零知派ESP32--通过I2C 接口扩展芯片PCF8575使用矩阵键盘控制LED

LingzhiPi

496人浏览 · 2026-08-14 08:48:57

LingzhiPi · 2026-08-14 08:48:57 发布

项目概述

本项目以 ESP32 为主控，通过 I2C 接口扩展芯片 PCF8575，将有限的主控引脚扩展为 16 路数字 I/O，并在其上挂载：

模块	作用
4×4 矩阵键盘	人机输入，控制灯效与工作模式
2 路高电平 LED	状态指示 / 感应联动照明
RGB 三色灯模块	多色彩显示与颜色轮播
SR505 人体感应	有人自动开灯、无人自动灭灯
ST7789 1.3 寸屏（240×240）	实时显示模式、灯态、感应状态

系统上电后默认进入 AUTO（人体感应）模式：有人靠近时两路 LED 点亮，人离开后熄灭。同时可通过矩阵键盘切换到 MANUAL（手动）模式，独立控制 LED、RGB 颜色与轮播。

核心目标：在一块扩展芯片上同时演示 I2C 通信、数字输出驱动、数字输入采集、矩阵键盘扫描、传感器联动与图形界面刷新。

项目亮点

一芯多用：键盘扫描（输入）、LED/RGB 驱动（输出）、人体感应采集（输入）全部走 PCF8575，充分展示 I/O 扩展器的双向能力。
AUTO / MANUAL 双模式：感应自动控灯与按键手动控灯可一键切换，互不抢占 RGB。
矩阵键盘完整消抖 + 边沿触发：按一下只触发一次，不会连发。
RGB 独立轮播：按键 C 控制颜色循环，与感应模式解耦，避免彩灯干扰 PIR。
ST7789 卡片式 UI：240×240 方形屏上分区显示 MODE / LED / RGB / PIR，状态变化即时刷新、不整屏闪烁。
接线容错：键盘排线反向（P17→P10）时，仅改掩码数组即可适配，无需重插线。

项目难点及解决方案

难点	现象	解决方案
PCF8575 高电平驱动能力弱	LED 极暗甚至几乎不亮	输出引脚与 VCC 之间加 330Ω~1kΩ 上拉电阻，写 1 时由电阻供电流，写 0 时芯片灌电流关灯
矩阵键盘与 LED 同芯片	扫描键盘时误把 LED 熄灭	所有写端口统一走 `writePort()`，始终保留当前 `ledState` / `rgbIndex`
RGB 点亮干扰 SR505	开 RGB 后 PIR 一直判“有人”	感应模式只控制两路 LED，不驱动 RGB；RGB 由按键 `C` / `0~7` 独立控制
按键连发 / 抖动	一次按下触发多次	20ms 软件消抖 + 仅在“按下边沿”调用 `onKeyPressed()`
键盘排线方向反了	按键识别错位	用 `ROW_MASKS` / `COL_MASKS` 映射实际引脚，代码适配硬件
屏幕频繁全刷闪烁	UI 闪、观感差	静态背景只画一次（`drawStaticUI`），状态区脏标记刷新（`displayDirty`）
SR505 供电不稳	亮灯后 OUT 粘高、关不掉	保证模块 VCC 接牢 5V，GND 共地；必要时电源脚加滤波电容

一、硬件系统部分

1.1 硬件清单

名称	规格 / 说明	数量
零知ESP32 开发板	带 USB 下载，I2C 默认 GPIO21/22	1
零知ESP32 扩展板	带屏幕接口，方便接线	1
PCF8575 模块	I2C 16 位 I/O 扩展，默认地址 0x20	1
4×4 薄膜矩阵键盘	8 线排针，无源	1
高电平触发 LED 模块	单路信号 + VCC/GND	2
RGB LED 模块	R/G/B 三路独立，共阴或模块 GND	1
SR505 人体感应模块	工作电压约 4.5~20V，OUT 数字输出	1
ST7789 彩屏	240×240，SPI，TFT_eSPI 驱动	1
杜邦线、面包板	—	若干

1.2 接线方案

（1）ESP32 ↔ PCF8575（I2C）

ESP32	PCF8575
GPIO21（SDA）	SDA
GPIO22（SCL）	SCL
5V	VCC
GND	GND

（2）PCF8575 外设分配

PCF8575 引脚	外设	方向
P00	LED1 信号	输出
P01	LED2 信号	输出
P02	RGB-R	输出
P03	RGB-G	输出
P04	RGB-B	输出
P05	SR505 OUT	输入
P06、P07	未用	—
P17~P14	键盘行 R1~R4	输出扫描
P13~P10	键盘列 C1~C4	输入读取

