衆所周知，掌控板在創客教育中用的非常廣泛，它是一塊基於 ESP32 的學習開發板。大家對掌控板編程，用的比較多的都是圖形化編程的方式，比如 mPython、Mind+ 等。但是，既然掌控板是基於 ESP32 芯片的，所以我們也可以用 Arduino 軟件對其編程。所以，有時間的話，我準備給大家分享一系列用 Arduino 代碼對掌控板（ESP32）編程的教程：用Arduino玩轉ESP32與掌控板系列。

本系列歷史文章目錄：

本期給大家帶來的是：掌控板IO接口編程入門，教你用 Arduino IDE 學會掌控板 IO 接口的簡單編程操作。IO 就是 INPUT 與 OUTPUT 的縮寫，即輸入與輸出。

其實本篇是這個系列的入門篇之一，但是由於我一直偷懶，這篇一直放着沒寫，先寫了一些進階的內容。本篇比較簡單，所以就不放案例演示視頻了。

概述

掌控板的 IO 口主要是用來連接外部傳感器、執行器等相關外設的。平時我們使用最多最常見的一些外設，一般都是數字量或模擬量的，傳感器一般都是輸入設備、執行器一般都是輸出設備。所以，一般情況下學習一個主控板的 IO 口基本操作，我們都是從數字輸入、數字輸出、模擬輸入、模擬輸出這個 4 個方面來進行學習的，本篇也不例外。

這裏需要注意的是，輸入和輸出是相對主控板來說的：

當信號是由主控板向外設發送時，相應的外設就是主控板的輸出設備；
當信號是由外設向主控板發送時，也就是主控板去讀取外設的信號時，相應的外設就是主控板的輸入設備。

所以：

大部分傳感器都是輸入設備，因爲他們的功能是測量數據，然後主控板去讀取他們的數據；
大部分執行器都是輸出設備，因爲是主控板向他們發送信號、控制他們完成相應的操作。

數字輸入

數字輸入（或數字量輸入）設備是生活中最常見的設備，比如房間裏的開關、按鈕、樓道里的人體感應設備，這些設備有一個共同的特點，即只有 2 中情況：有或無、開或關、1 或 0，這些只有 2 種情況的設備，一般稱爲數字量設備。相應地，如果他們是傳感器，則稱爲數字輸入設備，或數字輸入傳感器。

掌控板上的按鍵 A 和 B，其實就是數字輸入傳感器。所以本節就以讀取掌控板上的按鍵 A 和 B 爲例，教你對數字輸入設備編程。

先來先一下完整的程序：

// 設置掌控板按鍵 A 的引腳編號
const int buttonAPin = P5;

// 設置按鍵 A 的狀態值變量
int buttonAState = 0;

void setup() {
  // 初始化串口監視器
  Serial.begin(9600);

  // 初始化按鍵 A 對應的引腳爲輸入模式
  pinMode(buttonAPin, INPUT);
}

void loop() {
  // 讀取按鍵 A 的值
  buttonAState = digitalRead(buttonAPin);

  // 如果按鍵 A 被按下了，串口監視器輸出信息
  if (buttonAState == LOW) {
    Serial.println("Button A pressed");
  }

  delay(100);
}

這個程序很簡單，程序中也有相應的註釋了，我們簡單來講解一下。

首先在程序開頭定義了兩個變量，buttonAPin 用來定義按鍵 A 對應的引腳，buttonAState 用來存儲按鍵 A 的狀態。

// 設置掌控板按鍵 A 的引腳編號
const int buttonAPin = P5;

// 設置按鍵 A 的狀態值變量
int buttonAState = 0;

這裏講一下命名變量的小技巧，變量一般要命名成方便用戶辨別、並且有一定實際字面意義的名稱，這樣當程序比較長的時候更加容易讀懂。儘量不要命名成 a、b 這些沒有太多實際字面意義的名稱，當然特殊情況除外。

