I/O-Expander-Modul MCP23017, 16 Bit, I2C, CJMCU-2317

Dieses Tutorial zeigt, wie Sie das Expander-Modul MCP23017 CJMCU-2317 mit einer Arduino-Uno-Platine in Betrieb nehmen, um eine LED zu steuern und den Zustand eines Tasters über die 16 zusätzlichen Pins am I2C-Bus zu lesen. Das Modul ist geeignet, wenn das Projekt mehr digitale Ein- oder Ausgänge benötigt als die auf der Basisplatine verfügbaren Pins, zum Beispiel für Panels mit mehreren LEDs, Tastern oder Relais.

Funktionsweise:

Der MCP23017 kommuniziert mit Arduino über interne Register, die die Bibliothek über I2C schreibt und liest. Zwei Richtungsregister, IODIRA und IODIRB, bestimmen, ob jeder der 8 Pins eines Ports ein Eingang oder ein Ausgang ist, während zwei Register GPIOA und GPIOB den physikalischen Zustand der Pins lesen oder schreiben. Die I2C-Adresse des Moduls wird aus 4 festen Bits gefolgt vom Zustand der Pins A2, A1 und A0 gebildet, was einen Adressbereich zwischen 0x20, wenn alle drei auf GND liegen, und 0x27, wenn alle drei auf VCC liegen, ergibt. In diesem Tutorial bleiben A0, A1 und A2 auf GND, daher antwortet das Modul auf die Adresse 0x20. Die Adafruit_MCP23X17-Bibliothek verbirgt alle diese Register und stellt einfache Funktionen wie pinMode, digitalWrite und digitalRead für jeden der 16 Pins zur Verfügung, die von 0 (GPA0) bis 15 (GPB7) nummeriert sind.

Was Sie benötigen:

• 1 x MCP23017 I2C 16-Bit IO Expander Module
• 1 x Entwicklungsplatine Uno R3 mit Wifi ESP8266, Arduino-kompatibel
• 1 x Breadboard 830 Kontakte MB-102
• 1 x LED 5mm, Weiß
• 1 x Widerstand 220 Ohm
• 1 x Drucktaster 4-polig
• 1 x 40 Dupont-Leitungen 10cm, Stecker-Buchse

Verdrahtung:

Das Modul verwendet nur 4 aktive Leitungen zum Arduino, plus den RESET-Pin und die Adresspins, die direkt an die Stromversorgung oder Masse gelegt werden.

Platine und Bibliotheken:

Wählen Sie in der Arduino IDE die Arduino-Uno-Platine unter Tools > Board > Arduino AVR Boards, ein Paket, das mit Arduino IDE enthalten ist, ohne dass eine zusätzliche Adresse in File > Preferences erforderlich ist. Installieren Sie aus dem Library Manager die Adafruit MCP23017 Arduino Library vom Autor Adafruit, die die Datei Adafruit_MCP23X17.h enthält, und lassen Sie den Manager auch die von dieser benötigte Abhängigkeit Adafruit BusIO installieren. Die grundlegende I2C-Kommunikation verwendet die Bibliothek Wire, die mit Arduino IDE enthalten ist und nicht separat installiert werden muss.

Der Code:

Das folgende Programm initialisiert das Modul mit der Standardadresse 0x20, konfiguriert GPA0 als Ausgang für die LED und GPB0 als Eingang mit Pull-Up für den Taster, dann schaltet die LED an, während der Taster gedrückt wird.

/*
  MCP23017 16-Bit I2C IO Expander - Button and LED Example
  Board: Arduino Uno (Arduino AVR Boards)
  Library: Adafruit MCP23017 Arduino Library (Adafruit_MCP23X17.h) by Adafruit
  Library: Wire.h (included with Arduino IDE)
  Wiring:
  MCP23017 VCC    -> Arduino 5V
  MCP23017 GND    -> Arduino GND
  MCP23017 SCL    -> Arduino A5 (SCL)
  MCP23017 SDA    -> Arduino A4 (SDA)
  MCP23017 RESET  -> Arduino 5V
  MCP23017 A0,A1,A2 -> GND (I2C address 0x20)
  MCP23017 GPA0   -> 220 ohm resistor -> LED anode, LED cathode -> GND
  MCP23017 GPB0   -> push button -> GND (other button terminal)
*/
#include <Adafruit_MCP23X17.h>
Adafruit_MCP23X17 mcp;
const uint8_t LED_PIN = 0;     // GPA0
const uint8_t BUTTON_PIN = 8;  // GPB0
void setup() {
  Serial.begin(9600);
  // Initialize the MCP23017 at I2C address 0x20
  if (!mcp.begin_I2C(0x20)) {
    Serial.println("MCP23017 not found, check wiring and RESET pin");
    while (1);
  }
  // Configure GPA0 as output for the LED
  mcp.pinMode(LED_PIN, OUTPUT);
  // Configure GPB0 as input with internal pull-up for the button
  mcp.pinMode(BUTTON_PIN, INPUT_PULLUP);
  Serial.println("MCP23017 initialized at address 0x20");
}
void loop() {
  // Read the button state, LOW means pressed (pulled to GND)
  int buttonState = mcp.digitalRead(BUTTON_PIN);
  if (buttonState == LOW) {
    mcp.digitalWrite(LED_PIN, HIGH);  // turn LED on
  } else {
    mcp.digitalWrite(LED_PIN, LOW);   // turn LED off
  }
  Serial.print("Button state: ");
  Serial.println(buttonState == LOW ? "pressed" : "released");
  delay(100);
}

