Hướng dẫn dùng ngắt GPIO trên ESP32: đọc nút nhấn, chống dội và đếm xung

Hướng dẫn dùng ngắt GPIO trên ESP32 với Arduino IDE: attachInterrupt, các kiểu kích ngắt, chống dội nút nhấn, đếm xung đo tần số và quy tắc viết hàm ngắt an toàn.

Khi chương trình còn bận đọc cảm biến, vẽ màn hình hay gửi dữ liệu, một lần nhấn nút ngắn rất dễ bị bỏ lỡ. Ngắt (interrupt) giải quyết việc này: phần cứng tự theo dõi chân GPIO và gọi ngay một hàm riêng khi tín hiệu thay đổi. Bài viết hướng dẫn dùng ngắt GPIO trên ESP32 với Arduino IDE: đọc nút nhấn có chống dội, đếm xung để đo tần số và những quy tắc cần nhớ khi viết hàm ngắt.

1. Hỏi vòng và ngắt khác nhau thế nào?

• Hỏi vòng (polling): loop() gọi digitalRead() lặp đi lặp lại. Cách này đơn giản nhưng nếu loop() đang bận việc khác thì sự kiện ngắn sẽ bị bỏ qua.
• Ngắt (interrupt): khi chân đổi trạng thái, ESP32 tạm dừng chương trình chính, chạy một hàm ngắn gọi là hàm phục vụ ngắt (ISR), rồi quay lại làm tiếp.

Ngắt phù hợp với nút nhấn, encoder, cảm biến phát xung như cảm biến lưu lượng và cảm biến tốc độ, hoặc chân báo dữ liệu sẵn sàng của các IC đo lường. Trên ESP32, mọi chân GPIO đọc được tín hiệu đều dùng được làm chân ngắt.

2. Kiểu kích ngắt và hiện tượng dội phím

Dội phím: tiếp điểm cơ khí của nút nhấn không đóng dứt khoát mà nảy vài lần trong vài mili giây. Mỗi lần nảy tạo thêm một sườn xung, nên một lần nhấn có thể gây ra nhiều lần ngắt. Cách xử lý đơn giản nhất là bỏ qua mọi ngắt xảy ra trong khoảng 50 ms sau ngắt đầu tiên.

3. Linh kiện cần chuẩn bị

• ESP32 DevKit V1 30 chân (hoặc bản dùng chip CH340) và cáp USB có truyền dữ liệu.
• Một nút nhấn thường hở.
• Breadboard MB-102 và dây cắm test board.
• Máy tính đã cài Arduino IDE 2.x và gói esp32 by Espressif Systems phiên bản 3.x (bài dùng 3.3.10). Không cần cài thêm thư viện.

4. Sơ đồ nối dây

Không cần điện trở ngoài: lệnh pinMode(NUT_PIN, INPUT_PULLUP) bật điện trở kéo lên bên trong chip. Riêng GPIO34–39 không có điện trở kéo bên trong, nếu dùng các chân này phải gắn thêm điện trở khoảng 10 kΩ từ chân lên 3V3.

5. Chương trình 1: nhấn nút để bật, tắt LED

Mỗi lần nhấn nút, hàm ngắt tăng một biến đếm. loop() thấy biến đếm thay đổi thì đảo trạng thái LED có sẵn trên mạch và in ra Serial Monitor:

/*
  PYWORLD.VN - ESP32 ngắt GPIO: nhấn nút để bật, tắt LED, có chống dội
  Nút nhấn nối giữa GPIO27 và GND (dùng điện trở kéo lên bên trong chip)
  LED có sẵn trên mạch DevKit V1: GPIO2
  Không cần cài thêm thư viện
*/

#define NUT_PIN  27
#define LED_PIN  2
#define THOI_GIAN_CHONG_DOI_MS  50

// Biến dùng chung giữa hàm ngắt và loop() phải khai báo volatile
volatile unsigned long soLanNhan = 0;
volatile unsigned long lanNgatTruoc = 0;

unsigned long soLanDaXuLy = 0;

