《超圖解ESP32應用實作》的PID循跡自走車PCB電路板說明

《超圖解ESP32應用實作》新書初稿已經完成，尚未編排，內容涵蓋PID控制、編寫硬體中斷事件類別程式庫、擴充微控器的輸入介面、PlatformIO IDE開發工具、AI程式設計助理、JTAG偵錯介面、CAN匯流排應用、ESP32-S3/S2開發板的內建USB介面實作…等主題，共18章，約600頁。

PID（比例-積分-微分）是自動控制領域廣泛採用的演算法。本文旨在補充說明書本第9章的PID控制循跡自走車《試作3號機》，和書中未提到的《試作2號機》之間的差異。

PID循跡自走車的原型

底下是採用洞洞板製作的循跡（也稱為「循線」）自走車原型，底層的洞洞板連接一個透明塑膠片，承載具備充電和5V, 3.3V電壓輸出功能的鋰電池模組，以及白色的輔助輪（萬向輪）。

從側面可看出它由不同的模組堆疊而成，每個模組（馬達控制器、ESP32微控器、循跡感測器數位擴充輸入埠、OLED顯示器和啟動鍵）各自焊接在一小塊洞洞板。

書本有圖解說明手工製作自走車所需的工具、步驟、接線和測試過程。

承載鋰電池模組和萬向輪的塑膠板，我最初是裁切桶裝光碟片包裝附帶的透明塑膠片。

這是裁切完成，鎖上萬向輪以及兩種鋰電池（16340型和18650型）充電、5V升壓模組的樣子：

為了方便讀者製作相同的板子，我繪製了一個向量圖稿，並且用桌上型雷射切割機，在2mm厚度的壓克力板切割出這個板子（如下圖左）。設計稿附在書本範例裡面，讀者可以拿給壓克力招牌業者或各地的Maker（自造者）中心切割。

當然，你也可以像書本的說明一樣，用壓克力刀手工裁切，雖然成品不像機器做的那麼平整，但使用上沒問題。

使用PCB洞洞板製作電子電路的原型

麵包板和PCB洞洞板都是製作原型過程中，連接電子零組件的媒介。許多DIY電子作品，都只有製作一個或少數個，因此把元件焊接在洞洞板是很常見的方式，《超圖解ESP32應用實作》示範的熱插拔機械小鍵盤，以及連接汽車CAN匯流排的OBD-II介面實驗，都是用洞洞板製作。這是熱插拔機械鍵盤的電路板：

這是插入按鍵軸體和鍵軸定位板的模樣。

鍵軸定位板，我採用1.5mm厚的壓克力板製作，因為它的主要作用是固定鍵軸，所以方形孔洞的大小必須和鍵軸本體一致，但手工切割的精確度不足，所以我用一款稱為”3018 Pro”的桌上型CNC（數值加工機）加上15W雷射切割頭製作（如下圖），書本範例同樣有附設計圖檔。

底下是第18章，連接汽車OBD-II診斷介面實作的PCB洞洞板正、反面外觀：

OBDII連接器的接腳不是2.54mm間距，跟洞洞板不相容，所以要自行鑽孔、稍微修改一下洞洞板。因為只有幾個元件，不難製作。

PID控制循跡自走車的PCB板《試作2號機》

雖然DIY作品在素材選用上沒有強制要求，電路用麵包板或洞洞板組裝，自走車的本體用塑膠盒子、木片、紙盒、竹筷…等組合都行。

但自走車的元件比較多，為了降低DIY的門檻以及對製作工具（如：鋸子和電鑽）的要求，並且提供讀者一個「標準化」的實驗素材，筆者繪製了一個雙層（或者說「雙面」）循跡自走車電路板。本書第9章有介紹PCB板的術語，以及提交書本範例PCB設計檔給PCB代工廠「打樣」的流程，打樣就是少量試作，通常是3~5片。讀者可自己上傳書本的範例檔給代工廠打樣，將來也許可以直接買到這個PCB板。

之前用洞洞板製作的自走車，各模組分層堆疊在不同子板，外型都是容易裁切的矩形；設計這個PCB的主要用意是要減少自行加工的步驟，所以全部元件都焊在這個板子，電路板的每個邊都做成不割手的圓角。底下是循跡自走車的電路板正面外觀，筆者稱它「試作2號機」（洞洞板原型車是1號）。

