[教材] ESP32 初體驗 | 電機工学部

電機社終於要教硬體，問題就是我也沒玩過

ESP32 是什麼

ESP32 是一系列低成本，低功耗的單晶片微控制器，整合了Wi-Fi和雙模藍牙。 — 維基百科

簡單來講就是一系列的微控制器晶片，搭配程式後可以用來控制各種東西。

ノート

你可能聽過 Arduino、Micro:bit

這些都是微控制器（Micro-controller），可以透過程式幫你完成事情。它們之間都有不同的特色、不同的功能，我們就不詳細比較。 其實我也不清楚，不過 Arduino 和 ESP32 的蠻多零件都可以相容

你最常看到的 ESP32 大概會長這樣：

不過其實 ESP32 本 E 是上面的那一塊晶片，剩下的針腳、感測器、電路就是開發版的一部分。因此，你在網路上可以找到很多種 ESP32 板，每種都包含不同的腳位、感測器，但它們都會包含其中一種 ESP32 晶片。

開始使用 ESP32

安裝開發環境

在把 ESP32 接上電腦前，先來把開發環境裝好

安裝 Arduino IDE

Software | Arduino

有點 NTR 的味

用 Arduino IDE 大概是寫 ESP32 程式最簡單的方法了，所以你各位得裝：）
設定 Arduino IDE 使用 ESP32

這邊需要做幾個步驟：
1. 在「File > Preferences > Additional board manager URLs」，新增這個網址：
  
  https://dl.espressif.com/dl/package_esp32_index.json
  
  ノート
  中文：「檔案 > 喜好設定 > 額外的開發板管理員網址」
  你也可以在喜好設定的介面找到語言設定。
2. 在「Boards Manager」，搜尋並安裝 ESP32：

裝完就 OK 了！這下 Arduino IDE 就可以用來編譯 ESP32 了

連接電腦

用條 USB 接到電腦就好了，這不用教吧

讓 Arduino IDE 連接 ESP32

你可能需要自己在 Arduino IDE 選擇你的 ESP32 板子：

如果有好幾個選項，你最好查一下裝置管理員看哪個是我們的板子：

找到板子是 COM 多少，就能去 Arduino IDE 找他了

注意

如果需要選開發版類型，我們要選的是「ESP32 Dev Module」，搜尋一下應該就找得到了。

第一支程式

ノート

這邊使用的板子是 ESP32 DEVKIT V1 （應該是），其他系列的 ESP32 開發板可能和下面的結果不大一樣（尤其是 LED_BUILTIN 的定義）。

有了開發環境、有了板子，就可以寫第一支程式了！我們要讓板子上的 LED 閃爍，一下亮、一下暗，這基本上就是開發版界的 Hello World 了。

我們可以直接在 Arduino IDE 裡的「File > Examples > 01.Basics > Blink」找到使 LED 閃爍的程式， IDE 裡已經內建了：）

你會看到類似這樣的程式碼：

/*
  Blink

  Turns an LED on for one second, then off for one second, repeatedly.
  ...
*/

// the setup function runs once when you press reset or power the board
void setup() {
  // initialize digital pin LED_BUILTIN as an output.
  pinMode(LED_BUILTIN, OUTPUT);
}

// the loop function runs over and over again forever
void loop() {
  digitalWrite(LED_BUILTIN, HIGH);  // turn the LED on (HIGH is the voltage level)
  delay(1000);                      // wait for a second
  digitalWrite(LED_BUILTIN, LOW);   // turn the LED off by making the voltage LOW
  delay(1000);                      // wait for a second
}

