超圖解ESP32應用實作

作者：趙英傑
出版社：旗標科技股份有限公司
出版日期：2024.6.11
頁數：640頁（雙色印刷，PDF索引檔下載）
定價：NT$820
相關說明：《超圖解ESP32應用實作》的PID循跡自走車PCB電路板說明

這是一本以圖解和案例實作說明ESP32 Arduino微電腦控制、電子DIY、程式設計、軟硬體偵錯（除錯）以及演算法的書籍。筆者假設您閱讀過《超圖解Arduino互動設計入門》以及《超圖解ESP32深度實作》，本書不包含關於Arduino和ESP32開發的基本知識，主題內容也不和這兩本書重複。

首先說明，我所謂的「圖解」，不是單純的螢幕截圖或照片，而是用插畫和解說文字勾勒重點：

或者像這樣展示電路圖並附加說明：

或者用顏色、反白、字體樣式、輔助線等方式強調，像底下這個程式碼片段：

這種解說方式，比較方便讀者掌握重點，而且節省版面，但也需要花費更多時間整理和繪製，有時還得配合編排修改設計。

從《超圖解C語言》開始，書本插圖的手寫文字改用游清松先生的「清松手寫體2」，程式碼字體改用“Fira Code”，關於字體的選用，請參閱「《超圖解Arduino互動設計入門》的書本封面、插圖與程式字體之Hack」。

隨著Arduino的普及，電子零件賣場和網路商店都買得到相容開發板和各種電子模組，加上「積木圖像式」程式開發環境的發明，讓即使不具電子和程式設計經驗的人士，也能輕易完成Arduino電子作品。做一些「如果感測器觸發某個事件，則啟動某個元件」這樣的應用，確實很簡單；修改一下現成的範例，也能用電子模組和程式庫洋洋灑灑做出一系列好像很厲害的東西，但很多應用場合，並不是連接模組、剪貼程式碼就能解決。

在如今AI聊天助理大行其道的年代，相較於用「積木圖像」堆砌的程式，AI助理更容易理解「正統」的Arduino程式語言（也就是C/C++  ），或者JavaScript, Python這種「文字式」語言。第2章會說明如何在程式編輯器導入AI助理，協助我們編寫程式，「透過Ollama在本機電腦執行大型語言模型（LLM）」這篇貼文，則補充說明了在本機安裝「AI程式助手」的方式。

電子模組和程式庫彷彿料理調理包，不用上廚藝課，也無須了解它們的神秘配方，簡單幾個步驟就能在家複刻大師級美味，不僅省去繁瑣的備料過程，也不會把廚房弄得一片狼藉。

我想表達的是，Arduino專案必須整合電子和程式設計，有些人不是科班出身，對電子電路一知半解因而淡化它，只把電子模組當作黑盒子，不畫電路圖也無法解釋電路原理，甚至不實際接線，只用模擬器軟體展示實驗成果；取決於你的目的和教學對象，這在某些場合可被允許，像是中小學生的創客班或者體驗課程，但從「整合電子和程式」的觀點來看，這種偏廢的學習方式是錯的。

就像「完成一道料理」跟「學習廚藝」，是兩碼子事，我們不能片面地以為：現在是調理包速成的時代，廚師親力親為的料理方式已經過時了。即便是簡單的清炒高麗菜，食材的切法、下鍋順序、火侯、時間和調味，都會影響成品，要動手嘗試才能領會。

本書的實作範例也有使用程式庫，更重要的是，其中幾個主要的程式庫，都是自行編寫或者改良自既有的程式碼，使其更符合專案需求。例如，第5章用於檢測馬達轉速和轉向的程式庫、第6章採用中斷處理常式的開關按鍵程式庫、第7章的馬達驅動程式庫，以及第10章的PID演算法程式庫，所以本書並不單純介紹程式庫怎麼用，更說明怎麼自己寫。

我自己也常用現成的電子模組，但某些電路難免會用到基礎元件（電阻、電容和IC），先在麵包板組裝測試，成功後再焊接到洞洞板。閱讀電路圖與焊接，都是電子DIY的基本技能，如果你喜歡動手做，將會在製作過程感到樂趣無窮。從硬體製作到程式開發，當你的作品動起來的那一刻，所有付出的心血都值得了。

本書也有刊載模組的電路圖，像第5章的霍爾感測器（檢測馬達轉速和轉向）模組，筆者繪製了電路圖，也附上說明和運作原理，第7章比較了幾款常見的馬達驅動器，也說明了電路和驅動IC的運作原理。日後，即便讀者在專案中採用類似但不同的模組或元件，也能更加理解它們的參數和使用方式。

