GPIO 数字输入与输出

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 * 第 3 章 · 实战案例 03-1：按键控制 LED + 蜂鸣器报警（输入输出综合）
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 * 硬件清单与元器件原理：
 *   1) 轻触按键 × 1 —— 一对常开触点，按下时导通、松开时断开，本质是一个「机械开关」。
 *      机械触点存在约 5~20ms 的抖动（bounce），程序必须做消抖处理，否则一次按压
 *      会被识别成好几次。
 *   2) LED × 1 —— 二极管单向导电，正向导通电压约 1.8~2.2V，超过额定电流会烧毁。
 *      串 220Ω 电阻做限流，把电流限制在约 (3.3-2.0)/220 ≈ 6mA。
 *   3) 有源蜂鸣器 × 1 —— 内置驱动电路，给电就响，通电电流约 20~30mA。
 *      ⚠ 必须用「有源」蜂鸣器；无源蜂鸣器需要自己输出方波，本章用的是有源款。
 *   4) 220Ω 电阻 × 1（LED 限流用）
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 * 接线方式：
 *   按键 K1：
 *     GPIO4  →  按键一侧
 *     按键另一侧 → GND
 *     （程序内部开启内部上拉，按下时读到 LOW）
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 *   LED D1：
 *     GPIO18 → [220Ω] → LED 阳极（长脚）
 *     LED 阴极（短脚）→ GND
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 *   蜂鸣器 B1（有源）：
 *     GPIO19 → 蜂鸣器正极
 *     蜂鸣器负极 → GND
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 * 功能用途：
 *   综合练习 GPIO 的「输入」和「输出」两种方向：
 *   - 短按按键 → 切换 LED 亮灭
 *   - 长按按键（≥1.5 秒）→ 触发蜂鸣器报警 3 秒
 *
 * 预期现象：
 *   短按一次按键，LED 状态翻转；长按按键，蜂鸣器连续响 3 秒后停止。
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#include <Arduino.h>   // Arduino 核心库

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 * 一、引脚定义
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#define BUTTON_PIN  4        // 按键接 GPIO4（内部上拉，无需外部电阻）
#define LED_PIN     18       // LED 接 GPIO18
#define BUZZER_PIN  19       // 有源蜂鸣器接 GPIO19

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 * 二、参数与常量
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const class="kw">unsigned long DEBOUNCE_MS    = 50;      // 消抖时间：抖动通常在 20ms 内，50ms 足够
const class="kw">unsigned long LONG_PRESS_MS  = 1500;    // 长按判定阈值：按住超过 1.5 秒算长按
const class="kw">unsigned long BUZZER_DUR_MS  = 3000;    // 蜂鸣器持续响的时间

// 数字逻辑的「真 / 假」用常量表达，比直接写 1 和 0 更容易读懂
const bool LED_ON  = true;
const bool LED_OFF = false;

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 * 三、状态变量
 * ======================================================================== */
bool ledState = LED_OFF;             // LED 当前状态
bool buzzerActive = false;           // 蜂鸣器是否正在响

class="kw">unsigned long buttonPressedAt = 0;   // 按键被按下的时刻
bool longPressHandled = false;       // 本次按压是否已经触发过长按（避免重复触发）
bool lastButtonReading = HIGH;       // 上一次读到的按键电平，用于检测「按下瞬间」

class="kw">unsigned long buzzerOffAt = 0;       // 蜂鸣器应该停止的时刻
class="kw">unsigned long lastDebounceChange = 0;// 按键电平最后一次「稳定变化」的时刻

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 * 四、初始化
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void setup() {
  Serial.begin(115200);   // 启动串口
  delay(200);            // 等待串口芯片就绪

  // 按键引脚：INPUT_PULLUP 表示「内部上拉」——
  // 引脚内部接了一个拉到 3.3V 的电阻，悬空时读到的就是 HIGH；
  // 按键按下把引脚接到 GND，读到 LOW。这样只需要 2 根线，不用外接上拉电阻。
  pinMode(BUTTON_PIN, INPUT_PULLUP);

