Modulo expander I/O MCP23017 a 16 bit I2C CJMCU-2317

Questo tutorial mostra come mettere in funzione il modulo espansore MCP23017 CJMCU-2317 usando una scheda Arduino Uno, per comandare un LED e leggere lo stato di un pulsante attraverso i 16 pin supplementari aggiunti sul bus I2C. Il modulo è adatto quando il progetto ha bisogno di più ingressi o uscite digitali rispetto ai pin disponibili sulla scheda base, ad esempio per pannelli con molti LED, tasti o relè.

Come funziona:

MCP23017 comunica con Arduino attraverso registri interni, che la libreria scrive e legge tramite I2C. Due registri di direzione, IODIRA e IODIRB, stabiliscono se ognuno degli 8 pin di una porta è ingresso o uscita, mentre due registri GPIOA e GPIOB leggono o scrivono lo stato fisico dei pin. L'indirizzo I2C del modulo si forma da 4 bit fissi seguiti dallo stato dei pin A2, A1 e A0, il che fornisce un intervallo di indirizzi tra 0x20, quando tutti e tre sono a GND, e 0x27, quando tutti e tre sono a VCC. In questo tutorial A0, A1 e A2 rimangono a GND, quindi il modulo risponde all'indirizzo 0x20. La libreria Adafruit_MCP23X17 nasconde tutti questi registri ed espone funzioni semplici come pinMode, digitalWrite e digitalRead per ognuno dei 16 pin, numerati da 0 (GPA0) fino a 15 (GPB7).

Cosa ti serve:

• 1 x MCP23017 I2C 16-Bit IO Expander Module
• 1 x Scheda sviluppo Uno R3 con Wifi ESP8266, compatibile Arduino
• 1 x Breadboard 830 punti MB-102
• 1 x LED 5mm, Bianco
• 1 x Resistore 220 ohm
• 1 x Pulsante push 4 pin
• 1 x 40 fili Dupont 10cm, Maschio-Femmina

Collegamento:

Il modulo utilizza solo 4 fili attivi verso Arduino, più il pin RESET e i pin di indirizzo, che si collegano fisso all'alimentazione o alla massa.

Scheda e librerie:

Selezionate in Arduino IDE la scheda Arduino Uno, da Tools > Board > Arduino AVR Boards, pacchetto incluso di default con Arduino IDE, senza la necessità di un indirizzo supplementare in File > Preferences. Installate da Library Manager la libreria Adafruit MCP23017 Arduino Library, dell'autore Adafruit, che contiene il file Adafruit_MCP23X17.h, e lasciate che il manager installi anche la dipendenza Adafruit BusIO richiesta da questa. La comunicazione I2C di base utilizza la libreria Wire, inclusa di default in Arduino IDE, che non deve essere installata separatamente.

Il codice:

Il seguente programma inizializza il modulo all'indirizzo predefinito 0x20, configura GPA0 come uscita per il LED e GPB0 come ingresso con pull-up per il pulsante, quindi accende il LED mentre il pulsante è premuto.

/*
  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);
}

Come funziona il codice:

All'inizio del programma si include la libreria Adafruit_MCP23X17.h e si crea l'oggetto mcp, attraverso il quale verranno eseguiti tutti i comandi verso il modulo. Nella funzione setup si inizializza la porta seriale a 9600 baud, quindi si chiama mcp.begin_I2C con indirizzo 0x20 per stabilire la comunicazione I2C, e se il modulo non risponde il programma visualizza un messaggio di errore e si ferma nel ciclo while(1). Sempre in setup si configura il pin LED_PIN (GPA0) come OUTPUT e il pin BUTTON_PIN (GPB0) come INPUT_PULLUP, utilizzando il pull-up interno di MCP23017. Nella funzione loop si legge lo stato del pulsante con mcp.digitalRead(BUTTON_PIN), e se il valore è LOW, cioè il pulsante è premuto, si scrive HIGH su LED_PIN per accendere il LED, altrimenti si scrive LOW. Lo stato del pulsante viene inviato anche al monitor seriale, seguito da una breve pausa data da delay.

Risultato:

Aprite il monitor seriale a 9600 baud, il LED collegato su GPA0 deve accendersi quando tenete premuto il pulsante su GPB0 e spegnersi quando lo rilasciate, e sul monitor appare allo stesso tempo lo stato letto del pulsante.

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

Problemi frequenti:

Il messaggio MCP23017 not found sul monitor seriale appare di solito quando il pin RESET è lasciato scollegato, perché il modulo rimane bloccato in reset, la soluzione è collegare RESET direttamente a VCC o attraverso un resistore di 10 kOhm.

Il modulo non risponde all'indirizzo utilizzato nel codice significa che l'indirizzo impostato in mcp.begin_I2C non corrisponde allo stato dei pin A0, A1 e A2, verificate i collegamenti di questi pin ed eseguite uno scanner I2C per confermare l'indirizzo reale.

Il pulsante sembra premuto tutto il tempo o la pressione non viene mai rilevata significa che il pin BUTTON_PIN non è stato configurato come INPUT_PULLUP, ma come INPUT semplice, lasciando l'ingresso in aria.

Il LED rimane spento anche se il pulsante è premuto potrebbe significare che il LED è montato al contrario o che il resistore di 220 ohm manca o è interrotto, verificate la polarità del LED e la continuità del resistore.

Se utilizzate più moduli sullo stesso bus e nessuno risponde correttamente, verificate che non abbiate due moduli con la stessa combinazione su A0, A1 e A2, ogni modulo ha bisogno di un indirizzo univoco.

Comunicazione instabile o errori intermittenti su fili più lunghi di pochi centimetri si risolvono aggiungendo resistori esterni di pull-up di 4.7 kOhm su SDA e SCL, in aggiunta alla rete interna sul modulo.

Limitazioni e suggerimenti:

MCP23017 non offre uscite PWM né ingressi analogici, essendo adatto solo per segnali digitali di tipo acceso spento, non per la lettura di tensioni variabili o per la regolazione diretta della luminosità. La corrente massima di 25 mA per pin e 125 mA totali sull'encapsulamento limitano il carico collegato direttamente ai pin GPIO, per relè, motori o LED ad alta potenza è necessario utilizzare transistor o moduli relè separati. Sullo stesso bus I2C possono funzionare simultaneamente fino a 8 moduli, offrendo insieme 128 pin supplementari, utili per pannelli con molti pulsanti, LED o sensori digitali, e le uscite INTA e INTB consentono il trattamento dei cambiamenti tramite interrupt, senza interrogazione continua del bus.