底下用非傳統方式解說74HC4051這個多工器IC。

ESP32-S3晶片具備原生USB介面，無須外接IC，便能進行序列通訊、模擬USB人機設備（如：鍵盤、滑鼠和電玩搖桿）和儲存設備，它還具備JTAG偵錯介面：開發人員只需連接USB線，即可暫停執行中的ESP32程式、監看和變更變數值並控制程式運作流程。第11章介紹ESP32-S3和S2微控器，第14章操作示範JTAG介面。

近年來，隨著免費或開源的電路模擬、PCB電路板設計軟體和桌上型製造工具的普及（如：3D列印機和CNC數值加工機），以及PCB製造和物流費用的下滑，電子DIY愛好者在家也能製造出精良的作品。《超圖解Arduino互動設計入門》的附錄D介紹了焊接工具，以及基本的焊接技巧，本書第9章則補充了新的焊接與DIY工具，並以圖解說明製作循跡自走車和自製小型機械鍵盤的完整過程，相關說明請參閱「《超圖解ESP32應用實作》的PID循跡自走車PCB電路板說明」。

下圖是組裝完成的機械鍵盤的外觀，稍加改良自書本示範的版本；上層的壓克力定位板延伸出來的旋鈕部分，有稍微加長，以便和開發板同寬。這個版本的上層和底層的壓克力切割設計檔，都包含在書本範例檔裡面。

我買了三種鋁質旋鈕，綠色那一款的尺寸是直徑22mm、高11mm，黑色那一款則是直徑30mm、高15mm，內孔直徑都是6mm、花軸，但黑色那一款的內孔實際直徑偏小，需要用電讚加工才能安裝。最右邊的旋鈕不是實心鋁，所以價格最低。

鍵盤底部黏貼四個具備止滑功能的腳墊，這個腳墊的尺寸有點大，但我手邊只有這一種。此外，因為鍵盤的PCB板是徒手加工，所以開孔比較不精準，從下圖可看到左邊的銅柱歪了。

書本範例的循跡自走車PCB板的設計也稍微變更，正面加上左、右馬達以及左、右霍爾文字標示。

背面新增馬達的接腳編號，因為插入ESP32開發板之後，PCB正面的馬達接腳標示會被蓋住。“03”數字放大，讓左右兩邊的視覺比較平衡，左下角的設計日期更新為5月20日。

補充說明，PCB板上面的點陣（像素）字體是免費開源的「俐方體11號」，”03”標示則是“VCR OSD Mono”字體。

循跡自走車的OLED顯示器模組沒有、也非必要用螺絲固定；若不想讓OLED模組顯得鬆垮，可以裁切一小塊保麗龍、泡棉，或者用飲料杯那種厚紙板摺一個方塊，再用雙面膠黏在母排前面，也可以黏一塊樂高積木：

樂高積木的高度跟插在母排的OLED顯示器很相近：

Arduino官方的程式開發工具目前是2.x版本（請參閱「Arduino IDE 2.0：從官方支援MicroPython說起」），本書仍採用1.x版，因為某些外掛工具僅支援1.x版。IDE 1.x版工具本身採用Java程式語言開發，2.x版則採用JavaScript語言開發，所以它們的外掛程式不相容。此外，本書也採用另一個頗受專業人士推崇，免費開源的PlatformIO IDE（簡稱PIO），PIO的操作介面不像Arduino官方IDE那麼「友善」，但Arduino IDE 1.x版和2.x版的所有功能，PIO都有而且更強大，所以本書用了三個章節的篇幅詳細介紹PIO。

有人說，技術不比創意和設計重要。在開發Mac電腦過程中，賈伯斯（Steve Jobs）曾要求在文書處理軟體中加入選用字體的功能，一位資深軟體工程師反駁：字體外型沒有意義，只要能表達內容就夠了。那位工程師當場被解僱。

其實，Arduino最初就是為了非電子電機背景的互動藝術創作者而誕生，但是創新設計不能只淪為紙上談兵，而且你的靈感可能很快就成為別人借鑑、茁壯的養分。實踐力、技術力、營銷力…都是成功的要件。曾在Podcast節目聽到某位創業投資者的訪談，他說，很多提案者所謂的原創，他早已聽了千百遍。「創意」一詞太空泛，哪個行業領域不需要創新思維？

