1 Der Mikrocontroller ESP32

19

1.1 Ein kurzer Rückblick in die Entwicklung von Mikrocontrollern

19

1.2 Die ESP32-SoCs

20

1.3 Die Module WROOM, SOLO, WROVER und PICO

26

1.4 Die Boards

29

1.5 Das ESP32-Dev-KitC V4

30

1.5.1 Das Pinout

32

1.5.2 Höhere Eingangsspannung an GPIOs

38

1.6 Das ESP32-Dev-KitC V4 – Erstinbetriebnahme am PC

41

1.6.1 Windows

41

1.6.2 Linux

42

2 Die Stromversorgung

43

2.1 Betriebszustände und typische Stromverbräuche

43

2.2 Anschlüsse zur Stromversorgung

45

2.3 Grundschema der Stromversorgung

46

2.4 Spannungsquellen

47

2.5 Spannungsregler

50

2.5.1 Lineare Spannungsregler

50

2.5.2 Schaltregler

52

3 Ihre Werkstatt

55

3.1 Breadboard & Co.

55

3.1.1 Das Breadboard

55

3.1.2 Jumperkabel

56

3.1.3 Die Leiterplatine

57

3.2 Hilfreiche Werkzeuge

59

3.3 Fritzing

62

3.3.1 Was ist Fritzing?

62

3.3.2 Fritzing starten

62

3.3.3 In der Steckplatinenansicht arbeiten

64

3.3.4 In der Schaltplanansicht arbeiten

70

3.3.5 In der Leiterplattenansicht arbeiten

72

3.3.6 Bauteile importieren

73

3.3.7 Bauteile ändern und selbst erstellen

75

3.4 Löttechnik

75

3.4.1 Bauteile auf Platinen löten

75

3.4.2 Bauteile entlöten

77

3.4.3 SMD löten

78

3.4.4 Ein ESP32-Modul löten

79

4 Entwicklungsumgebungen

85

4.1 Der Weg von lesbaren Anweisungen zum Maschinencode

85

4.2 Das Betriebssystem der Entwicklungsumgebung

88

4.3 esptool.py

89

4.3.1 Installation unter Windows

89

4.3.2 Installation unter Linux

94

4.3.3 Ausführbare Versionen von esptool

94

4.3.4 esptool einsetzen

94

4.4 Entwicklungsumgebungen in der Übersicht

97

4.4.1 Das Espressif IDF (ESP-IDF)

98

4.4.2 Die Arduino IDE auf dem PC

114

4.4.3 Der Arduino-Web-Editor

134

4.4.4 Eclipse

135

4.4.5 MicroPython

135

4.4.6 Lua

143

4.4.7 Rust

148

4.4.8 Visual Studio Code mit der Erweiterung PlatformIO

149

4.4.9 Visual Studio Code mit der Erweiterung ESP-IDF

160

4.4.10 Online-Konfiguratoren

164

4.4.11 Programme mit KI erstellen

165

4.5 Die Partitionstabelle festlegen

167

4.6 Fazit

169

5 Programmierung mit C und C++

171

5.1 Programmdesign für den Mikrocontroller

171

5.1.1 »Normale« C-/C++-Programme

173

5.1.2 Sketche

174

5.1.3 Erweiterte Programmstruktur

174

5.2 Syntax und Semantik in der Programmiersprache

175

5.3 Zeichen, Kommentare und Begriffe

176

5.3.1 Zeichen und ihre Bedeutung

176

5.3.2 Kommentare

178

5.3.3 Weitere wichtige Begriffe

178

5.4 Daten und Datentypen

179

5.5 Variablen

183

5.5.1 Deklaration und Definition

184

5.5.2 Initialisierung und Wertzuweisung

184

5.5.3 Gültigkeitsbereiche von Variablen

185

5.5.4 Typqualifizierer

186

5.5.5 Der Variablenmodifikator PROGMEM

187

5.6 Ausdrücke und Operatoren

187

5.6.1 Arithmetische Operatoren

188

5.6.2 Zuweisungsoperatoren

188

5.6.3 Bedingte Operatoren (Vergleiche)

189

5.6.4 Aussagenlogik

191

5.6.5 Bitoperatoren

192

5.6.6 Typumwandlung

195

5.6.7 Der Operator sizeof

197

5.6.8 Fehlerquellen

197

5.7 Zeiger (Pointer)

197

5.8 Arrays und Strukturen

201

5.8.1 Arrays (Tabellen)

201

5.8.2 struct (Strukturen)