（3）4×4 键盘排线对应关系（本工程实际接法）

键盘正面朝上、排线朝下，从左到右 8 根线：

排线左 → 右：R1 R2 R3 R4 C1 C2 C3 C4
接 PCF8575：  P17 P16 P15 P14 P13 P12 P11 P10

1.3 硬件连接图

                    ┌─────────────┐
                    │    ESP32    │
                    │  SDA=GPIO21 ├──┐
                    │  SCL=GPIO22 ├──┼── I2C 总线
                    │  SPI → TFT  │  │
                    └──────┬──────┘  │
                           │         │
              ┌────────────┴───┐     │
              │  ST7789 240²   │     │
              │  (TFT_eSPI)    │     │
              └────────────────┘     │
                                     │
                    ┌────────────────┴──────┐
                    │      PCF8575 0x20     │
                    │                       │
     P00 ──[上拉]── LED1                    │
     P01 ──[上拉]── LED2                    │
     P02 ──[上拉]── RGB R                   │
     P03 ──[上拉]── RGB G                   │
     P04 ──[上拉]── RGB B                   │
     P05 ────────── SR505 OUT   (+→5V)      │
     P17..P14 ───── 键盘行 R1..R4           │
     P13..P10 ───── 键盘列 C1..C4           │
                    └───────────────────────┘

系统数据流示意：

1.4 实物连接图

二、软件架构设计

2.1 系统初始化（`setup`）

初始化顺序与代码一致：

打开串口 115200
tft.init() + setRotation()，调用 drawStaticUI() 画静态背景
Wire.begin(21, 22)，I2C 时钟 100kHz
探测 PCF8575 地址 0x20 是否应答
writePort(0xFF00)：LED/RGB 灭，行列写 1，P05~P07 保持输入
读取一次 PIR 电平，置 displayDirty，等待主循环刷新动态区

2.2 主循环逻辑（`loop`）

每个循环周期（约 5ms 间隔）依次执行：

A[scanMatrix 扫描键盘] --> B[消抖 + 边沿检测]
B -->|确认按下| C[onKeyPressed]
B --> D{autoMode?}
D -->|是| E[handleMotion 有人开灯/无人灭灯]
D -->|否| F[跳过感应]
E --> G[handleRgbCycle]
F --> G
G --> H[每 200ms 采样 PIR 电平]
H --> I{displayDirty?}
I -->|是| J[updateDisplay]
I -->|否| K[delay 5ms]
J --> K

设计要点：

键盘优先：先扫键再处理感应，保证按键响应及时
脏标记刷新：只有状态变化才重画动态卡片，降低 SPI 负担
感应与 RGB 解耦：handleMotion 只改 ledState，不改 rgbIndex

三、代码拆分讲解

3.1 底层读写 PCF8575

void writePCF8575(uint16_t value);  // 先低字节 P00-P07，再高字节 P10-P17
uint16_t readPCF8575();             // requestFrom 2 字节拼成 16 位

writePort(rowColBits) 是关键写出口：高字节负责行列扫描，低字节始终合并：

ledBits()：LED1/2 + RGB 三通道
UNUSED_LOW：P05~P07 写 1，保证 PIR 可被外部驱动

3.2 矩阵键盘扫描 `scanMatrix`

逐行将对应行掩码拉低，其余行/列写 1
延时约 500µs 等待稳定
读端口，列位为 0 表示该键按下
扫完后恢复行列全 1，并保持 LED/RGB 状态不变

消抖在 loop 中完成：电平变化后稳定 ≥20ms，且仅在 按下瞬间 触发事件。

3.3 按键事件 `onKeyPressed`

按键	行为
`0`~`7`	直接设 RGB 颜色，关闭轮播
`A` / `B`	切换 LED1 / LED2，并退出 AUTO
`C`	开关 RGB 轮播（开：从红色起每秒换色；关：RGB 熄灭）
`D`	切换 AUTO / MANUAL
`#`	LED 全亮 + RGB 白，退出 AUTO，停轮播
`*`	全灭，退出 AUTO，停轮播

3.4 人体感应 `handleMotion`

读 P05 → 50ms 消抖得到 motionStable
true：ledState = 0x03（两灯亮）
false：ledState = 0x00（两灯灭）
不修改 RGB

进入 AUTO 时，setAutoMode(true) 会故意翻转一次稳定态，强制按当前传感器电平立刻同步灯态。

3.5 RGB 轮播 `handleRgbCycle`

rgbCycle == true 时，每 1000ms：rgbIndex 在 1~7 循环（红→绿→黄→蓝→紫→青→白）。

3.6 屏幕显示

drawStaticUI()：背景、顶栏、分区标签（只跑一次）
updateDisplay()：刷新 MODE / LED 圆点 / RGB 色点与名称 / PIR 状态与 OUT:H/L

四、操作过程及数据展示

4.1 操作步骤

接线检查
- I2C：SDA/SCL、共地
- LED/RGB：IN→P00/P01/P02/P03/P04
- SR505：+→5V，OUT→P05，-→GND
- 键盘：左→右接 P17→P10
编译烧录
- 开发板选零知ESP32，波特率 115200
- 打开串口监视器，应看到 PCF8575 OK. 与 Ready.
功能验证