PCB右前方預留數排2.54mm間距的銲接孔（焊盤），方便日後新增開關、蜂鳴器、距離感測器…等元件。PCB板通常是安裝在機器的內部，而這個板子則是顯露在外，所以我加上一些補助說明文字和設計圖樣。底下是PCB板背面照，上方空白處標示了ESP32的腳位編號及其功能，方便實驗時對照。

我在周日提交PCB設計稿給代工廠，經線上客服人員確認無誤並付款之後，星期三就完成打樣。底下是焊接完畢的循跡自走車2號。

「試作1號機」洞洞板放置馬達的空間比較緊湊，而2號機的PCB板則特意加長中間兩側，讓馬達固定座蓋住N20的齒輪箱，達到基本的防塵效果。

《試作3號機》PCB板

試作2號機的電路跟1號機相同，但部分走線規劃，在PCB板有更合理的方式，例如：路線更短或者需要繞過某些區域，所以我修改了2號機的PCB板，將馬達位置稍微往前移，馬達驅動板以及連接馬達的排針接點則往後移，也調整一些腳位，以便縮短驅動馬達的訊號走線並且遠離ESP32的接腳，降低雜訊干擾的可能性。

這是《試作3號機》的PCB板正面照：

2號機背面印刷的ESP32接腳說明，令電路板顯得有些雜亂，我刪除它，改成標示元件與ESP32的相連腳位，如：啟動開關和I2C匯流排的腳位，以便在編寫程式時查看。《試作3號機》的PCB板背面照：

1號和2號機的馬達驅動板是背面朝上焊接（因為它的接腳名稱印在電路板背面），方便日後確認電路接線，但自行設計的PCB板本身就能加上印刷圖文（絲印），所以《試作3號機》的馬達驅動板採正面焊接。

試作2號機與3號機的電路板，我分別交給不同的代工廠打樣，價格不同。也許是我這個雙層板的製造工藝要求不高，所以品質看起來沒有差別，PCB板也都是用氣泡袋真空包裝，但仍有一個小小的差異：價位較高的代工廠有在包裝裡面附一包乾燥劑，底下這個便宜的打樣沒有附 😛

底下是焊接、組裝完成的《試作3號機》循跡自走車。「啟動」鍵開關從使用ESP32內建的上拉電阻，改成用電阻和電容構成的消除彈跳雜訊（濾波）電路。PCB正前方新增兩排2.54mm間距的焊盤（焊接點），方便讀者「改機」，自行加上距離感測器或其他元件。

這是焊接完畢，連接18650鋰電池充電、5V升壓模組的模樣，中間的ESP32開發板採用“LILYGO TTGO Mini32 V1.3”。

《試作3號機》循跡自走車電路板的後續修正

本以為上文的3號機PCB打樣就是最終確定版，但在收到新訂購的「8線循線模塊」後…傻眼，底下照片中的兩個循跡感測器的功能和腳位完全一樣，但仔細比較，可發現上面那個的零組件以及兩個固定圓孔的距離都被拉開了。

《試作3號機》PCB板前面有開兩個對齊循跡感測器模組的圓孔，雖然實際上用不到（焊上排針就夠穩固了，不必用螺絲固定），但為了能在視覺上覆蓋這兩種模組，我把PCB板前面的兩個圓孔改成長條形。書本範例提供的PCB設計檔案是修改過的長條形版本。

其實0.96吋OLED顯示器模組的尺寸、固定孔的位置和大小也略有不同，所以自走車PCB板沒有預留顯示器的螺絲孔，但只要焊接或插入排插，OLED顯示器就不會晃動了。

最後，循跡自走車1~3號機的電池盒以及萬向輪，都要另外用一片壓克力板安裝。假如把萬向輪和電池盒直接固定在PCB板，就能不需要這片壓克力板了。底下是一個可行的設計方案，改用一款高度較低的萬向輪：

在PCB板後面裁切一個矩形孔，讓萬向輪從上方穿透過去，再用螺母墊高，或者把左右輪換成較大尺寸的款式，即可讓車體保持水平。

然而，設計PCB板時也要考量它的尺寸，《試作3號機》PCB的尺寸約9.9cm × 9.7cm。PCB代工廠提供的低廉打樣價格，通常只限於10cm × 10cm以內，厚1.5mm（含）以下的雙面PCB板，若超過尺寸，打樣價格會攀升好幾倍。這個板子的電路佈線也要修改，例如，OLED顯示器往左移、ESP32往前移，才能擠入新的外型，倘若有《試作4號機》，大概會朝這方向設計。