點左上角的「驗證」看看：

如果發生錯誤，這是正常的。錯誤訊息說我們沒有 LED_BUILTIN 這個東西：

txt

C:....arduinoIDE-somethingBlinkBlink.ino: In function 'void setup()':
C:....arduinoIDE-somethingBlinkBlink.ino:28:11: error: 'LED_BUILTIN' was not declared in this scope
   pinMode(LED_BUILTIN, OUTPUT);
           ^~~~~~~~~~~
C:....arduinoIDE-somethingBlinkBlink.ino: In function 'void loop()':
C:....arduinoIDE-somethingBlinkBlink.ino:33:16: error: 'LED_BUILTIN' was not declared in this scope
   digitalWrite(LED_BUILTIN, HIGH);  // turn the LED on (HIGH is the voltage level)
                ^~~~~~~~~~~

exit status 1

Compilation error: 'LED_BUILTIN' was not declared in this scope

因為這支程式是為 Arduino 寫的，但我們用的 ESP32。既然他說沒有 LED_BUILTIN，那我們就自己指定吧！

Google 一下，我們知道 ESP32 的內建 LED 在第 2 針腳，那我們就指定在程式裡：

/*
  Blink ...
*/

#define LED_BUILTIN 2 // define pin 2 as builtin-led

// the setup function runs once when you press reset or power the board
void setup() {
...

驗證後，應該就沒問題了。接下來，就上傳看看吧：

完成後的輸出大概會長這樣：

txt

Writing at 0x00000000... (00%)
Writing at 0x00000000... (00%)
Writing at 0x00000000... (00%)
Writing at 0x00000000... (100%)
Wrote 123456 bytes (123456 compressed) at 0x00000000 in 0.0 seconds (effective 0000.0 kbit/s)...

Hash of data verified.

Leaving...
Hard resetting via RTS pin...

那應該就成功了。看看你的 ESP32 上有沒有 LED 在閃吧！

基礎概念

Arduino 程式運作

官方簡介：https://docs.arduino.cc/learn/programming/sketches/

簡單來講，我們在這邊寫的是一個類似 C 語言的程式。也就是說，各位應該都熟悉如何宣告變數、使用函式、寫註解。 Arduino 程式比較不同的地方在於他的起始點 setup()、主迴圈 loop()、和其他已經提供好的代號及函式。

讓我們來看看幾個常用的：

setup()、loop()

剛剛講到，setup() 就是程式的起始點，類似在 C/C++ 程式中的 main() 函式。 setup() 會在程式開始運行時（也就是 ESP32 開機 / 重置時）被呼叫一次，也就只會被執行這一次。所以說，這裡的程式碼應該要「用來初始化變數、設定針腳、設定函式庫等」。（setup() - Arduino Reference）

在 setup() 執行完後，你應該已經把初始設定都做完了。接下來，就是讓機器活起來的時候了！loop() 就會在這時候被呼叫。與 setup() 不一樣的地方是，loop() 會在結束後繼續被呼叫，也就是說，這裡的程式會持續的重複執行。在這裡，你就應該做一些邏輯運算、偵測與發送訊號，讓你的機器可以「有變化且會回應」。（loop() - Arduino Reference）
c
```
/* Arduino 的預設空程式。 */
void setup() {
  // put your setup code here, to run once:
}

void loop() {
  // put your main code here, to run repeatedly:
}
```
pinMode()、digitalWrite()、HIGH、LOW

但是，實際上要怎麼控制我的板子啊？對於最基礎的控制，Arduino 已經有提供不少預先定義好的函式可以使用。一樣我們就介紹幾個真的很常見的。

pinMode() 是用來設定針腳的模式。它可以被設為是 INPUT（輸入）、OUTPUT（輸出），用來指定它接下來要做什麼功用。預設的 pinMode 是 INPUT ，所以當我們想要在一個針腳做輸出時，就必須在 setup() 先宣告 pinMode(PIN, OUTPUT) 囉。

說到在針腳做輸出，就要講到 digitalWrite() 了。顧名思義，這個函式可以做數位訊號的輸出。至於數位訊號，不就是一堆 0 和 1 嗎！在數位電路中，我們就把低電位（LOW）當作 0、高電位（HIGH）當作 1。所以，就可以用 digitalWrite(PIN, HIGH) 寫出一個高電位的訊號了。

