Расширение GPIO с помощью MCP23017 (CJMCU-2317) на ESP8266

Когда на ESP8266/ESP32/Arduino не хватает GPIO можно использовать чип MCP23017 для увеличения количества портов на 16. Управление чипом происходит по двум проводам I2C, коммуникация удобная. Цена за чип около 0,8 $. На Aliexpress достаточно большой выбор вариантов чипа и два основных варианта плат.

Wemos D1 mini (ESP8266) широко представлен на Aliexpress по цене менее 3 USD.

Поскольку плата поддерживает I2C адресацию позволяющую подключить 8 плат, суммарно к микроконтроллеру можно добавить 128 GPIO.

Схема соединения

Распиновка MCP23017 следующая:

Адресация I2C платы задается замыканием ножек A0-2 на +3,3 В или GND. Таблица адресации такая:

Схема соединения Wemos D1 с MCP23017:

Wemos D1 Pin Name	MCP23017 Physical Pin	MCP23017 Pin Name	Description
D1 (SCL)	12	SCL	I/O Serial Clock input
D2 (SDA)	13	SDA	I/O Serial Data
3V3	18	Reset
3V3	9	VDD	Power
GND	10	VSS	Ground
GND	15	A0	Hardware address pin
GND	16	A1	Hardware address pin
GND	17	A2	Hardware address pin

В качестве сенсора я использовал датчик пересечения линии. На схеме в качестве примера использована плата датчика дождя. Схемотехника сенсоров одинаковые, а для fritzing мне не удалось найти библиотеки для датчика пересечения линии.

При срабатывании сенсора сигнал поступает на вход GPA0 и ESP8266 зажигает светодиод скоммутированный к выходу GPB0.

Программа

Если MCP23017 подключен к ESP8266 корректно, при запуске скетча https://playground.arduino.cc/Main/I2cScanner будет найдено устройство.

11:04:46.058 -> Scanning...
11:04:46.058 -> I2C device found at address 0x20  !
11:04:46.140 -> done

При работе с MCP23017 через библиотеку Adafruit MCP23017. потребуется таблица перевода входов Adafruit в названия входов и номера ножек на микросхеме.

Adafruit PIN	Pin Name	Physical Pin
0	GPA0	21
1	GPA1	22
2	GPA2	23
3	GPA3	24
4	GPA4	25
5	GPA5	26
6	GPA6	27
7	GPA7	28
8	GPB0	1
9	GPB1	2
10	GPB2	3
11	GPB3	4
12	GPB4	5
13	GPB5	6
14	GPB6	7
15	GPB7	8

В программе потребуется также адресация Adafruit, она отличается от адресации I2C.

Address I2C	Adafruit address	A0 / PIN 15	A1 / PIN 16	A2 / PIN 17
0x20	0	LOW	LOW	LOW
0x21	1	HIGH	LOW	LOW
0x22	2	LOW	HIGH	LOW
0x23	3	HIGH	HIGH	LOW
0x24	4	LOW	LOW	HIGH
0x25	5	HIGH	LOW	HIGH
0x26	6	LOW	HIGH	HIGH
0x27	7	HIGH	HIGH	HIGH

Программа принимает сигнал с входа GPA0 и зажигает светодиод на выходе GPB0 MCP23017 и на плате Wemos D1.

#include &lt;Wire.h>
#include "Adafruit_MCP23017.h"

#define MCP23017_GPA0         0 // Digital input on MCP23017 correspond to A0 
//#define MCP23017_ADDR 0x20
#define LedPin        2 //A0
#define MCP23017_LED  8 //GPB0

Adafruit_MCP23017 mcp;

void setup() 
{
  Serial.begin(9600);
  mcp.begin();      // use default address 0x20

  mcp.pinMode(MCP23017_GPA0, INPUT); //Define GPA0 as input pin
  mcp.pinMode(MCP23017_LED, OUTPUT); //Define GPB0 as output pin
  //mcp.pullUp(MCP23017_GPA0, HIGH);  // turn on a 100K pullup internally
 
  pinMode(LedPin, OUTPUT);  // use the LedPin LED as debugging
 }

void loop() 
{
  int value_A0 = analogRead(A0); // reads the analog input from the IR distance sensor
  bool value_D0 = mcp.digitalRead(MCP23017_GPA0);// reads the digital input from the IR distance sensor
  mcp.digitalWrite(MCP23017_LED, !value_D0);
  digitalWrite(LedPin, value_D0);
  //Serial.println(value_D0 + " Value: " + String(value_A0));
  //delay(1000);
}

Подключение реле к MCP23017

Загорающийся светодиод — штука информативная, но в жизни при срабатывании датчика нужно выполнять какие-то действия, нередко физические: что-то открыть и закрыть, переместить и т.п. Поэтому подключим к светодиоду реле.

Что касается реле и подбора для микроконтроллеров — это тема для отдельной статьи, вариантов много и есть нюансы. Чтобы долго не мудрить, подключил к MCP23017 «родное» реле заточенное под Wemos D1 Mini. Такое реле недорогое, широко представлено у продавцов на Aliexpress, поддерживает уровень TTL 3V, т.е. не нужно ставить преобразователь уровней 3V <-> 5V.

Собственно, подключать его несложно. Управление идет по high level, т.е. по 1-це на управляющем входе D1. Если бы это был low level trigger, то в софте надо было ставить инверсию по логике, чтобы включение было по 0-ю, а отключение по 1-це на входе управления. Причем, не для всех реле программная инверсия срабатывает.

В общем, чтобы не иметь проблем при подключении реле к микроконтроллеру, работающему на напряжении 3,3 V, с соотвествующим уровнем TTL логики, нужно:

Выбирать high level trigger/relay.
С поддержкой напряжения срабатывания TTL логики 3,3 V.
JD Vcc входом, чтобы отдельно запитать 5V обмотку реле.
Гальванической (оптической) развязкой оптроном, чтобы не «спалить» микроконтроллер.

Подключение реле с опторазвязкой и с JD Vcc входом питания.

Итак, параллельно или вместо светодиода подключаем MCP23017 к реле.

MCP23017 pin	Wemos D1 Mini relay shield	Примечания
GND	GND
GPB0	D1
	5V	На БП +5V для управления обмотками реле.
	GND	На БП GND для управления обмотками реле.

После подключения, реле нормально коммутируется при срабатывании датчика. Программный код менять не нужно.