接觸 ESP32 和 Arduino 時需要了解的事項
這篇文章介紹了 ESP32 和 Arduino 的基本知識，包括交流電、直流電、數位訊號和類比訊號，並提供了相關圖片和簡單說明，適合初學者快速入門。
電子學基礎
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交流電：這是一種電壓和電流方向不斷變化的電力，最常見於家庭和商業電源中。
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直流電：這是一種電壓和電流方向保持不變的電力，電池就是直流電的一個例子。
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數位訊號：這是一種只有兩種狀態的訊號，通常被稱為 0 和 1 或者 高 和 低。
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類比訊號：這是一種可以有無限多種狀態的訊號。在 Arduino 中，類比訊號可以是 0 到 1023 的任何值。
公式
歐姆定律
電壓 = 電流 × 電阻 (V = I × R)
功率計算
功率 = 電壓 × 電流 (P = V × I)
開發工具
- 開發板：這是一種預先設計好的電路板，用於開發和測試新的微控制器設計。Arduino 和 ESP32 都是開發板的例子。
- 編程環境：這是用於編寫和上傳程式碼到開發板的軟體。例如，Arduino IDE 是專為 Arduino 開發板設計的編程環境，它包含了一個程式碼編輯器和一個用於上傳程式碼到開發板的工具。
- 函式庫：這些是預先寫好的程式碼片段，可以幫助開發者快速實現特定的功能，如讀取感測器數據、控制馬達等。Arduino 社區提供了大量的函式庫，可以幫助開發者快速開發項目。
開發板
Arduino Uno 有 6 個可以讀取類比訊號的腳位，分別是 A0 到 A5。這些腳位都連接到內置的類比到數位轉換器（ADC），可以讀取介於 0（對應於 0V）和 1023（對應於供應電壓，通常是 5V）之間的值。
這些類比輸入腳位可以用來讀取各種類比感測器的數據，如溫度感測器、光敏電阻、壓力感測器等。它們也可以用來讀取變壓器或電位計的輸出，或者任何其他可以產生在 0 到 5V 範圍內的類比電壓的裝置。
請注意，雖然這些腳位可以讀取類比訊號，但它們不能輸出類比訊號。Arduino Uno 沒有內置的數位到類比轉換器（DAC）。然而，它可以使用 PWM（Pulse Width Modulation，脈衝寬度調變）來模擬類比輸出，這在控制 LED 的亮度或馬達的速度時非常有用。在 Arduino Uno 上，腳位 3、5、6、9、10 和 11 支援 PWM 輸出。
NodeMCU-32s 是一個基於 ESP32 微控制器的開發板。它具有許多類似於 Arduino Uno 的功能，但也有一些額外的功能和能力。例如，ESP32 具有內置的 Wi-Fi 和藍牙模組，可以連接到網路並與其他裝置通信。它還具有更多的 GPIO 腳位，更多的類比輸入腳位，以及更多的通信接口（如 SPI、I2C 等）。這使得它更適合於一些需要更多功能和能力的應用，如物聯網設備、智能家居設備等。
詳細的開發板資訊
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Arduino Uno
- 類比輸入腳位：A0 到 A5
- 數位輸入/輸出腳位：0 到 13
- PWM 輸出腳位：3、5、6、9、10、11
- 供應電壓：5V
- 邏輯電壓：5V
- 類比電壓範圍：0 到 5V
- 類比到數位轉換器（ADC）位數：10 位
- 數位到類比轉換器（DAC）：無
- 通信接口：UART、SPI、I2C
- 其他功能：無
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ESP32
- 有多個版本，這裡就不詳細展示。
