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ESP32基础-GPIO_LED进阶

news 2025/11/12 5:44:32

第二章 LED 进阶：闪烁与流水灯

1. 导入

本章在“点亮一个 LED”的基础上，系统实现 LED 闪烁与流水灯两类效果，并介绍三种常见时序方案：阻塞循环、硬件定时器与 uasyncio 协程。我们还将封装可复用的 LED/LEDArray 类，便于后续扩展更多灯效。

2. 硬件设计

硬件资源：
- LED 模块（D1–D8）
- ESP32 开发板 GPIO
接线说明（与第一章一致，可只接前几路用于演示）：

LED 模块 --> ESP32 IO
(D1-D8)  --> (15, 2, 0, 4, 16, 17, 5, 18)
GND      --> GND
VCC      --> 3.3V（若 LED 模块需供电）

注意：
- GPIO0/GPIO2/GPIO15 参与启动模式；若遇到上电异常，可将这些脚替换为 4/16/17/18/19/21/22/23/25/26/27/32/33 等安全 GPIO。
- 若为“低电平点亮”模块，逻辑需反转。

3. 软件设计

3.1 实验目标

让一个或多个 LED 按指定节奏闪烁。
实现“流水灯”（逐个点亮/熄灭）、“往返扫描”等模式。
学会阻塞、定时器与协程三种实现方式。

3.2 关键模块

machine.Pin：GPIO 控制
time：简单延时
machine.Timer：周期性回调（非阻塞主循环）
uasyncio：协程并发（多任务节奏互不影响）

4. LED 闪烁

4.1 阻塞式闪烁（最易上手）

# 文件：main.py
from machine import Pin
import timedef main():led = Pin(15, Pin.OUT)while True:led.value(1)   # 高电平点亮time.sleep(0.5)led.value(0)   # 低电平熄灭time.sleep(0.5)if __name__ == "__main__":main()

要点：简单直观，但主循环被“睡眠”阻塞，无法并行做其他事情。

4.2 定时器闪烁（非阻塞）

# 文件：main.py
from machine import Pin, Timer
import timeled = Pin(15, Pin.OUT)
tim = Timer(0)def _toggle(_):led.value(1 - led.value())def main():tim.init(period=250, mode=Timer.PERIODIC, callback=_toggle)  # 4Hz 闪烁# 主循环可继续做其他工作while True:# 这里可以轮询传感器/打印日志等time.sleep(1)if __name__ == "__main__":main()

要点：回调在中断上下文执行，避免在回调中分配大内存或做耗时操作。

4.3 uasyncio 多任务闪烁（并发、多节奏）

# 文件：main.py
from machine import Pin
import uasyncio as asynciopins = [15, 2, 0]  # 按需裁剪
leds = [Pin(p, Pin.OUT) for p in pins]async def blink(pin_obj, period):while True:pin_obj.value(1 - pin_obj.value())await asyncio.sleep(period)async def main():tasks = [asyncio.create_task(blink(leds[i], 0.2 + 0.2*i)) for i in range(len(leds))]await asyncio.gather(*tasks)asyncio.run(main())

要点：每个 LED 一个协程，互不影响，便于扩展更多逻辑。

5. 封装：LED 与 LEDArray

5.1 `LED` 类（兼容高/低电平点亮）

# 文件：led.py
from machine import Pinclass LED:def __init__(self, pin, active_high=True, init_on=False):self.pin = Pin(pin, Pin.OUT)self.active_high = active_highself.off()if init_on:self.on()def on(self):self.pin.value(1 if self.active_high else 0)def off(self):self.pin.value(0 if self.active_high else 1)def is_on(self):return self.pin.value() == (1 if self.active_high else 0)def toggle(self):if self.is_on():self.off()else:self.on()