// Hàm phục vụ ngắt: thật ngắn, không dùng Serial, không dùng delay()
void IRAM_ATTR khiNhanNut() {
  unsigned long bayGio = millis();
  if (bayGio - lanNgatTruoc > THOI_GIAN_CHONG_DOI_MS) {   // Bỏ qua các xung dội
    soLanNhan++;
    lanNgatTruoc = bayGio;
  }
}

void setup() {
  Serial.begin(115200);
  delay(500);

  pinMode(LED_PIN, OUTPUT);
  pinMode(NUT_PIN, INPUT_PULLUP);   // Không nhấn: mức cao. Nhấn: mức thấp

  // Gọi hàm khiNhanNut() mỗi khi chân chuyển từ mức cao xuống mức thấp
  attachInterrupt(digitalPinToInterrupt(NUT_PIN), khiNhanNut, FALLING);

  Serial.println("San sang. Nhan nut de bat, tat LED.");
}

void loop() {
  unsigned long soLan = soLanNhan;   // Chép giá trị ra biến thường rồi mới xử lý

  if (soLan != soLanDaXuLy) {
    soLanDaXuLy = soLan;
    digitalWrite(LED_PIN, !digitalRead(LED_PIN));
    Serial.printf("Nhan lan thu %lu, LED %s\n", soLan, digitalRead(LED_PIN) ? "BAT" : "TAT");
  }

  // Trong lúc chờ nút nhấn, chương trình chính vẫn rảnh để làm việc khác
  delay(10);
}

Chọn board DOIT ESP32 DEVKIT V1, nạp chương trình rồi mở Serial Monitor ở 115200 baud:

6. Giải thích và năm quy tắc khi viết hàm ngắt

• attachInterrupt(digitalPinToInterrupt(NUT_PIN), khiNhanNut, FALLING): gắn hàm khiNhanNut() vào chân nút nhấn, kích ở sườn xuống. Muốn gỡ ngắt, gọi detachInterrupt(digitalPinToInterrupt(NUT_PIN)).
• millis() trong hàm ngắt dùng để so thời gian với lần ngắt trước; các ngắt đến sớm hơn 50 ms bị coi là dội phím và bỏ qua.
• loop() chép soLanNhan ra biến thường soLan rồi mới xử lý, để giá trị không bị đổi giữa chừng.

Hàm ngắt chen ngang chương trình chính nên phải tuân theo vài quy tắc:

1. Thêm IRAM_ATTR trước tên hàm để hàm được đặt trong RAM. Thiếu từ khóa này, ESP32 có thể tự khởi động lại nếu ngắt xảy ra đúng lúc chương trình đang ghi bộ nhớ flash.
2. Viết thật ngắn: chỉ ghi nhận sự kiện bằng một biến cờ hoặc biến đếm, phần xử lý để cho loop().
3. Không gọi Serial.print(), delay() và không tính toán số thực trong hàm ngắt.
4. Khai báo volatile cho mọi biến dùng chung giữa hàm ngắt và chương trình chính.
5. Bảo vệ thao tác nhiều bước: khi chương trình chính vừa đọc vừa xóa một biến của hàm ngắt, đặt hai lệnh đó giữa portENTER_CRITICAL() và portEXIT_CRITICAL() như ở chương trình 2.

7. Chương trình 2: đếm xung và tính tần số

Nhiều cảm biến báo kết quả bằng số xung: cảm biến lưu lượng nước, cảm biến tốc độ quay, đồng hồ đo gió. Chương trình sau đếm số sườn lên trong mỗi giây để ra tần số. Để thử mà không cần cảm biến, ESP32 tự phát xung 1000 Hz ở GPIO25 và đếm lại ở GPIO26 qua một dây nối:

/*
  PYWORLD.VN - ESP32 ngắt GPIO: đếm xung và tính tần số
  Nối một dây từ GPIO25 (phát xung thử 1000 Hz) sang GPIO26 (đếm xung)
  Không cần cài thêm thư viện (gói esp32 phiên bản 3.x)
*/

#define PHAT_XUNG_PIN  25
#define DEM_XUNG_PIN   26

volatile unsigned long soXung = 0;
portMUX_TYPE khoa = portMUX_INITIALIZER_UNLOCKED;

// Mỗi sườn lên của tín hiệu gọi hàm này một lần
void IRAM_ATTR khiCoXung() {
  portENTER_CRITICAL_ISR(&khoa);
  soXung++;
  portEXIT_CRITICAL_ISR(&khoa);
}

void setup() {
  Serial.begin(115200);
  delay(500);