那麼我們是如何知道按鍵 A 對應的引腳編號是 P5 呢？

實際上掌控板官方 Wiki 上提供了非常詳細的說明和電路圖，我們閱讀相應的文檔，就可以知道掌控板上的板載資源對應的引腳了。我們可以直接點擊下方鏈接，查看掌控板官方 Wiki 資料。

https://mpython.readthedocs.io/zh/master/board/hardware.html

在上面的網頁中，我們可以查到一張表格，上面記錄了掌控板上所有板載資源對應的引腳。從這裏我們可以查到按鍵 A 對應的引腳編號爲 P5。

接下來在初始化程序 setup() 中，我們可以看到下面兩句代碼，分別用來對串口監視器進行初始化、以及設定按鍵 A 引腳的模式。對串口監視器初始化時，我們要設定串口波特率，常用的波特率是 9600 和 115200，設置波特率的作用是讓電腦和掌控板保持相同的通信速率，以便可以互相收發信息。引腳模式，最常用的一般爲輸入模式 INPUT 和輸出模式 OUTPUT，我們知道按鍵是數字輸入傳感器，所以要設置爲輸入模式 INPUT。

  // 初始化串口監視器
  Serial.begin(9600);

  // 初始化按鍵 A 對應的引腳爲輸入模式
  pinMode(buttonAPin, INPUT);

這裏順便再提一下，在 Arduino IDE 中編程，一般會有兩個自帶的函數，分別爲初始化函數 setup() 和循環函數 loop()。setup() 函數的功能是在程序開始前做相應的設置，設備上電後（或者按下 RESET 按鍵之後）只執行一次；loop() 函數是在 setup() 運行完成之後開始運行的，它的功能是不斷重複執行其中的代碼，因此需要重複運行的代碼或任務，一般放在 loop() 函數中，比如不斷讀取按鍵的狀態。當然也有一些特殊情況，比如中斷的設置等，是不用放在 loop() 中的，這部分等講到相應內容的時候再來展開。

接下來在 loop() 函數中，首先讀取按鍵 A 的狀態值，並且賦值給變量 buttonAState。讀取數字量輸入的程序爲 digitalRead()，跟變量命名一樣，程序中函數命名也是帶有一定的意義、簡單易讀的。

// 讀取按鍵 A 的值
buttonAState = digitalRead(buttonAPin);

然後根據按鍵 A 的狀態值，通過串口監視器打印出相應的信息。這裏需要注意的是，一般情況下，按鍵彈起時的默認值爲 LOW（或 0），當按鍵被按下時，按鍵的值變爲 HIGH（或 1）。但是這不是絕對的，跟電路設計有關，掌控板的按鍵值與按鍵狀態，就正好相反。所以當掌控板的按鍵 A 被按下時，它的狀態值爲 LOW。爲了防止程序運行太快，導致串口監視器一下子輸出太多信息，我們這裏加了一個延時函數：delay(100)，讓程序每次都延時 100 毫秒再去運行下一次循環任務。

// 如果按鍵 A 被按下了，串口監視器輸出信息
if (buttonAState == LOW) {
    Serial.println("Button A pressed");
}

delay(100);

在工具菜單中，將主控板選爲掌控板，並選擇正確的串口號，上傳程序。然後打開串口監視器，我們看看程序運行的效果。在串口監視器中將波特率設置爲 9600，然後按下掌控板上的按鍵 A。每按下一次按鍵 A，串口監視器中就會輸出相應的信息，說明程序編寫成功！

試一試：改寫程序，讓程序同時也可以讀取按鍵 B 的狀態，並在串口監視器輸出相應的信息。你會了麼？

數字輸出

學會了數字輸入，我們再來學一學數字輸出。我們生活中最常見的電燈，一般情況下，都是數字輸出設備。數字輸出也是隻有 2 種控制狀態的設備，高或低、1 或 0。這裏以控制 LED 燈爲例，來學習一下數字輸出的程序編寫。我們現在掌控板的 P0 端口外接一個 LED 燈，這裏你可以選擇自己喜歡的任意擴展板。電路比較簡單，所以這裏不放電路圖了。