- 第01篇 ESP32 Arduino 開發環境架設 – NMKing 夜市小霸王
GPIO
大部分的微控制器（包括 Arduino 和 ESP32）的每個 GPIO（General Purpose Input/Output）腳位都可以被配置為讀取或輸出數位訊號。這意味著它們可以被設置為 HIGH（通常對應於供應電壓，例如 3.3V 或 5V）或 LOW（通常對應於地線，0V）。
然而，並非所有的 GPIO 腳位都可以讀取或輸出類比訊號。只有特定的腳位（在 Arduino 上被標記為 A0、A1 等等）才有這個能力。這些腳位連接到內置的類比數位轉換器（ADC），可以讀取介於 0（對應於 0V）和 1023（對應於供應電壓）之間的值。
VCC 和 GND 是兩個特殊的腳位，它們分別代表供應電壓和地線。它們通常用於連接電源和地線，以提供電力給其他裝置。在 Arduino 和 ESP32 上，VCC 通常代表 3.3V 或 5V 的供應電壓，而 GND 代表地線。
數位輸入
這是 Arduino 讀取二進制信號的方式，也就是 0 或 1。例如，你可以透過按鈕開關來提供數位輸入。當按鈕被按下時，Arduino 讀取的是 1（高電壓），而當按鈕未被按下時，Arduino 讀取的是 0（低電壓）。
數位輸出
這是 Arduino 發送二進制信號的方式，也就是 0 或 1。例如，你可以控制 LED 燈的開關。當 Arduino 發送 1（高電壓）時，LED 燈會亮起，而當 Arduino 發送 0（低電壓）時，LED 燈會熄滅。
類比輸入
這是 Arduino 讀取連續範圍內的信號的方式。例如，你可以透過旋轉變阻器來提供類比輸入。旋轉變阻器的阻值會隨著旋轉角度的改變而變化，Arduino 可以讀取這些變化並將其轉換為 0 到 1023 的數值。
PWM
Arduino 本身並不直接支援類比輸出，但它可以透過 PWM（脈衝寬度調變）來模擬類比輸出。這可以讓我們控制例如 LED 燈的亮度或是伺服馬達的角度等。PWM 透過快速地切換數位輸出（0 和 1）來模擬出類比效果。例如，如果我們將 LED 燈的輸出設定為 50% 的 PWM，那麼 LED 燈會以半亮的狀態顯示。設定為 75% 的 PWM，LED 燈會呈現 75% 亮度。
麵包板
麵包板是一種用於快速原型設計的電子元件連接板。它通常由一個塑料底座和一個金屬板組成，金屬板上有許多小孔，可以插入電子元件的引腳。這些孔通常排列成一個矩形網格，每個孔之間的距離是標準的間距，可以容納大多數電子元件的引腳。
麵包板通常用於將電子元件連接在一起，以便進行測試和測量。它們通常與彈簧夾一起使用，這樣可以輕鬆地將電子元件插入和拔出。
電子元件
- LED：這是一種發光二極管，可以將電能轉換為光能。它通常用於顯示器、指示燈等。
- 電阻：這是一種用於限制電流的元件。它的電阻值通常用歐姆（Ω）來表示。
- 電容：這是一種用於儲存電能的元件。它的電容值通常用法拉（F）來表示。
- 按鈕：這是一種用於控制電路開關的元件。當按下按鈕時，電路將通電；當釋放按鈕時，電路將斷電。
- 三極管：這是一種用於放大電流的元件。它通常用於控制馬達、燈光等。
通信技術
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UART：這是一種用於微控制器之間通信的技術，全名是 Universal Asynchronous Receiver/Transmitter。UART 是一種串列通信協議，它允許兩個裝置之間進行全雙工通信。UART 通常用於微控制器和其他裝置（如 GPS 模組、藍牙模組等）之間的通信。
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SPI：Serial Peripheral Interface (SPI) 是一種同步串列通信協議，它允許一個主裝置和一個或多個從裝置之間的全雙工通信。SPI 通常用於微控制器和感測器或記憶體裝置之間的通信。