Funktionsweise des Codes:

Am Anfang des Programms wird die Bibliothek Adafruit_MCP23X17.h eingebunden und das Objekt mcp erstellt, über das alle Befehle an das Modul gesendet werden. In der setup-Funktion wird der seriellen Port mit 9600 Baud initialisiert, dann wird mcp.begin_I2C mit der Adresse 0x20 aufgerufen, um die I2C-Kommunikation herzustellen, und wenn das Modul nicht antwortet, zeigt das Programm eine Fehlermeldung an und stoppt in der while(1)-Schleife. Auch im setup wird der LED_PIN (GPA0) als OUTPUT und der BUTTON_PIN (GPB0) als INPUT_PULLUP konfiguriert, wobei der interne Pull-Up des MCP23017 verwendet wird. In der loop-Funktion wird der Tasterzustand mit mcp.digitalRead(BUTTON_PIN) gelesen, und wenn der Wert LOW ist, also der Taster gedrückt wird, wird HIGH auf LED_PIN geschrieben, um die LED zu schalten, andernfalls wird LOW geschrieben. Der Tasterzustand wird auch an den seriellen Monitor gesendet, gefolgt von einer kurzen Pause, die durch delay gegeben wird.

Ergebnis:

Öffnen Sie den seriellen Monitor mit 9600 Baud, die auf GPA0 angeschlossene LED sollte aufleuchten, wenn Sie den Taster auf GPB0 gedrückt halten und erlöschen, wenn Sie ihn loslassen, und der Monitor zeigt gleichzeitig den gelesenen Tasterzustand.

MCP23017 initialized at address 0x20
Button state: released
Button state: released
Button state: pressed
Button state: pressed
Button state: pressed
Button state: released
Button state: released

Häufige Probleme:

Die Meldung MCP23017 not found auf dem seriellen Monitor erscheint normalerweise, wenn der RESET-Pin nicht angeschlossen ist, da das Modul in Reset blockiert bleibt, die Lösung ist, RESET direkt mit VCC oder über einen 10-kOhm-Widerstand zu verbinden.

Das Modul antwortet nicht auf die im Code verwendete Adresse bedeutet, dass die in mcp.begin_I2C eingestellte Adresse nicht dem Zustand der Pins A0, A1 und A2 entspricht, überprüfen Sie die Verbindungen dieser Pins und führen Sie einen I2C-Scanner aus, um die tatsächliche Adresse zu bestätigen.

Der Taster scheint immer gedrückt zu sein oder das Drücken wird nie erkannt bedeutet, dass der BUTTON_PIN nicht als INPUT_PULLUP konfiguriert wurde, sondern als einfacher INPUT, was den Eingang schwebt lässt.

Die LED bleibt aus, obwohl der Taster gedrückt wird, kann bedeuten, dass die LED verkehrt herum angebracht ist oder der 220-Ohm-Widerstand fehlt oder unterbrochen ist, überprüfen Sie die Polarität der LED und die Kontinuität des Widerstands.

Wenn Sie mehrere Module am gleichen Bus verwenden und keines antwortet korrekt, überprüfen Sie, dass Sie nicht zwei Module mit der gleichen Kombination auf A0, A1 und A2 haben, jedes Modul benötigt eine eindeutige Adresse.

Instabile Kommunikation oder intermittierende Fehler auf Leitungen länger als ein paar Zentimeter werden durch Hinzufügen von externen 4,7-kOhm-Pull-Up-Widerständen auf SDA und SCL in Ergänzung zum internen Netzwerk des Moduls behoben.

Einschränkungen und Tipps:

Der MCP23017 bietet weder PWM-Ausgänge noch analoge Eingänge und ist daher nur für digitale Ein-Aus-Signale geeignet, nicht zum Lesen variabler Spannungen oder zur direkten Helligkeitsregelung. Der maximale Strom von 25 mA pro Pin und 125 mA insgesamt auf dem Gehäuse begrenzt die Last, die direkt an die GPIO-Pins angeschlossen ist, für Relais, Motoren oder Hochleistungs-LEDs sind separate Transistoren oder Relaismodule erforderlich. Am gleichen I2C-Bus können gleichzeitig bis zu 8 Module betrieben werden, was zusammen 128 zusätzliche Pins bietet, nützlich für Panels mit vielen Tastern, LEDs oder digitalen Sensoren, und die Ausgänge INTA und INTB ermöglichen die Behandlung von Änderungen durch Interrupt, ohne kontinuierliche Busverfolgung.