GPIO – My Sci

กระทู้นี้เป็นกระทู้แรกในชุดของกระทู้ไมโครคอนโทรลเลอร์ที่ผมตั้งใจจะเขียน คือผมได้เพิ่งจะทดลองเล่นบอร์ดไมโครคอนโทรลเลอร์ที่ได้รับความนิยมสูงสุดรุ่นหนึ่งคือ ESP32 ได้ทดลองมาระยะหนึ่งจึงตัดสินใจนำมาเขียนบทความเป็นชุด ที่จริงแล้วบทความภาษาไทยเกี่ยวกับ ESP32 มีเยอะมากในอินเตอร์เน็ต แต่ในพันทิปเท่าที่ผมเห็นยังไม่มีเขียนแบบจริงจังเป็นแบบซีรี่ย์ของบทความ จึงอยากจะเขียนเผยแพร่ให้เพื่อนสมาชิกหรือน้อง ๆ ที่สนใจจะทำ project

ESP32 เป็นไมโครคอนโทรลเลอร์ที่นิยมกันมากใกล้เคียงกับ Arduino …. ESP32 มีคุณสมบัติพิเศษก็คือมี Wi-Fi และ Bluetooth ในตัวเอง มันออกแบบมาสำหรับสร้าง project เกี่ยวกับ IoT โดยเฉพาะเนื่องจากมันสามารถเชื่อมต่อกับ Wi-Fi router ในบ้านได้ และเป็น Wi-Fi hotspot เองก็ได้และที่เด็ดคือมันทำหน้าที่เป็น Web server ในตัวเองได้

งาน IoT ขออธิบายให้เห็นภาพก็คือ …. เราออกไปนอกบ้านไปต่างจังหวัดหรือต่างประเทศก็ได้ เรายังสามารถหยิบมือถือขึ้นมาเปิดเวบ (Dashboard) ที่เราเขียนไว้เพื่อดูสถานะของ Sensor ต่าง ๆ ที่บ้านเช่น ….
– ประตู/หน้าต่างยังปิดดีอยู่ไหม
– ฝนตกหรือไม่
– แดดแรงแค่ไหนสำหรับโซล่าเซลล์
– อุณหภูมิเท่าไหร่
และสามารถกดสั่งเปิดไฟ / เปิดแอร์ / ให้อาหารเม็ดหมา-แมวอะไรลักษณะนี้ได้ โดยทั้งหมดสามารถกระทำผ่าน web dashboard ในมือถือ …. นี่คือ concept ของ IoT ครับ ซึ่ง ESP32 สามารถทำได้ทั้งหมด

สำหรับท่านที่สนใจจะเล่นและยังไม่ได้ซื้อบอร์ด ESP32 นี้ ขอแนะนำเลยว่าให้ซื้อบอร์ด “ESP32 S3 N16R8” เท่านั้น เนื่องจากบอร์ดรุ่นนี้ราคาก็ประมาณ 300 บาทแพงกว่ารุ่นปกติที่ขายกันประมาณ 230 บาท …. ราคาต่างกัน 70 บาทแต่ได้รุ่นที่มี Flash memory 16MB และ PSRAM 8MB (ตามชื่อ N16R8) มันจะมีผลมากกับ project ใหญ่มี code 300 – 400 บรรทัด และพวก project ที่ใช้เก็บ data ไว้ใน ESP32 นานหลายวัน (ใช้งานแบบ offline ไม่ต่อ internet)

มาดูหน้าตาของบอร์ดตัวนี้ก่อน ESP32 S3 N16R8 ที่ผมแนะนำไปจะมีทั้งหมด 44 ขาซึ่งแต่ละขาเรียกว่า GPIO (ย่อมาจาก general purpose input output) พวกขาเหล่านี้เป็นไปได้ทั้ง input และ output ก็คือทำหน้าที่ได้ทั้งรับสัญญาณเข้าและส่งสัญญาณออกขึ้นอยู่กับการเขียน Code …. สิ่งสำคัญที่ต้องรู้ก็คือขา GPIO จำนวนมากเหล่านี้ใช้ไม่ได้ครบทุกขาครับ เพราะในจำนวนขาที่เยอะแยะเหล่านี้มี function บางส่วนที่ถูกนำไปใช้กับ hardware ภายในของตัว ESP32 chip / memory / USB ด้วย