  // LED 和蜂鸣器都是输出
  pinMode(LED_PIN, OUTPUT);
  pinMode(BUZZER_PIN, OUTPUT);

  digitalWrite(LED_PIN, HIGH);       // LED 初始熄灭（低电平点亮，故写 HIGH）
  digitalWrite(BUZZER_PIN, LOW);     // 蜂鸣器初始不响（有源蜂鸣器高电平响）

  Serial.println(class="st">"[GPIO] 初始化完成");
  Serial.println(class="st">"[GPIO] 短按按键 = 切换 LED；长按 1.5 秒 = 蜂鸣器响 3 秒");
}

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 * 五、自定义函数：让蜂鸣器开始响
 * ======================================================================== */
void startBuzzer() {
  buzzerActive = true;               // 标记为「正在响」
  digitalWrite(BUZZER_PIN, HIGH);    // 有源蜂鸣器：高电平通电发声
  buzzerOffAt = millis() + BUZZER_DUR_MS;  // 记录应该停止的时刻
  Serial.println(class="st">"[GPIO] >>> 触发报警：蜂鸣器响 3 秒");
}

/* ==========================================================================
 * 六、自定义函数：切换 LED 状态
 * ======================================================================== */
void toggleLed() {
  ledState = !ledState;              // 取反：true↔false
  digitalWrite(LED_PIN, ledState ? LOW : HIGH);   // 低电平点亮
  Serial.print(class="st">"[GPIO] LED 状态：");
  Serial.println(ledState ? class="st">"ON" : class="st">"OFF");
}

/* ==========================================================================
 * 七、主循环
 * ======================================================================== */
void loop() {
  class="kw">unsigned long now = millis();

  /* ---- 1. 蜂鸣器超时自动停止 ---- */
  if (buzzerActive && now >= buzzerOffAt) {
    buzzerActive = false;
    digitalWrite(BUZZER_PIN, LOW);   // 拉低，蜂鸣器停止
    Serial.println(class="st">"[GPIO] <<< 报警结束，蜂鸣器已停止");
  }

  /* ---- 2. 读取按键 + 消抖 ---- */
  // 读取当前电平。因为是上拉模式，按下 = LOW，松开 = HIGH
  bool reading = digitalRead(BUTTON_PIN);

  // 只有当读数与「上次稳定读数」不同，且距离上次变化已超过消抖时间，才认为状态真的变了。
  // 这样可以滤掉机械触点在接触瞬间产生的一串快速通断。
  if (reading != lastButtonReading && (now - lastDebounceChange) > DEBOUNCE_MS) {
    lastDebounceChange = now;        // 记录这次「确认有效」的变化时刻
    lastButtonReading = reading;     // 更新稳定读数

    if (reading == LOW) {
      // 确认检测到「按下」动作
      buttonPressedAt = now;         // 记下按下的时刻，用于判断长按
      longPressHandled = false;      // 本次按压还没触发过长按
      Serial.println(class="st">"[GPIO] 检测到按键按下");
    } else {
      // 检测到「松开」
      if (!longPressHandled) {
        // 如果整个按压过程中没有触发过长按，说明这是一次「短按」→ 切换 LED
        toggleLed();
      } else {
        Serial.println(class="st">"[GPIO] 长按结束（本次不切换 LED）");
      }
    }
  }

  /* ---- 3. 长按检测 ---- */
  // 条件：按键仍处于按下状态（reading == LOW）且按住时间已超过阈值，且本次尚未触发过
  if (reading == LOW && !longPressHandled && (now - buttonPressedAt) >= LONG_PRESS_MS) {
    longPressHandled = true;         // 标记已触发，防止抖动导致连响
    startBuzzer();                   // 启动蜂鸣器
  }
}