步骤	操作	预期现象
①	上电默认 AUTO	屏显 MODE=AUTO；挥手 LED 亮，离开后灭；PIR 显示 MOTION/IDLE
②	按 `A` / `B`	进入 MANUAL；对应 LED 翻转
③	按 `1`~`7`	RGB 变为对应颜色；屏上颜色名同步
④	按 `C`	RGB 开始轮播，屏显 CYCLE；再按 `C` 停止并熄灭
⑤	按 `D`	在 AUTO / MANUAL 间切换
⑥	按 `#` / `*`	全开（白）/ 全关

屏幕与串口对照
- 屏右上角显示最近按键字符
- 串口打印：Key: x LED1:.. LED2:.. RGB:.. Auto:ON/OFF
- 感应动作打印：[Auto] Motion -> LEDs ON / Idle -> LEDs OFF

按键速查表

[1] [2] [3] [A]     0~7 : RGB 定色（停轮播）
[4] [5] [6] [B]     A/B : LED1 / LED2 切换（进 MANUAL）
[7] [8] [9] [C]     C   : RGB 轮播开关
[*] [0] [#] [D]     D   : AUTO / MANUAL
                    #/* : 全开 / 全关

4.2 演示视频

零知派ESP32--通过PCF8575使用矩阵键盘控制LED

五、技术原理

5.1 工作原理

（1）PCF8575 准双向口

写 1：引脚为弱上拉/高阻输入态，可被外部拉低，也可外加上拉电阻对外供电
写 0：强下拉，灌电流能力强（适合关断高电平 LED）
因此“高电平点亮 LED”必须外加电阻，不能指望芯片内部弱上拉直接点灯

（2）矩阵键盘扫描

行列交叉处按下时，被拉低的行会把对应列线拉低。MCU 逐行输出低电平并读列，即可定位键位，再经 KEYMAP 映射为 '0'`‘9’`、`‘A’`'D'、'*'、'#'。

（3）SR505 人体感应

热释电传感器检测人体红外变化。检测到运动时 OUT 输出高电平，并保持约数秒（硬件固定，SR505 一般不可调电位器）。本工程以该数字电平作为“有人/无人”依据。
（4）I2C 多设备与 SPI 屏

PCF8575 独占 I2C（本工程地址 0x20）
ST7789 走 SPI，与 I2C 总线分离，互不抢总线

5.2 工作模式配置

模式	进入方式	LED	RGB	说明
AUTO	上电默认 / 按 `D` 切入	由 SR505 自动控制	不联动；仍可用 `C`/`0~7` 手动控	屏显绿色 AUTO
MANUAL	按 `A`/`B`/`#`/`*` 或 `D` 切出	按键手动	按键手动	屏显橙色 MANUAL

相关宏配置（可按硬件微调）：

#define PCF8575_ADDR       0x20  // I2C 地址，A0/A1/A2 接地时通常为 0x20
#define LED_ACTIVE_LOW     0     // 0=高电平亮（上拉接法）；1=低电平亮（灌电流接法）
#define MOTION_ACTIVE_HIGH 1     // 1=OUT 高表示有人；模块相反则改 0
const uint32_t MOTION_DEBOUNCE_MS = 50;
const uint32_t DEBOUNCE_MS = 20;

键盘引脚映射（本工程反向排线）：

ROW_MASKS = {P17, P16, P15, P14};
COL_MASKS = {P13, P12, P11, P10};

六、常见问题指引

Q1：串口提示 `PCF8575 not found at 0x20`

检查 SDA/SCL 是否接 GPIO21/22、模块供电与共地；用 I2C 扫描确认实际地址（若跳线改地址，同步改 PCF8575_ADDR）。

Q2：按键识别错位（按 1 变成别的键）

排线方向或行列对调。对照本文 1.2 节改线，或只改 ROW_MASKS / COL_MASKS / KEYMAP。

Q3：按一下键触发很多次

确认使用的是边沿触发消抖逻辑；机械抖动过大时可把 DEBOUNCE_MS 提到 30~50。

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一、硬件系统部分

1.1 硬件清单

1.2 接线方案

1.3 硬件连接图

1.4 实物连接图

二、软件架构设计

2.1 系统初始化（setup）

2.2 主循环逻辑（loop）

三、代码拆分讲解

3.1 底层读写 PCF8575

3.2 矩阵键盘扫描 scanMatrix

3.3 按键事件 onKeyPressed

3.4 人体感应 handleMotion

3.5 RGB 轮播 handleRgbCycle

3.6 屏幕显示

四、操作过程及数据展示

4.1 操作步骤

4.2 演示视频

五、技术原理

5.1 工作原理

5.2 工作模式配置

六、常见问题指引

Q1：串口提示 PCF8575 not found at 0x20

Q2：按键识别错位（按 1 变成别的键）

Q3：按一下键触发很多次

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2.1 系统初始化（`setup`）

2.2 主循环逻辑（`loop`）

3.2 矩阵键盘扫描 `scanMatrix`

3.3 按键事件 `onKeyPressed`

3.4 人体感应 `handleMotion`

3.5 RGB 轮播 `handleRgbCycle`

Q1：串口提示 `PCF8575 not found at 0x20`