGH)
    digitalWrite(LED, HIGH);
  else 
    digitalWrite(LED, LOW);
}

void setup() {
  pinMode(LED, OUTPUT);
  pinMode(BUTTON, INPUT_PULLUP);
  // 设置和执行ISR（中断服务程序）
  attachInterrupt(digitalPinToInterrupt(BUTTON), switchPressed, CHANGE);
}

void loop() {

}

7.2 简单PWM测量仪

临界区 是一段代码片段，用于在多任务环境下保护共享资源，以确保对资源的访问不会被并发任务中断或干扰。临界区的作用是提供一种互斥机制，使得同一时间只有一个任务可以访问共享资源，避免并发访问导致的数据竞争和不一致性。

#include "LiquidCrystal_I2C.h" // 包含 LiquidCrystal_I2C 库，用于LCD显示器
// 共享变量
volatile unsigned long raiseTime = 0; // 前一次上升沿时间
volatile unsigned long fallTime = 0; // 前一次下降沿时间
volatile double duty = 0; // 占空比
volatile double fre = 0; // 频率

int pwmPin = 27; // 信号输入接口

// 显示器初始化
LiquidCrystal_I2C lcd(0x27, 16, 2);

// 自旋锁
portMUX_TYPE mux = portMUX_INITIALIZER_UNLOCKED;

// ISR：中断服务程序
void changeISR()
{
  auto now = micros();
  if (digitalRead(pwmPin)) // 现在是高
  {
    /*
     临界区是一段代码片段，用于在多任务环境下保护共享资源，以确保对资源的访问不会被并发任务中断或干扰。
     临界区的作用是提供一种互斥机制，使得同一时间只有一个任务可以访问共享资源，避免并发访问导致的数据竞争和不一致性。
    */
    portENTER_CRITICAL_ISR(&mux); // 进入临界区
    auto total = now - raiseTime; // 周期 us
    fre = 1e6 / (double)total; // 频率
    auto h = fallTime - raiseTime; // 脉宽
    duty = h / (double)total; // 占空比 = 脉宽 / 周期
    portEXIT_CRITICAL_ISR(&mux); // 离开临界区
    raiseTime = now;
  }
  else
  {
    fallTime = now;
  }
}

void setup() { 
 lcd.init(); // 初始化 LCD 显示器
  lcd.backlight(); // 打开背光
  lcd.setCursor(0, 0); // 设置光标位置为第一行第一列
  lcd.print("fre: "); // 在 LCD 上打印 "fre: "
  lcd.setCursor(0, 1); // 设置光标位置为第二行第一列
  lcd.print("duty: "); // 在 LCD 上打印 "duty: "
  pinMode(pwmPin, INPUT); // 将 pwmPin 设置为输入模式
  attachInterrupt(digitalPinToInterrupt(pwmPin), changeISR, CHANGE); // 注册中断服务程序来响应 pwmPin 引脚状态变化的事件
}

void loop() {
  delay(1000); // 延迟1秒

  portENTER_CRITICAL(&mux); // 进入临界区
  double f = fre; // 读取频率值
  double d = duty; // 读取占空比值
  portEXIT_CRITICAL(&mux); // 离开临界区

  lcd.setCursor(5, 0); // 设置光标位置为第一行第五列
  lcd.print(f); // 在 LCD 上打印频率值
  lcd.setCursor(6, 1); // 设置光标位置为第二行第六列
  lcd.print(d); // 在 LCD 上打印占空比值
} 

8. 硬件定时器及二值信号量

分频数越大，周期越长，频率越低。分频数最大是 65525

流程 ：初始化 -> 绑定ISR -> 设置触发ISR的计数值 -> 启动定时器

硬件定时器流程

#include <esp32-hal-timer.h>

hw_timer_t *timer = NULL;

void IRAM_ATTR timerISR() {
  // 硬件定时器中断服务程序
}

void setup() {
  timer = timerBegin(0, 80, true); // 创建硬件定时器，使用定时器 0，预分频因子 80，设置为自动重载模式
  timerAttachInterrupt(timer, &timerISR, true); // 将定时器中断服务程序与硬件定时器关联
  timerAlarmWrite(timer, 1000000, true); // 设置定时器定时周期为 1 秒，自动重载，即周期循环
  timerAlarmEnable(timer); // 启用定时器定时中断"
  // timerEnd(timer); // 结束
}

void loop() {
  // 主循环代码
}

8.1 硬件定时器样例

每 1s 打印一次当前迭代数和时间

// 每 1s 打印一次当前迭代数和时间
#include <esp32-hal-timer.h>
volatile int count = 0;
volatile unsigned long tim = 0;

hw_timer_t *timer1 = NULL; // 1s 1次
portMUX_TYPE timerMux = portMUX_INITIALIZER_UNLOCKED;