ผมทำภาพสรุปมาให้เลยว่าขาไหนจะใช้อะไรได้บ้าง …. สรุปแล้วขาที่ทำหน้าที่รับสัญญาณเข้าทั้งแบบ analog และ digital จะใช้ได้อย่างละประมาณ 10 ขา ซึ่งมันก็เหลือเฟือสำหรับการใช้งานทั่วไปเพราะแม้จะเป็นโปรเจคขนาดใหญ่ก็คงใช้ทั้ง analog และ digital พร้อมกันไม่เกิน 5 ขา ในบรรดา GPIO ประมาณ 20 ขานี้ก็คือพวกขาที่เราจะต้องนำไปต่อกับ sensor ต่าง ๆ นั่นเองและยังใช้ไปต่อกับอุปกรณ์ภายนอกด้วย ก็คือเป็นไปตาม concept ที่ว่ารับสัญญาณเข้าจาก sensor ใด ๆ หรืออาจจะเป็นปุ่มเป็นสวิตซ์แล้วส่งสัญญาณออกเพื่อไปสั่งงานอุปกรณ์ไฟฟ้าต่าง ๆ และยุคนี้เป็นยุคของ IoT project การใช้ ESP32 ก็จะเป็นการใช้พวกบรรดาขา GPIO เหล่านี้ต่อกับ sensor + อุปกรณ์ไฟฟ้าโดยแสดงผลและสั่งการโดย web dashboard ครับ

ในการใช้งานขา GPIO ที่สำคัญและจำเป็นต้องทราบก็คือในโหมด analog ครับ การที่จะสั่งให้ GPIO ทำหน้าที่รับสัญญาณ analog มันจะไปเกี่ยวข้องกับส่วนสำคัญส่วนหนึ่งก็คือ ADC ย่อมาจาก Analog to Digital Converter …. สิ่งสำคัญที่ต้องจำไว้เลยก็คือแรงดันที่ขานี้ห้ามเกิน 3.3 โวลท์โดยเด็ดขาด มิฉะนั้นจะเสียหายอย่างถาวรครับ

การใช้งานขา GPIO ในโหมด analog ก็คือจะต้องเขียน code เพื่อสั่งงานให้อ่านค่าแรงดันที่ขานี้ ซึ่งก็เป็นไปได้ตั้งแต่ 0 – 3.3 โวลต์ การทดลองพื้นฐานที่สุดก็คือให้อ่านแรงดันที่ขา GPIO และแสดงค่าออกมาเป็นทั้งค่าโวลต์และค่า raw ADC …. ค่า raw ADC นี้จะไปเกี่ยวพันเกี่ยวกับตัวนึงก็คือ resolution ของ ADC ครับ สำหรับ ESP32 นี้มีค่า resolution ของ ADC = 12 bit ก็คือเขียนได้ว่า 2¹² = 4,096 ระดับ

ความหมายของมันก็คือ มันสามารถอ่านค่าแรงดันขาเข้าจาก 0 ถึง 3.3 โวลต์แล้วซอยย่อย 0 – 3.3V ออกเป็น 0 ถึง 4096 ระดับ นี่คือความหมายของ resolution 12 bit ครับ มาดูตัวอย่างการใช้งานจริงกันเลยว่าการรับสัญญาณขาเข้าและแสดงผลออกมาเป็นทั้งค่าโวลต์และ 0-4096 steps มันเป็นอย่างไร

ในคลิปนี้ได้เขียน code สั้น ๆ ให้อ่านค่าสัญญาณ analog ทางขา GPIO 1 และแสดงผลออกทางจอภาพ OLED จิ๋วทั้ง 2 ค่า ก็คือค่าแรงดัน 0 – 3.3 โวลต์และ raw ADC 0 – 4096 ระดับ ในคลิปจะสังเกตเห็นว่าเมื่อใช้มือบิด POT เพื่อปรับแรงดันที่ขา GPIO 1 ทั้ง 2 ค่าในจอภาพจะเปลี่ยนไป