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I2C：Inter-Integrated Circuit (I2C) 是一種同步串列通信協議，它允許一個主裝置和一個或多個從裝置之間的通信。I2C 通常用於微控制器和感測器或記憶體裝置之間的通信。
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藍牙：這是一種無線通信技術，用於短距離的數據交換。許多 Arduino 開發板都包含了藍牙模組，可以與其他藍牙裝置（如手機、電腦等）通信。
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Wi-Fi：這是一種無線通信技術，用於連接到網路。一些 Arduino 開發板（如 ESP32）包含了 Wi-Fi 模組，可以連接到網路並與其他裝置通信。
I2C 它只需要兩根線，一根用於資料 (SDA)，另一根用於時鐘 (SCL)。
電學公式
歐姆定律：V = I × R，其中 V 是電壓（伏特），I 是電流（安培），R 是電阻（歐姆）。
功率公式：P = V × I，其中 P 是功率（瓦特），V 是電壓（伏特），I 是電流（安培）。
電容公式：Q = C × V，其中 Q 是電荷（庫侖），C 是電容（法拉），V 是電壓（伏特）。
電感公式：V = L × (dI/dt)，其中 V 是電壓（伏特），L 是電感（亨利），dI/dt 是電流變化率（安培/秒）。
這些電學公式在設計和實現 Arduino 項目時的許多情況下都可能會用到：
- 歐姆定律：當你需要計算在特定電阻上的電壓，或者需要計算流經特定電阻的電流時，你會用到歐姆定律。例如，你可能需要使用一個電阻來限制 LED 燈的電流。
- 功率公式：當你需要確定一個電路或其部分的能量消耗時，你會用到功率公式。例如，你可能需要確定你的 Arduino 項目是否超出了電源的功率限制。
- 電容公式：當你在設計需要儲存或釋放電能的電路時，你會用到電容公式。例如，你可能在設計一個需要平滑電源電壓的電路時使用電容器。
- 電感公式：電感公式在設計涉及變化電流的電路時特別有用，例如在設計電源轉換器或調諧電路時。
Arduino 有害論
NXT 有什麼不好？
除了以上 Arduino 有的缺點 NXT 都有（而且更嚴重）以外，NXT 讓學生打打電動、組裝積木就以為自己可以獨立建構嵌入式系統了，可是每次做好的東西單價都貴得要死，想做新的不得不拆掉舊的，不但傷感情，成就感也無法累積，經驗難以傳承，更沒有辦法體會實際產品開發的縮影。如果跟他說學單晶片就可以很便宜地做出來，不用每次拆掉，也沒幾人可以走出 NXT 所圍下的舒適圈，於是就陷入了萬－丈－深－淵－之中～親眼見證 Arduino 殘害學子實錄
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案例２：內湖某科大資訊系學生在 2013 年宜蘭的某研討會上，他們發表「壓力發電暨人數監控系統」，在發表的文章中提到自己就是用 Arduino 控制板，對多個壓電元件做電壓監測。那我就問他們 ADC 在哪裡？結果報告的人完全聽不懂 ADC 是啥？在台上發楞半天，追問之下才知這位同學是做資料庫的部分，我就問：「寫 firmware 的是誰？有在場嗎？」然後旁邊那位寫 firmware 的同學才出來解釋：「我們沒有用 ADC」，我又問：
「那有比較器或其他類比元件嗎？」
「沒有」（但是他們的參考文獻卻有一項是「運算放大器」）
「沒有 ADC 也沒有比較器，請問你們到底用什麼監控電壓的？」
「我們就用 Arduino 控制板」
這位同學啊～我相信您回去把 ADC 的電子電路讀懂之後，再看一遍 ATmega2560 的 datasheet，一定會對自己當天在眾人面前的表現，感到勇氣可嘉！
簡單來說，我不是電子科系，只是業餘玩玩 IoT，不需要這麼專業😆。但若要朝向韌體工程師，可能就要多多考慮。
路線圖
目前計劃的學習路徑如下，但不打算走 HTTP 這條路。
2024-12-24今天 後來我放棄用程式開發，轉向 ESPHome。