// ISR
void IRAM_ATTR onTimer1() {
  portENTER_CRITICAL_ISR(&timerMux); // 进入临界区
  count ++;
  tim = micros();
  portEXIT_CRITICAL_ISR(&timerMux); // 离开临界区
}

void setup() {
  Serial.begin(115200);
  // 初始化定时器，80分频，1us计数一次
  timer1 = timerBegin(0, 80, true);
  // 附加中断
  timerAttachInterrupt(timer1, onTimer1, true);
  // 计数到 1000000（1s） 时触发中断
  timerAlarmWrite(timer1, 1000000, true);
  // 开启定时器
  timerAlarmEnable(timer1);
}

void loop() {
  portENTER_CRITICAL(&timerMux);
  auto c = count;
  auto t = tim;
  portEXIT_CRITICAL(&timerMux);

  Serial.println(c);
  Serial.println(t);
}

loop() 函数 中的 portENTER_CRITICAL(&timerMux) 会启用自旋锁，并且禁用掉了CPU的中断。

loop()函数执行速度很快，中断被屏蔽时间会非常长，外部如果有两个或以上中断进来无法及时检测到。

想要解决这个问题，这时候就需要 二值信号量了。

8.2 二值信号量

// 每 1s 打印一次当前迭代数和时间
#include <esp32-hal-timer.h>
volatile int count = 0;
volatile unsigned long tim = 0;
volatile SemaphoreHandle_t timerSemaphore; // 信号量

hw_timer_t *timer1 = NULL; // 1s 1次
portMUX_TYPE timerMux = portMUX_INITIALIZER_UNLOCKED;

// ISR
void IRAM_ATTR onTimer1() {
  portENTER_CRITICAL_ISR(&timerMux); // 进入临界区
  count ++;
  tim = micros();
  portEXIT_CRITICAL_ISR(&timerMux); // 离开临界区

  /*
    从中断服务程序（ISR）中给予一个二值信号量它会将二值信号量的计数值增加，
    并唤醒等待该信号量的任务。第二个参数为 NULL 表示不需要唤醒任何任务。
  */
  // 设置完共享变量后发送信号 
  xSemaphoreGiveFromISR(timerSemaphore, NULL);
}

void setup() {
  Serial.begin(115200);

  timerSemaphore = xSemaphoreCreateBinary(); // 创建一个二值信号量
  // 初始化定时器，80分频，1us计数一次
  timer1 = timerBegin(0, 80, true);
  // 附加中断
  timerAttachInterrupt(timer1, onTimer1, true);
  // 计数到 1000000（1s） 时触发中断
  timerAlarmWrite(timer1, 1000000, true);
  // 开启定时器
  timerAlarmEnable(timer1);
}

void loop() {
  if (xSemaphoreTake(timerSemaphore, 0) == pdTRUE)
  {
    portENTER_CRITICAL(&timerMux);
    auto c = count;
    auto t = tim;
    portEXIT_CRITICAL(&timerMux);

    Serial.println(c);
    Serial.println(t);
  }
  
}

9. 超声波测距

HC-SR04 模块测量错误的情况：

1. 物体体积太小，无法反射超声波
2. 物体在探头15°范围之外
3. 物体表面材质是吸收超声波的，比如毛绒绒的物体
4. 物体与探头的夹角不对

9.1 距离测量

const int trigPin = 4;
const int echoPin = 16;

void setup() {
  Serial.begin(115200);
  delay(200);
  pinMode(trigPin, OUTPUT);
  pinMode(echoPin, INPUT);
}

void loop() {
  // 在Trig引脚发送15us脉冲
  digitalWrite(trigPin, HIGH);
  delayMicroseconds(15); // 15us
  digitalWrite(trigPin, LOW);

  // 读取Echo引脚脉冲时长
  auto t = pulseIn(echoPin, HIGH);
  double dis = t * 0.01715; // 单位：CM
  Serial.print(dis);
  Serial.println(" cm");

  delay(200);
}

此程序阻塞过长，下面将使用中断方式优化

9.2 距离测量(中断优化)

中断测距原理：

• 将 外部中断(change) 附加到 ECHO 的引脚上
• 使用硬件定时器每 500ms 给 Trigger 一个 15us 的脉冲 （1s测量2次）
• 在上升沿中断的时候记当前时间 t1
• 在下降沿中断的时候记当前时间 t2，并发 信号(Semaphore) 给任务
• Loop函数在收到信号后获取 t2和t1 的值，并计算出距离