Discovery（探索）頻道曾有個標語「就是想知道」，因為好奇心驅使人類文明進步。笛卡兒也曾說，越學習，越發現自己的無知。當你不斷地探索和學習自動化機械，會發現基礎科學的重要，例如，本書第1章的加熱器和第9章的自走車，它們都仰賴始於操控軍艦的一個PID數學方程式。本書先用日常生活的例子介紹PID方程式的概念，然後用程式實作。

最後再總結圖說PID背後的數學式。

Arduino互動設計，不僅可以很藝術，也可以很科學，它是個跨領域的實驗素材。第10章的自走車控制程式內文，也有補充說明基本的三角函數。

在撰寫本書的過程中，非常感謝旗標科技的黃昕暐先生提供許多專業的看法，並且購入多個不同款式的ESP32開發板實測本書的範例，例如，詳盡測試第12章的ESP32-S3開發板的USB和UART上傳模式，以及第14章的ESP32-S3 USB JTAG偵錯介面，還有其他糾正內容的錯誤、添加文字讓文章更通順、晚上和假日加班改稿，也幫忙剪輯本書的宣傳影片，其中的JTAG偵錯實驗畫面是他拍攝的，由衷感謝昕暐先生對本書的貢獻。筆者也依照這些想法和指正，逐一調整解說方式，讓圖文內容更清楚易懂。

《超圖解ESP32應用實作》目錄

第 1 章 PID 控制入門
1-1 MCH 高溫陶瓷發熱元件簡介
►動手做 1-1 陶瓷加熱片電路
►動手做 1-2 開放迴路（open-loop）控制陶瓷加熱片
►動手做 1-3 閉迴路（closed-loop）控制系統以及起停式控制
1-2 PID 控制與方塊圖
1-3 比例控制器（P）
►動手做 1-4 採用 P 控制器的陶瓷加熱器

第 2 章 PI 和 PID 控制
2-1 積分控制器（I）
2-2 拆解逗號分隔字串
►動手做 2-1 加入積分運算的 PI 控制器
2-3 微分控制器（D）
►動手做 2-2 加入微分方程式的 PID 控制器
2-4 PID 的數學方程式

第 3 章 藍牙無線調整 PID 參數並於快閃記憶體儲存偏好設定
3-1 使用典型藍牙無線調整 PID 參數
►動手做 3-1 透過典型藍牙調整 PID 參數
3-2 透過回呼處理藍牙通訊事件
3-3 在快閃記憶體中儲存「偏好設定」

第 4 章 Visual Studio Code、AI 程式助手與動態 PID 調整網頁
4-1 下載與安裝 Visual Studio Code
4-2 使用 AI 助手建立互動網頁
4-3 製作 PID 調整滑桿與即時圖表網頁
4-4 在 ESP32 和瀏覽器之間的 JSON 訊息傳遞格式
4-5 顯示動態圖表
4-6 ESP32 的伺服器和 WebSocket 程式

第 5 章 檢測馬達轉速與移動距離
5-1 槽型光耦感測器和碼盤的運作原理
5-2 附帶減速齒輪箱與霍爾感測器的 N20 微型直流馬達
►動手做 5-1 使用中斷檢測馬達的轉動次數和方向
►動手做 5-2 「啟動」鍵與中斷常式的彈跳延遲處理
►動手做 5-3 測量移動距離
5-3 使用 XOR 邏輯閘降低外部中斷腳的需求

第 6 章 建立中斷類別程式
6-1 處理中斷的「啟動」鍵類別
6-2 使用自製的程式庫處理正交脈衝訊號
6-3 透過「函式指標」附加外部中斷

第 7 章 DRV8833 馬達驅動模組及其控制模式
7-1 直流馬達驅動控制模組
7-2 控制 DRV8833 的自訂函式
►動手做 7-1 以「快速衰減」模式控制馬達正、反轉
7-3 ESP32 的 DRV8833 程式庫
►動手做 7-2 測試不同衰減模式與 PWM 頻率對馬達運作的影響
7-4 重點解析 DRV8833 程式庫原始碼

第 8 章 循跡感測器以及擴充類比和數位輸入埠
8-1 擴充類比輸入埠
8-2 擴充數位輸入接腳

第 9 章 組裝循跡自走車
9-1 「差動驅動」型循跡自走車
9-2 製作循跡自走車的工具
9-3 ESP32 mini 開發板的接腳
9-4 焊接與組裝 PCB 子板
9-5 選擇電池盒與直流電壓轉換器
9-6 檢測電路以及繪製走線路徑
9-7 使用桌上型 CNC 雷射雕刻機切割壓克力板
9-8 循跡自走車的自製 PCB 板
9-9 試作 3 號機的修改電路

