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

Acest tutorial arata cum sa puneti in functiune modulul expander MCP23017 CJMCU-2317 folosind o placa Arduino Uno, pentru a comanda un led si a citi starea unui buton prin cei 16 pini suplimentari adaugati pe magistrala I2C. Modulul este potrivit cand proiectul are nevoie de mai multe intrari sau iesiri digitale decat pinii disponibili pe placa de baza, de exemplu pentru panouri cu mai multe leduri, taste sau relee.

Cum functioneaza:

MCP23017 comunica cu Arduino prin registre interne, pe care biblioteca le scrie si le citeste prin I2C. Doua registre de directie, IODIRA si IODIRB, stabilesc daca fiecare din cei 8 pini ai unui port este intrare sau iesire, iar doua registre GPIOA si GPIOB citesc sau scriu starea fizica a pinilor. Adresa I2C a modulului se formeaza din 4 biti fixi urmati de starea pinilor A2, A1 si A0, ceea ce da un interval de adrese intre 0x20, cand toti trei sunt la GND, si 0x27, cand toti trei sunt la VCC. In acest tutorial A0, A1 si A2 raman la GND, astfel ca modulul raspunde la adresa 0x20. Biblioteca Adafruit_MCP23X17 ascunde toate aceste registre si expune functii simple precum pinMode, digitalWrite si digitalRead pentru fiecare dintre cei 16 pini, numerotati de la 0 (GPA0) pana la 15 (GPB7).

Ce ai nevoie:

• 1 x MCP23017 I2C 16-Bit IO Expander Module
• 1 x Placa dezvoltare Uno R3 cu Wifi ESP8266, compatibila Arduino
• 1 x Breadboard 830 puncte MB-102
• 1 x LED 5mm, Alb
• 1 x Rezistor 220 ohm
• 1 x Buton push 4 pini
• 1 x 40 fire Dupont 10cm, Tata-Mama

Conectare:

Modulul foloseste doar 4 fire active catre Arduino, plus pinul RESET si pinii de adresa, care se leaga fix la alimentare sau masa.

Placa si biblioteci:

Selectati in Arduino IDE placa Arduino Uno, din Tools > Board > Arduino AVR Boards, pachet inclus implicit cu Arduino IDE, fara sa fie nevoie de o adresa suplimentara in File > Preferences. Instalati din Library Manager biblioteca Adafruit MCP23017 Arduino Library, de la autorul Adafruit, care contine fisierul Adafruit_MCP23X17.h, si lasati managerul sa instaleze si dependinta Adafruit BusIO ceruta de aceasta. Comunicatia I2C de baza foloseste biblioteca Wire, inclusa implicit in Arduino IDE, care nu trebuie instalata separat.

Codul:

Urmatorul program initializeaza modulul la adresa implicita 0x20, configureaza GPA0 ca iesire pentru led si GPB0 ca intrare cu pull-up pentru buton, apoi aprinde ledul cat timp butonul este apasat.

/*
  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);
}

Cum functioneaza codul:

La inceputul programului se includ biblioteca Adafruit_MCP23X17.h si se creeaza obiectul mcp, prin care se vor face toate comenzile catre modul. In functia setup se initializeaza portul serial la 9600 baud, apoi se apeleaza mcp.begin_I2C cu adresa 0x20 pentru a stabili comunicatia I2C, iar daca modulul nu raspunde programul afiseaza un mesaj de eroare si se opreste in bucla while(1). Tot in setup se configureaza pinul LED_PIN (GPA0) ca OUTPUT si pinul BUTTON_PIN (GPB0) ca INPUT_PULLUP, folosind pull-up-ul intern al MCP23017. In functia loop se citeste starea butonului cu mcp.digitalRead(BUTTON_PIN), iar daca valoarea este LOW, adica butonul este apasat, se scrie HIGH pe LED_PIN pentru a aprinde ledul, altfel se scrie LOW. Starea butonului este trimisa si pe monitorul serial, dupa care urmeaza o pauza scurta data de delay.

Rezultat:

Deschideti monitorul serial la 9600 baud, ledul conectat pe GPA0 trebuie sa se aprinda atunci cand tineti apasat butonul de pe GPB0 si sa se stinga cand il eliberati, iar pe monitor apare in acelasi timp starea citita a butonului.

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

Probleme frecvente:

Mesajul MCP23017 not found pe monitorul serial apare de obicei cand pinul RESET este lasat neconectat, pentru ca modulul ramane blocat in reset, solutia este sa legati RESET direct la VCC sau printr-un rezistor de 10 kOhm.

Modulul nu raspunde la adresa folosita in cod inseamna ca adresa setata in mcp.begin_I2C nu corespunde cu starea pinilor A0, A1 si A2, verificati conexiunile acestor pini si rulati un scanner I2C pentru a confirma adresa reala.

Butonul pare apasat tot timpul sau niciodata nu este detectat apasarea inseamna ca pinul BUTTON_PIN nu a fost configurat ca INPUT_PULLUP, ci ca INPUT simplu, lasand intrarea in aer electric.

Ledul ramane stins desi butonul este apasat poate insemna ca ledul este montat invers sau ca rezistenta de 220 ohm lipseste sau este intrerupta, verificati polaritatea ledului si continuitatea rezistentei.

Daca folositi mai multe module pe acelasi bus si niciunul nu raspunde corect, verificati sa nu aveti doua module cu aceeasi combinatie pe A0, A1 si A2, fiecare modul are nevoie de o adresa unica.

Comunicare instabila sau erori intermitente pe fire mai lungi de cativa centimetri se rezolva adaugand rezistente externe de pull-up de 4.7 kOhm pe SDA si SCL, in completarea retelei interne de pe modul.

Limitari si sfaturi:

MCP23017 nu ofera iesiri PWM si nici intrari analogice, fiind potrivit doar pentru semnale digitale de tip pornit oprit, nu pentru citirea unor tensiuni variabile sau pentru reglarea luminozitatii directe. Curentul maxim de 25 mA pe pin si 125 mA total pe capsula limiteaza sarcina conectata direct la pinii GPIO, pentru relee, motoare sau leduri de putere fiind nevoie de tranzistoare sau module de relee separate. Pe acelasi bus I2C pot functiona simultan pana la 8 module, oferind impreuna 128 de pini suplimentari, utile pentru panouri cu multe butoane, leduri sau senzori digitali, iar iesirile INTA si INTB permit tratarea schimbarilor prin intrerupere, fara interogare continua a busului.