重要
呼叫 digitalWrite() 後會持續輸出訊號，直到你下次再呼叫函式作寫入。
c
```
/* 將 PIN 腳位設成 OUTPUT 模式後，輸出 HIGH 訊號。 */
void setup() {
  // put your setup code here, to run once:
  pinMode(PIN, OUTPUT);
  digitalWrite(PIN, HIGH);
}

void loop() {
  // put your main code here, to run repeatedly:
}
```
delay()

前面講到 loop() 會在程式運行完成後再被呼叫一次。但如果我不想讓板子運作這麼快、想要先停頓一下呢？這時候就需要一些延遲（delay）了吧。

delay() 正如其名，會延遲程式碼一段時間，在時間數完後下方的程式才會繼續執行。只要在參數的地方寫入延遲的毫秒（millisecond, ms）數就可以了：delay(1000) 會延遲整整一秒。
c
```
/* 這就是簡單的 Blink 了！將訊號設成 HIGH、過一秒後輸出 LOW、再過一秒繼續循環！ */
void setup() {
  // put your setup code here, to run once:
  pinMode(PIN, OUTPUT);
}

void loop() {
  // put your main code here, to run repeatedly:
  digitalWrite(PIN, HIGH);
  delay(1000);
  digitalWrite(PIN, LOW);
  delay(1000);
}
```

Pinout

剛剛一直講到針腳、針腳的，但板子上真腳這麼多，我要怎麼知道哪支可以幹嘛、哪支可以插。

這時候，Pinout （針腳定位）圖就很好用了！基本上你可以用的開發版都會有類似這樣的圖用來對照，這樣才知道各個針腳的功能：

ESP32 DevKIT V1 pinout — ESP32 DevKIT V1 的 Pinout。來源：lastminuteengineers.com

值得注意的幾種針腳：

3.3V 或 5V：電源針腳。用來提供其他零件電源。如果你在其他模組上看到 VCC 的字樣，那大概就是連接到這裡。
GND：接地針腳。通常會接在其他模組的 GND 針腳。
GPIO：可以作為輸入、輸出的用途，就是我們會用來傳輸資料的針腳。後面數字就是它的編號。

Serial Console

通常我們執行程式都會有一個 Console 黑盒子，輸出的文字就會在這裡出現。但是現在我們寫的程式都在板子上運作，板子上又沒有螢幕可以顯示輸出，該怎麼辦？

幸好現在許多開發版都已經內建 UART 轉 USB （UART-to-USB）的模組，所以可以直接透過電腦與 ESP32 連線的 USB 傳輸做序列通訊（Serial Communication），而 Serial Communication 的 Console，肯定就叫 Serial Console 了吧。

也就是說，我們可以在 ESP32 上連線到 Serial Console 與電腦做通訊、產出輸出與輸入。

Arduino 已經有內建 Serial 可以讓我們直接做序列通訊。這邊是幾個常使用的函式：

Serial.begin()：設定好通訊的資料傳輸速度。你可以在 Arduino IDE 的 Serial Console 中確認。
Serial.print()、Serial.println()：Arduino 內建的輸出文字函式。兩個都會將函式參數輸出，差別在於 println() 會順便在結尾換行（ln 代表的就是 line）。
Serial.printf()：在 Arduino IDE 使用 ESP32 函式庫時才有。用法如 C 語言的 printf()。

/* 每秒進行輸出，並從 0 開始數秒數。 */
void setup() {
  // put your setup code here, to run once:
  Serial.begin(9600);
}

int secs = 0;

void loop() {
  // put your main code here, to run repeatedly:
  Serial.printf("%d\n", secs);

  secs += 1;

  delay(1000);
}

基礎就這樣了！

阿我剛碰這東西就直接來寫教材，哈哈
反正這邊的東西都 Google 得到（）

總之也是希望大家遇到不會的東西都有自己找資料的能力啦

如果以上資訊有誤請拜託一定要開個 Issue 或 PR 來告訴我，謝謝：）