第 10 章 自走車的控制程式
10-1 感測車體的位置
►動手做 10-1 感測路線位置
►動手做 10-2 自走車的啟動∕暫停開關以及顯示畫面切換
►動手做 10-3 測量自走車馬達轉速並估算轉向的 PWM 值
10-2 依循跡感測值動態調整 PWM 輸出
10-3 調節左右馬達 PWM 值的程式碼
►動手做 10-4 PWM 循跡自走車的程式架構與原始碼
►動手做 10-5 動態調整雙輪轉速讓小車直行
►動手做 10-6 用 PID 控制器維持馬達轉速
►動手做 10-7 PID 控制循跡自走車

第 11 章 解析 ESP32-S2 與 ESP32-S3 開發板
11-1 認識 ESP32-S3 開發板
11-2 ESP32-S3 的兩個 ADC 單元 和類比輸入腳
11-3 ESP32 的開機模式說明
11-4 ESP32 內建的 USB Serial/CDC 序列通訊介面
11-5 WS2812 全彩 LED
11-6 GPIO Matrix（接腳矩陣）和 pins_arduino.h 檔
11-7 透過前置處理指令辨別 Arduino 開發板和微控器類型

第 12 章 使用 PlatformIO IDE 開發 Arduino 專案
12-1 安裝 PlatformIO IDE
12-2 新建 PlatformIO 專案
12-3 認識 PlatformIO 的操作介面
12-4 替專案加入第三方以及自訂程式庫
12-5 在快閃記憶體 SPIFFS 分區儲存網頁檔案
12-6 設定序列埠
12-7 在 PIO 中編譯與上傳程式
12-8 終端機介面以及 PlatformIO 的文字命令

第 13 章 PlatformIO 的檢查工具與單元測試
13-1 PlatformIO 的其他工具列說明
13-2 單元測試入門
►動手做 13-1 執行單元測試
►動手做 13-2 執行多個檢測
13-3 自訂開發板組態設定 JSON 檔

第 14 章 硬體偵錯與 JTAG 介面
14-1 硬體偵錯
►動手做 14-1 ESP32-S3 開發板 JTAG 偵錯
14-2 認識 GDB、OpenOCD 與 .elf 檔
14-3 JTAG 偵錯器架構與接線
►動手做 14-2 連接 ESP-Prog 進行偵錯
14-4 確認晶片的生產板本
14-5 清除編譯完成的韌體
14-6 使用 PlatformIO 開發與偵錯 Arduino UNO 開發板程式

第 15 章 USB 介面入門與人機介面裝置實作
15-1 認識 USB 介面
15-2 使用「查表法」編寫旋轉編碼器程式
►動手做 15-1 使用自訂程式庫製作旋鈕介面
15-3 ESP32 Arduino 開發環境內建的 USB 程式庫
►動手做 15-2 USB 多媒體旋鈕開關
15-4 按鍵掃描原理及 Keypad 程式庫
►動手做 15-3 密碼小鍵盤
15-5 製作 USB 媒體與系統控制鍵盤
►動手做 15-4 製作具備系統控制功能的媒體控制鍵盤

第 16 章 製作 USB 機械小鍵盤以及電玩控制器
16-1 機械鍵盤的元件和術語
►動手做 16-1 自製 USB 小機械鍵盤
16-2 USB 遊戲控制器
►動手做 16-2 自製 USB 遊戲控制器
►動手做 16-3 一鍵完成「必殺技」的 USB 遊戲控制器
16-3 改造現有 USB人機周邊介面

第 17 章 CAN 匯流排通訊實驗
17-1 認識 CAN 匯流排和 ECU
17-2 CAN 匯流排收發器 IC
►動手做 17-1 ESP32 CAN 匯流排通訊實驗
►動手做 17-2 傳遞以及解析浮點數資料
►動手做 17-3 發送接收請求封包

第 18 章 存取車上診斷系統（OBD）的即時資訊
18-1 OBD 車上診斷系統
18-2 從 ESP32 連接 OBD-II 介面
►動手做 18-1 讀取 OBD-II 訊框、轉發到藍牙序列埠
►動手做 18-2 在手機瀏覽器呈現即時車速和引擎轉速