5.2 `LEDArray` 类（流水/往返/交替/随机）

# 文件：led_array.py
from machine import Pin
import time
try:import urandom as random  # MicroPython
except ImportError:import randomclass LEDArray:def __init__(self, pins, active_high=True):self.active_high = active_highself.leds = [Pin(p, Pin.OUT) for p in pins]self.all_off()def _write(self, idx, on):v = 1 if (on == self.active_high) else 0self.leds[idx].value(v)def all_on(self):for i in range(len(self.leds)):self._write(i, True)def all_off(self):for i in range(len(self.leds)):self._write(i, False)def set_one(self, idx):self.all_off()self._write(idx, True)# 流水灯：从左到右逐个点亮def chase(self, delay=0.08, loops=1):for _ in range(loops):for i in range(len(self.leds)):self.set_one(i)time.sleep(delay)self.all_off()# 往返扫描（KITT/骑士灯）def bounce(self, delay=0.06, loops=1):n = len(self.leds)for _ in range(loops):for i in range(n):self.set_one(i); time.sleep(delay)for i in range(n-2, 0, -1):self.set_one(i); time.sleep(delay)self.all_off()# 交替闪烁（偶数与奇数分组）def alternate(self, delay=0.2, loops=5):even = [i for i in range(len(self.leds)) if i % 2 == 0]odd  = [i for i in range(len(self.leds)) if i % 2 == 1]for _ in range(loops):self.all_off()for i in even: self._write(i, True)time.sleep(delay)self.all_off()for i in odd:  self._write(i, True)time.sleep(delay)self.all_off()# 随机闪烁（星星点点）def sparkle(self, delay=0.05, duration=3.0):t = 0.0while t < duration:idx = random.randrange(0, len(self.leds))self._write(idx, True)time.sleep(delay)self._write(idx, False)t += delayself.all_off()

5.3 模式演示入口

# 文件：main.py
from led_array import LEDArray# 如担心启动脚，可改为 [4, 16, 17, 5, 18, 19, 21, 22]
PINS = [15, 2, 0, 4, 16, 17, 5, 18]
ACTIVE_HIGH = True  # 若为低电平点亮，改为 False
MODE = "bounce"     # 可选：chase | bounce | alternate | sparkledef main():arr = LEDArray(PINS, active_high=ACTIVE_HIGH)if MODE == "chase":arr.chase(delay=0.08, loops=6)elif MODE == "bounce":arr.bounce(delay=0.06, loops=8)elif MODE == "alternate":arr.alternate(delay=0.2, loops=10)elif MODE == "sparkle":arr.sparkle(delay=0.03, duration=5.0)else:print("Unknown MODE:", MODE)arr.all_off()if __name__ == "__main__":main()

6. 进阶：非阻塞流水（uasyncio 版本）

适合在不阻塞主流程的前提下，持续播放灯效或并发运行多种任务。

# 文件：main.py
from machine import Pin
import uasyncio as asyncioPINS = [15, 2, 0, 4, 16, 17, 5, 18]
ACTIVE_HIGH = Truedef set_pin(pin, on):pin.value(1 if (on == ACTIVE_HIGH) else 0)async def chase_async(pins, delay=0.08):n = len(pins)idx = 0while True:for i in range(n):set_pin(pins[i], i == idx)idx = (idx + 1) % nawait asyncio.sleep(delay)async def bounce_async(pins, delay=0.06):n = len(pins)idx, step = 0, 1while True:for i in range(n):set_pin(pins[i], i == idx)idx += stepif idx == n - 1 or idx == 0:step = -stepawait asyncio.sleep(delay)async def main():pin_objs = [Pin(p, Pin.OUT) for p in PINS]# 并发两个模式，演示多任务（实际运行时二选一更直观）t1 = asyncio.create_task(chase_async(pin_objs, delay=0.08))t2 = asyncio.create_task(bounce_async(pin_objs, delay=0.12))await asyncio.sleep(6)  # 播放一段时间for t in (t1, t2):t.cancel()asyncio.run(main())