203

5.8.3 union

204

5.8.4 enum

205

5.8.5 typedef

205

5.9 Kontrollstrukturen

205

5.9.1 Die if-Bedingung

206

5.9.2 if-else

207

5.9.3 switch ... case

209

5.9.4 Die while-Schleife

210

5.9.5 Die do-while-Schleife

212

5.9.6 Die for-Schleife

212

5.10 Funktionen

215

5.10.1 Die Syntax einer Funktion

216

5.10.2 Funktionsdeklaration und Funktionsdefinition

217

5.10.3 Der Funktionsaufruf

219

5.10.4 Übergabe von Parametern

221

5.10.5 Rücksprung

226

5.10.6 Rückgabe von Ergebnissen

227

5.11 Funktionen nutzen: Ihr Werkzeugkasten

229

5.11.1 Zeitfunktionen

229

5.11.2 Mathematische und trigonometrische Funktionen

230

5.11.3 Zufallszahlen

233

5.12 Klassen und objektorientierte Programmierung

235

5.12.1 Deklarieren einer Beispielklasse klasseKreis

237

5.12.2 Funktionen für eine Klasse einrichten

237

5.12.3 Mit Konstruktoren arbeiten

238

5.12.4 Die Zugriffsspezifizierer einsetzen

239

5.12.5 Klassen in der Arduino IDE

242

5.13 Die String()-Klasse

243

5.14 Serielle Aus- und Eingabe

252

5.15 Vorgriff: Tasks und Threads

258

5.16 Präprozessordirektiven

259

5.16.1 Die Direktive #define

259

5.16.2 Die Direktive #include

261

5.16.3 Die #ifdef- und die #endif-Direktive

261

5.17 Prinzipien des Softwareentwurfs

262

5.18 Fehlermanagement

263

5.18.1 Einfache Methoden

263

5.18.2 Aufwendigere Methoden

265

5.18.3 Professionelle Methoden

273

5.18.4 Datenblätter

282

5.19 JSON – das Datenformat für den Datenaustauch

283

6 ESP32-Programming inside

287

6.1 ULP-Programmierung

287

6.2 FreeRTOS-Tasks verwalten

316

6.3 FreeRTOS-Task-Synchronisation

327

6.3.1 Mutexe und Semaphore

330

6.3.2 Event-Groups

338

6.3.3 Task-Notifications

342

6.3.4 Queues

343

6.3.5 Message-Buffer und Stream-Buffer

345

6.3.6 Ring-Buffer

353

6.4 Threads nutzen

358

7 Peripherie und Funktionen des ESP32

363

7.1 Der interne Hall-Sensor

363

7.2 Digitale Aus-/Eingänge

364

7.2.1 Digitale Ausgänge

365

7.2.2 Digitale Eingänge

367

7.3 Analoge Aus-/Eingänge

373

7.3.1 Analoge Ausgänge

373

7.3.2 Analoge Eingänge

374

7.4 Das ESP32-Touch-Sensor-System

385

7.5 DHT11 und DHT22

390

7.6 433-MHz-Steuerung

395

7.7 LED-Control und Pulsweitenmodulation

400

7.7.1 Pulsweitenmodulation

400

7.7.2 Die ESP32-LED-Steuereinheit

401

7.8 Impulszähler

407

7.9 Universal-Timer, Watchdog-Timer

410

7.9.1 Universal-Timer

411

7.9.2 Watchdog-Timer

413

7.10 Energie-(Spar-)Modi

415

7.11 Daten auf dem ESP32 speichern

423

8 Externe Schnittstellen

427

8.1 SPI

427

8.1.1 RFID mit RFID-RC522

428

8.1.2 SD-Karte

435

8.1.3 TFT-Display

441

8.2 I²C

445

8.3 I2S

449

8.4 Bluetooth

460

8.4.1 Bluetooth Classic

460

8.4.2 Bluetooth Low Energy (BLE)

462

8.5 WLAN/Wi-Fi

477

8.5.1 ESP32 als AP

478

8.5.2 ESP32 als »Station«

483

8.5.3 ESP32 mit ESP-Now

490

8.5.4 ESP32-Mesh

499

8.6 UART

500

8.6.1 Die UART-Schnittstellen des ESP32

502

8.6.2 Ein UART-Echo

503

8.6.3 ESP32-Modul flashen

505

8.7 OTA

506

9 Externe Kommunikations- und Steuerungsmöglichkeiten

511

9.1 Das JSON-Datenaustauschformat in der Praxis

512

9.2 Apps

517

9.2.1 Blynk (2.0)

517

9.2.2 MIT App Inventor

526

9.3 Messenger

538

9.3.1 E-Mail-Versand

538

9.3.2 Pushbullet

547

9.3.3 Alexa

555

9.3.4 Telegram und WhatsApp

558

9.4 Das MQTT-Protokoll

558

9.5 Cloud-IoT-Plattformen

566

9.5.1 Cayenne

567

9.5.2 Adafruit IO

572

9.5.3 IFTTT

581

9.6 Lokale Anwendungen nutzen

592

9.6.1 Node-RED

593

9.6.2 ioBroker

606

10 Projektideen

619

10.1 The Evil Dice

619

10.2 Die Maker-Uhr

625

10.3 Das Dateisystem einmal anders

645

10.4 Solar-Repeater

655

10.5 Als die Bilder laufen lernten

659

10.5.1 Ein Schwarz-Weiß-Bild anzeigen

659

10.5.2 Ein RGB-Bild anzeigen

663

10.5.3 Eine TFT-Slide-Show

665

10.6 IoT-Barometer

672

10.6.1 Der Sensor BMP280

673

10.6.2 Das I²C-OLED-Display SSD1306

677

10.6.3 Beide Module an einem gemeinsamen I²C-Bus

684

10.6.4 Beide Module an getrennten I²C-Kanälen

686

10.7 Eine kleine Schaltzentrale

688

10.8 Den ESP32 mit Alexa steuern

706

10.9 Mit Text To Speech und ChatGPT experimentieren

715

10.9.1 Text To Speech

715

10.9.2 ChatGPT

720

A Anhang

725

A.1 Sensoren

725

A.2 Fritzing-Parts

726

A.3 Verwendete Software und Softwareversionen

727

A.4 RTC-MUX-Pin-Liste

728