按键控制LED实验

我们要结合数字输入输出功能，制作一个可控制的LED。实现按住按键时，点亮LED，放开按键后，熄灭LED的效果。实验中我们将用到按键或者按键模块，常见的有2脚按键和4脚按键，其内部如图1所示。当按下按键时，就会接通按键两端，放开时，两端会再次断开。
在这里插入图片描述图1
所需材料
Arduino、面包板、LED一个、按键一个、220Ω电阻一个、10KΩ电阻一个

连接示意图
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原理图
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如上图所示，我们使用了两个电阻。LED的一端，我们使用了220Ω的电阻，按键一端，我们使用了10K的电阻，两个电阻的作用分别如下：
限流电阻
一般LED的最大能承受的电流为25mA，如若直接将LED连接到电路中，当其点亮时，如果电流过大，很容易烧毁。我们在LED一端串联了一个电阻R2，这样做可以控制流过LED的电流，防止损坏LED。这个电阻我们称之为限流电阻。
下拉电阻
在Arduino的2号引脚到GND之前，连接了一个阻值10K的电阻。如果没有该电阻，当未按下按键时，2号引脚会一直处于悬空状态，此时使用digitalRead() 读取2号引脚状态，会得到一个不稳定的值（可能是高，也可能是低）。添加这个R1电阻到地就是为了稳定引脚的电平，当引脚悬空时，就会识别为低电平。而这种将某节点通过电阻接地的做法，叫做下拉，这个电阻叫做下拉电阻。

实现方法分析
当未按下按键时，2号引脚检测到的输入电压为低电平；当按下按键时，会导通2号引脚和VCC，此时2号引脚检测到的输入电压为高电平。通过判断按键是否被按下，来控制LED的亮灭。

示例程序

int buttonPin = 2;    //定义2号端口为连接按键的端口
int ledPin =13;       //定义13号端口为连接LED灯的端口

void setup() {        //初始化各个端口的输入输出模式
  pinMode(buttonPin,INPUT);//
  pinMode(ledPin,OUTPUT);
}

void loop() {  
/********************************************
digital————数字信号
analog————模拟信号
Read()————读操作
Write()————写操作
digitalRead(端口)————读取括号里端口的数字信号
digitalWrite(端口,信号)————给端口写一个数字信号
********************************************/

/********************************************
 *if—else判断语句：
     if(条件){
     	语句1;
     }
     else{
     	语句2;
     }
当满足（）里的条件时执行语句1的代码，否则执行语句2的代码
********************************************/

  if(digitalRead(buttonPin) == HIGH){    
    digitalWrite(ledPin,HIGH);
  }
  else{
    digitalWrite(ledPin,LOW);
  }
}

编译并上传该程序后，按下按键，你会观察到LED会被点亮，松开按键，LED又会熄灭。

接下来我们要对控制程序做一个升级，完成一个新的控制效果。按一下按键，点亮LED；再按一下按键，熄灭LED。
程序代码如下：

int buttonPin = 2;
int ledPin =13;
int ledState = false;   //定义一个变量来判断LED灯的状态，初始状态为false表示灯灭的状态

void setup() {
  Serial.begin(9600);     //建立一个串口
  pinMode(buttonPin,INPUT);
  pinMode(ledPin,OUTPUT);
}

void loop() {
 //等待按键按下
  /*********************************************************************
   * while（条件）循环语句，满足条件则进入循环
  {}里没有代码则是保持原来的状态
  **********************************************************************/
  while(digitalRead(buttonPin)==LOW)
  { 
  }
  
  //当按键按下时改变LED灯的状态
  /*********************************************************************
   * !ledState——变量逻辑非
   即ledState为false时!ledState为true；ledState为true时!ledState为false。
   * ledState = !ledState;——刷新LED灯的状态（把改变后的状态重新赋给ledState）
  **********************************************************************/
  if(ledState == false)
  {
    digitalWrite(ledPin,HIGH);
    ledState = !ledState;     
  }
  else
  {
    digitalWrite(ledPin,LOW);
    ledState = !ledState;
  }
  Serial.println(ledState);     //通过串口观察ledState的值是否发生改变
  delay(500);
}

编译并上传该程序后，每按一下按键，LED状态都会改变。以上程序中，使用了
while( digitalRead(buttonPin)==LOW ) { }
因为在初始化时，我们已经将buttonPin引脚设为了输入下拉状态。如果没有按下按键，使用digitalRead(buttonPin) 读出的值始终为低电平，这个循环也将一直运行；当你按下按键后，digitalRead(buttonPin) 读出了高电平，while循环的判断条件为假，程序会退出这个循环，并开始运行此后的语句。这样我们就实现了一个等待用户按下按键的效果。
程序末尾有一个delay(500) 的延时，它在这里是极其重要的。可以尝试删去这个延时操作，再上传程序到Arduino。你会发现按键经常出现控制失灵的情况。这是因为程序运行的非常快，没有了延时操作，你按下按键到放开按键的间隔时间虽然极短，但loop中的语句可能已经运行了很多次，很难确定你放开按键时正在运行的loop() 循环是点亮还是熄灭LED。正是这样的原因，程序变得不那么好用了。
上面程序中，我们使用延时操作来使两次按键间产生一定的间隔时间，在间隔时间内Arduino会忽略按键按下情况，从而达到区分两次按键的目的。

项目进阶
对于在以上项目，我们还可以做如下修改。

连接示意图

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如上，我们去掉了原来电路中2号引脚连接的下拉电阻，并将按键的一端连接到GND；

原理图
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同时，我们需要将原程序setup() 部分中的pinMode (buttonPin,INPUT); 修改为 pinMode (buttonPin,INPUT_PULLUP):
这样能使能该引脚上的内部上拉电阻，等效于在该引脚到VCC之间连接一个外部上拉电阻。
上拉电阻
同下拉电阻一样，可以稳定I/O口电平，不同的是电阻连接到VCC，将引脚稳定在高电位。这种电阻叫做上拉电阻。
这里使用的是内部上拉电阻，也可以使用外部上拉电阻替代。稳定悬空引脚的电平所用电阻应该选择合适的阻值，例如10K。

此时上面的程序则需要作如下修改：
程序1
pinMode (buttonPin,INPUT); 修改为 pinMode (buttonPin,INPUT_PULLUP);
程序2
pinMode (buttonPin,INPUT); 修改为 pinMode (buttonPin,INPUT_PULLUP):

while(digitalRead(buttonPin)==LOW) 修改为 while(digitalRead(buttonPin)==HIGH)

digitalWrite(ledPin,HIGH); 修改为 digitalWrite(ledPin,LOW);

digitalWrite(ledPin,LOW); 修改为 digitalWrite(ledPin,HIGH);
编译并上传该程序后，每按一下按键，LED状态都会改变。以上程序中，使用了
while( digitalRead(buttonPin)==HIGH ) { }
因为在初始化时，我们已经将buttonPin引脚设为了输入上拉状态。如果没有按下按键，使用digitalRead(buttonPin) 读出的值始终为高电平，这个循环也将一直运行；当你按下按键后，digitalRead(buttonPin) 读出了低电平，while循环的判断条件为假，程序会退出这个循环，并开始运行此后的语句。这样我们就实现了一个等待用户按下按键的效果。

按键控制LED实验

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