Code ของคลิปนี้

#include <Wire.h>
#include <Adafruit_GFX.h>
#include <Adafruit_SH110X.h>

// OLED Configuration
#define SCREEN_WIDTH 128
#define SCREEN_HEIGHT 64
#define OLED_ADDRESS 0x3C  // Common I2C address for SH1106 displays

// Pin Definitions
#define ANALOG_IN_PIN 1
#define LED_05V_PIN   5
#define LED_10V_PIN   7
#define LED_15V_PIN   8
#define LED_25V_PIN   10
#define I2C_SDA_PIN   40
#define I2C_SCL_PIN   42

// Initialize the SH1106 display using Wire
Adafruit_SH1106G display(SCREEN_WIDTH, SCREEN_HEIGHT, &Wire, -1);

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

  // Configure LED pins as Outputs
  pinMode(LED_05V_PIN, OUTPUT);
  pinMode(LED_10V_PIN, OUTPUT);
  pinMode(LED_15V_PIN, OUTPUT);
  pinMode(LED_25V_PIN, OUTPUT); // Fixed typo here

  // Configure ADC attenuation for Core v3.x (reads full scale 0 - 3.3V)
  analogSetAttenuation(ADC_11db);

  // Initialize Custom I2C pins for ESP32-S3
  Wire.begin(I2C_SDA_PIN, I2C_SCL_PIN);

  // Initialize OLED Display
  if (!display.begin(OLED_ADDRESS, true)) {
    Serial.println(F("SH1106 allocation failed. Check wiring!"));
    while (true); 
  }

  display.clearDisplay();
  display.setTextColor(SH110X_WHITE);
  display.setTextSize(2); 
  display.display();
}

void loop() {
  // 1. Read Raw ADC (0 - 4095)
  int rawADC = analogRead(ANALOG_IN_PIN);

  // Convert raw value to voltage (assuming 3.3V max reference)
  float voltage = (rawADC * 3.3f) / 4095.0f;

  // 2. Control LEDs based on voltage conditions
  // Reset all LEDs to 0 first to prevent sticking
  digitalWrite(LED_05V_PIN, LOW);
  digitalWrite(LED_10V_PIN, LOW);
  digitalWrite(LED_15V_PIN, LOW);
  digitalWrite(LED_25V_PIN, LOW);

  if (voltage > 3.0f) {
    digitalWrite(LED_05V_PIN, HIGH);
    digitalWrite(LED_10V_PIN, HIGH);
    digitalWrite(LED_15V_PIN, HIGH);
    digitalWrite(LED_25V_PIN, HIGH);
  } 
  else {
    // Check individual thresholds if voltage is under 3.0V
    if (voltage > 2.5f) digitalWrite(LED_25V_PIN, HIGH);
    if (voltage > 1.5f) digitalWrite(LED_15V_PIN, HIGH);
    if (voltage > 1.0f) digitalWrite(LED_10V_PIN, HIGH);
    if (voltage > 0.5f) digitalWrite(LED_05V_PIN, HIGH);
  }

  // 3. Display Data on OLED Panel (2 Large Rows)
  display.clearDisplay();
  
  // Row 1: Voltage
  display.setCursor(0, 4);
  display.print("V: ");
  display.print(voltage, 2);
  display.print(" V");

  // Row 2: Raw ADC
  display.setCursor(0, 36);
  display.print("ADC: ");
  display.print(rawADC);

  display.display();

  // 4. Wait 300 ms before repeating
  delay(300);
}

อุปกรณ์ที่ใช้มีเพียงเท่านี้

การประยุกต์ใช้งานที่เห็นได้ง่ายสุดก็คือใช้ sensor ที่เราต้องการตรวจจับการเปลี่ยนแปลงของแรงดันต่าง ๆแล้วให้ ESP32 แจ้งเตือนว่าขณะนี้สัญญาณสูงเกินไปหรือต่ำเกินไป และแสดงผลเป็นตัวเลข real time ตลอดเวลาให้เราดูผ่านมือถือได้ว่าขณะนี้สัญญาณที่จุดนี้มีค่าเท่าไหร่ ซึ่งเป็นลักษณะการใช้งาน IoT ครับ

Tag: GPIO

ESP32 (EP.1) แนะนำเบื้องต้น