來看一下完整的程序：

// 設置掌控板按鍵 A 的引腳編號
const int buttonAPin = P5;

// 設置 LED 燈的引腳編號
const int ledPin = P0;

// 設置按鍵 A 的狀態值變量
int buttonAState = 0;

void setup() {
  // 初始化串口監視器
  Serial.begin(9600);

  // 初始化按鍵 A 對應的引腳爲輸入模式
  pinMode(buttonAPin, INPUT);

  // 初始化 LED 對應的引腳爲輸出模式
  pinMode(ledPin, OUTPUT);
}

void loop() {
  // 讀取按鍵 A 的值
  buttonAState = digitalRead(buttonAPin);

  // 如果按鍵 A 被按下了，點亮 LED 燈，否則熄滅 LED 燈
  if (buttonAState == LOW) {
    Serial.println("Button A pressed");
    digitalWrite(ledPin, HIGH);
  } else {
    digitalWrite(ledPin, LOW);
  }

  delay(100);
}

仔細觀察，我們發現這個程序跟上一節數字輸入中的程序非常類似，我們只是在這基礎之上加了幾行代碼。這裏只講差異部分。

首先在程序開頭，定義了 LED 燈的引腳編號，我們將 LED 燈通過擴展板接在掌控板的 P0 引腳，這個與定義按鍵 A 引腳編號的方法一致。

// 設置 LED 燈的引腳編號
const int ledPin = P0;

然後在 setup() 初始化函數中設置了 LED 連接的引腳爲輸出模式 OUTPUT，這個與設置按鍵 A 的方法也一樣，只不過一個是 LED 設置爲輸出模式、按鍵 A 設置爲輸入模式。

// 初始化 LED 對應的引腳爲輸出模式
pinMode(ledPin, OUTPUT);

然後在 loop() 函數中，當檢測到按鍵 A 被按下時，點亮 LED，否則熄滅 LED 燈。點亮 LED 燈的代碼爲：

digitalWrite(ledPin, HIGH);

熄滅 LED 燈的代碼爲：

digitalWrite(ledPin, LOW);

將程序上傳到掌控板，按下按鍵 A，看看 LED 燈是否點亮了呢？鬆開按鍵 A 呢？

試一試：改寫程序，實現：按下按鍵 A，點亮 LED 燈；按下按鍵 B，熄滅 LED 燈。

模擬輸入

講完數字輸入、數字輸出，我們再來看一看模擬輸入。模擬輸入是相對數字輸入來說的，數字輸入只要 2 種狀態，但是模擬輸入有很多種連續的狀態，比如各種旋鈕、溫度值等。

在掌控板上也有 2 個模擬輸入傳感器：聲音傳感器與光線傳感器。下面我們以聲音傳感器爲例，講一講模擬輸入的程序編寫方法。

// 設置掌控板聲音傳感器引腳編號
const int soundPin = P10;

// 設置聲音大小值變量
int soundValue = 0;

void setup() {
  // 初始化串口監視器
  Serial.begin(9600);

  // 初始化聲音傳感器引腳爲輸入模式
  pinMode(soundPin, INPUT);
}

void loop() {
  // 讀取聲音傳感器的值
  soundValue = analogRead(soundPin);
  
  // 串口監視器中打印聲音傳感器的值
  Serial.println(soundValue);

  delay(10);
}

這個程序與數字輸入部分的程序也是非常類似的。

在程序開頭，定義了兩個變量，用來設置聲音傳感器的引腳編號、聲音傳感器的值。

// 設置掌控板聲音傳感器引腳編號
const int soundPin = P10;

// 設置聲音大小值變量
int soundValue = 0;