// 中断测距
/* - 将 外部中断(change) 附加到 ECHO 的引脚上
- 使用硬件定时器每 500ms 给 Trigger 一个 15us  的脉冲 （1s测量2次）
- 在上升沿中断的时候记当前时间 t1 
- 在下降沿中断的时候记当前时间 t2，并发 信号(Semaphore)`  给任务
- Loop函数在收到信号后获取 t2和t1 的值，并计算出距离
*/

const int trigPin = 4;
const int echoPin = 16;
double distance = 0; // 单位cm

hw_timer_t *timer1 = NULL; // 定时器
portMUX_TYPE mux = portMUX_INITIALIZER_UNLOCKED; // 自旋锁
volatile unsigned long startTime = 0; // 发出超声波时间
volatile unsigned long endTime = 0; // 收到超声波时间
volatile SemaphoreHandle_t semaphore; // 信号量

// 硬件定时器ISR
void IRAM_ATTR ping()
{
  digitalWrite(trigPin, HIGH);
  delayMicroseconds(15);
  digitalWrite(trigPin, LOW);
}

// ECHO 引脚ISR
void IRAM_ATTR changeISR() 
{
  auto now = micros(); // 当前时间
  auto state = digitalRead(echoPin);

  portENTER_CRITICAL_ISR(&mux);
  if (state) // 高电平，即刚发出超声波
    startTime = now;
  else
    endTime = now;
  portEXIT_CRITICAL_ISR(&mux);

  // 变成低电平时表示已经收到回声
  if (!state)
    xSemaphoreGiveFromISR(semaphore, NULL); // 给一个信号量发送信号
}


void setup() {
  pinMode(trigPin, OUTPUT);
  pinMode(echoPin, INPUT);
  Serial.begin(115200);

  semaphore = xSemaphoreCreateBinary(); // 创建二值信号量

  // 定时器部分
  timer1 = timerBegin(0, 80, true);
  timerAttachInterrupt(timer1, ping, true);
  timerAlarmWrite(timer1, 500000, true); // 定时时间为 0.5s
 
  // echo引脚的中断
  attachInterrupt(digitalPinToInterrupt(echoPin), changeISR, CHANGE);

  // 开始周期测量
  timerAlarmEnable(timer1);

}

void loop() {
  if (xSemaphoreTake(semaphore, 0) == pdTRUE)
  {
    // 收到信号，准备工作
    portENTER_CRITICAL(&mux);
    auto t = endTime - startTime;
    portEXIT_CRITICAL(&mux);

    double dis = t * 0.01715;
    if (dis < 350)
    {   
        distance = dis;
        Serial.print("Distance: "); 
        Serial.print(distance, 1); // 小数点后1位
        Serial.println(" cm");
    }
  }
}

10. 舵机

10.1 Servo库操控舵机

库名称为 ESP32Servo

#include <ESP32Servo.h>

Servo servo1; // 定义对象
Servo servo2;

int minUs = 500; // 0°时的脉宽，单位us
int maxUs = 2500; // 180°时的脉宽，单位us

int servo1Pin = 15;
int servo2Pin = 16;
int pos = -1; // 舵机角度
bool up = true; // 计数方向

void setup() {
  ESP32PWM::allocateTimer(1); // 指定使用的硬件定时器

  servo1.setPeriodHertz(50); // 指定PWM的频率
  servo2.setPeriodHertz(50); // 指定PWM的频率

  servo1.attach(servo1Pin, minUs, maxUs);
  servo2.attach(servo2Pin, minUs, maxUs);

}

void loop() {
  if (pos == 181)
    up = false;
  else if (pos == -1)
    up = true;
  
  if (up)
    pos ++;
  else
    pos --;
  
  servo1.write(pos);
  servo2.write(180 - pos);

  //servo1.write(pos); // 转到指定的角度(0° - 180°)
  //servo1.detach(); // 不需要的时候将引脚和ledc分离

  delay(15);
}

10.2 智能垃圾桶

使用超声波测距配合舵机实现智能垃圾桶，因为懒得弄模型，所以垃圾桶开闭直接用串口打印信息。

其相关流程及代码部分见此篇文章：ESP32Demo:智能垃圾桶 – Echo (liveout.cn)

11. WiFi连接

#include<WiFi.h>
const char* ssid = "WiFi名称";
const char* password = "WiFi密码";
void setup() {
  //初始化串口
  Serial.begin(115200);
  delay(10);
    
  // 进行WiFi连接
  Serial.println();
  Serial.print("Connecting to ");
  Serial.println(ssid);
  //连接WIFI
  WiFi.begin(ssid, password);
  //等待WIFI连接成功
  while (WiFi.status() != WL_CONNECTED) { //WiFi.status()函数用于获取WiFi连接的状态
    //WL_CONNECTED，即连接状态
    delay(500);
    Serial.print(".");
  }
  Serial.println("");
  Serial.println("WiFi connected");

}

void loop() {
    
}