  // Tạo xung thử 1000 Hz, duty 50 % trên GPIO25 bằng bộ PWM
  ledcAttach(PHAT_XUNG_PIN, 1000, 8);
  ledcWrite(PHAT_XUNG_PIN, 128);

  pinMode(DEM_XUNG_PIN, INPUT_PULLDOWN);
  attachInterrupt(digitalPinToInterrupt(DEM_XUNG_PIN), khiCoXung, RISING);
}

void loop() {
  delay(1000);

  // Lấy số xung của 1 giây vừa qua rồi xóa bộ đếm; tạm khóa để ngắt không chen vào giữa hai lệnh
  portENTER_CRITICAL(&khoa);
  unsigned long dem = soXung;
  soXung = 0;
  portEXIT_CRITICAL(&khoa);

  Serial.printf("Tan so: %lu Hz\n", dem);
}

Ví dụ kết quả trên Serial Monitor (số minh họa):

Tan so: 1000 Hz
Tan so: 1000 Hz
Tan so: 1001 Hz

• Biến khoa kiểu portMUX_TYPE là khóa bảo vệ biến đếm. Trong hàm ngắt dùng cặp lệnh có đuôi _ISR, trong chương trình chính dùng cặp lệnh thường.
• Số đếm có thể lệch một đơn vị vì khoảng 1 giây tạo bằng delay() không chính xác tuyệt đối.
• Khi nối cảm biến thật, bỏ hai dòng ledcAttach(), ledcWrite() và đưa tín hiệu của cảm biến vào GPIO26. Tín hiệu phải nằm trong khoảng 0–3,3 V.
• Cách đếm bằng ngắt phù hợp với tín hiệu đến vài chục kHz. Tần số cao hơn nên dùng bộ đếm xung phần cứng (PCNT) của ESP32.

8. Một số cách chống dội khác

• Tăng thời gian chống dội: nút nhấn cũ hoặc công tắc hành trình có thể dội lâu hơn; thử tăng THOI_GIAN_CHONG_DOI_MS lên 100–200.
• Chống dội bằng phần cứng: mắc một tụ gốm 100 nF song song với nút nhấn để làm mượt các xung dội.
• Nhiều nút nhấn: mỗi nút một chân ngắt và một hàm ngắt riêng. Với màn hình OLED 0.96 inch loại kèm 4 nút nhấn, cách này giúp làm menu mà không bỏ lỡ lần nhấn nào trong lúc màn hình đang vẽ.

9. Xử lý lỗi thường gặp

• ESP32 tự khởi động lại, Serial Monitor hiện "Guru Meditation Error": hàm ngắt thiếu IRAM_ATTR, chạy quá lâu hoặc có gọi Serial.print(), delay(). Rút gọn hàm ngắt theo mục 6.
• Nhấn một lần mà đếm nhiều lần: thời gian chống dội còn ngắn so với nút đang dùng; tăng THOI_GIAN_CHONG_DOI_MS hoặc thêm tụ 100 nF.
• Nhấn nút không có phản ứng: kiểu kích không khớp với cách nối. Nút nối xuống GND dùng INPUT_PULLUP và FALLING; nút nối lên 3V3 dùng INPUT_PULLDOWN và RISING.
• Ngắt tự xảy ra khi không ai nhấn: chân đang thả nổi do thiếu điện trở kéo, hoặc dây nối quá dài bị nhiễu. Bật điện trở kéo bên trong hoặc thêm điện trở ngoài 10 kΩ.
• Biến đếm trong loop() không thay đổi: thiếu từ khóa volatile.
• Chương trình 2 luôn in 0 Hz: chưa nối dây D25 sang D26, hoặc đang dùng gói esp32 phiên bản 2.x chưa có lệnh ledcAttach().
• Không nạp được chương trình: dùng cáp USB có truyền dữ liệu, chọn đúng cổng COM và giữ nút BOOT khi IDE dừng ở dòng Connecting...

Xem thêm: dùng thanh cảm biến dò line 5 kênh TCRT5000 với ESP32, ESP32 điều khiển module relay 4 kênh và ESP32 làm web server điều khiển relay qua Wi-Fi.