接着在 setup() 初始化函數中，初始化串口監視器和聲音傳感器的引腳模式：

// 初始化串口監視器
Serial.begin(9600);

// 初始化聲音傳感器引腳爲輸入模式
pinMode(soundPin, INPUT);

接着在 loop() 函數中讀取聲音的值，並且在串口監視器中打印出來。讀取模擬量的函數爲 analogRead()。

// 讀取聲音傳感器的值
soundValue = analogRead(soundPin);

// 串口監視器中打印聲音傳感器的值
Serial.println(soundValue);

delay(10);

將程序上傳到掌控板中，打開串口監視器，對着聲音傳感器說話，我們看看效果。

我們還可以以曲線圖的形式，將聲音傳感器數據的變化展現出來。在 Arduino IDE 菜單欄中，依次點擊：工具 → 串口繪圖器，打開串口繪圖器，對着聲音傳感器說話，看看曲線圖變化吧。

試一試：改寫程序，讓程序同時也可以讀取光線傳感器的值，看看串口繪圖器會輸出什麼信息呢？

模擬輸出

你有沒有注意到，有些人家裏的電燈，亮度是可以調節的？這個其實就是模擬輸出。相比於數字輸出只有兩種狀態，模擬輸出可以有連續的多種狀態。

由於在 Arduino IDE 中，用掌控板自帶的函數功能實現模擬輸出比較複雜。因此我們這裏調用別人做好的適用於掌控板 ESP32 的模擬輸出函數庫。函數庫下載地址爲：

https://github.com/ERROPiX/ESP32_AnalogWrite

我們要先將這個庫導入到 Arduino IDE 中。這個庫的功能是可以讓掌控板像 Arduino 一樣，方便的使用模擬輸出功能，有個這個庫，掌控板模擬輸出的語法，就跟 Arduino 完全一樣了。

這裏以控制 LED 燈實現呼吸燈效果爲例，完整的程序如下：

#include <Arduino.h>
#include <analogWrite.h>

// 設置 LED 燈引腳編號
const int ledPin = P0;

void setup() {
  // 初始化 LED 燈引腳爲輸出模式
  pinMode(ledPin, OUTPUT);
}

void loop() {
  for (int brightness = 0; brightness <= 255; brightness++) {
    analogWrite(ledPin, brightness);
    delay(5);
  }

  for (int brightness = 255; brightness >= 0; brightness--) {
    analogWrite(ledPin, brightness);
    delay(5);
  }
}

在程序最開始，我們先引入兩個頭文件，在頭文件中定義了實現模擬輸出相關的功能函數。然後定義了 LED 燈的引腳編號。

#include <Arduino.h>
#include <analogWrite.h>

// 設置 LED 燈引腳編號
const int ledPin = P0;

接着在 setup() 函數中設置 LED 燈引腳爲輸出模式。

然後在 loop() 函數中，通過 for 循環結構，控制 LED 燈由暗變亮，再由亮變暗。亮度通過局部變量 brightness 來設置。

for (int brightness = 0; brightness <= 255; brightness++) {
    analogWrite(ledPin, brightness);
    delay(5);
}

for (int brightness = 255; brightness >= 0; brightness--) {
    analogWrite(ledPin, brightness);
    delay(5);
}

將程序上傳到掌控板中，LED 燈是不是呈現呼吸燈閃爍變化的樣子？說明程序編程成功了。

總結

在本章中，我們學習了：

如何查閱掌控板各引腳相應的資源配置；
數字量與模擬量的區別；
簡單的數字輸入、數字輸出、模擬輸入、模擬輸出的程序編寫；
Arduino IDE 的基本使用方法。

學習了這些基礎內容之後，就可以學習後面更加進階的內容啦，其實進階內容與入門內容類似，都是由一個個小功能組成的，有了這些基礎功能的組合，通過不同的排列組合和邏輯設置，就可以實現各種好玩的創意啦！

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概述

數字輸入

數字輸出

模擬輸入

模擬輸出

總結

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