Integração entre ESP32, PCF8574 e Joystick 5 Eixos

O objeto desse repositório é exemplificar o uso do 'PCF8574' (expansor de IO I²C), que é conectado eletricamente á um módulo de botões do tipo ' Joystick de 5 Eixos'. Ambos dispositivos são integrados ao microcontrolador ESP32, que realiza a leitura dos sinais de acionamento dos botões do joystick via comunicação I²C.

Autor

• Felipe Figueiredo Bezerra

Ambiente de Desenvolvimento

• IDE: Arduino IDE 2.3.3
• MCU: Espressif ESP32-Wroom Dev Module

Como funciona?

• No PCF8574, o terminal P0 é definido como Saída Digital, com objetivo de gerar um sinal lógico de valor UM. Esse valor lógico é conectado no terminal COM (comum) do módulo Joystick 5 eixos.
• Já os outros terminais do PCF8574, entre P1 e P7, são definidos como Entrada Digital, qual recebem um sinal de valor ZERO assim que qualquer botão do Joystick 5 eixos for pressionado.
• Ao pressionar qualquer botão do Joystick 5 eixos, o PCF8574 detecta mudança de status em suas entradas digitais, modificando (para o valor ZERO) o terminal de interrupção *INT.
• O sinal do terminal INT (PCF8574) é enviado para o GPIO do ESP32, o qual também detecta um sinal de interrupção externa.
• O ESP32 ao receber o sinal de interrupção externa executa a leitura de todos os GPIOs de entrada do PCF8574 via comunicação I²C, sendo assim possível determinar qual botão do Joystick de 5 eixos foi pressionado.

1. Conexão elétrica entre o módulo Joystick 5 Eixos e o módulo PCF8574

Os terminais do módulo joystick são conectados ao módulo PCF8574, designados conforme a tabela abaixo:

Terminais Joystick	Terminais PCF8574
COM	P0 como Saída Digital (é gerado no terminal o sinal lógico de valor UM)
UP	P1 como Entrada Digital
DWN	P2 como Entrada Digital
LFT	P3 como Entrada Digital
RHT	P4 como Entrada Digital
MID	P5 como Entrada Digital
SET	P6 como Entrada Digital
RST	P7 como Entrada Digital

2. Conexão elétrica entre o módulo PCF8574 e ESP32 GPIO

A conexão do módulo PCF8574 com o ESP32 GPIO é dado somente pelo terminal de interrupção (*INT):

Terminais PCF8574	ESP32 GPIO
*INT	23

Dispositivos

1. Módulo Joystick 5 Eixos

O módulo Joystick de 5 eixos é um botão de multifunção, qual funciona como um push-button normal aberto, disponibilizando no total 5 funções de direção (Up, Down, Left, Right, Mid). Além disso, o módulo também possui 2 botões individuais do tipo push-button normal aberto (Set e Reset):

Terminais	Descrição
COM	Comum (para todos os botões do módulo)
UP	Joystick Push Button NO
DWN	Joystick Push Button NO
LFT	Joystick Push Button NO
RHT	Joystick Push Button NO
MID	Joystick Push Button NO
SET	Push Button NO
RST	Push Button NO

2. Módulo PCF8574

O módulo PCF8574 é um expansor de I/O's multidirecional (funciona tanto como entrada ou saída), sendo controlado especificamente via comunicação I²C.

Terminais	Descrição
*INT	Notifica (enviando nível ZERO) quando os status dos pinos P0:P7 é modificado
P0	Configurar como Entrada Digital
P1	Configurar como Saída Digital
P2	Configurar como Saída Digital
P3	Configurar como Saída Digital
P4	Configurar como Saída Digital
P5	Configurar como Saída Digital
P6	Configurar como Saída Digital
P7	Configurar como Saída Digital
A0	Endereçamento I²C
A1	Endereçamento I²C
A2	Endereçamento I²C

Observação: O terminal *INT é ativo em nível lógico ZERO, deve ser conectado á um resistor de pull-up (de preferência do valor de 10K Ohm).

O módulo PCF8574 possui o seguinte endereçamento para a comunicação I²C:

Endereço (HEX)	A0	A1	A2
0x20	0	0	0
0x21	0	0	1
0x22	0	1	0
0x23	0	1	1
0x24	1	0	0
0x25	1	0	1
0x26	1	1	0
0x27	1	1	1

3. ESP32 Code

// Bibliotecas
#include <Wire.h>
#include <PCF8574.h>

#define PCF8574_LOW_LATENCY

// GPIO
#define pcf8574Int 23

// PCF8574 I2C Addressing Map (8 devices max)
// https://github.com/xreef/PCF8574_library
// ------------------------
// Address | A0 | A1 | A2 |
//  0x20   | 0  | 0  | 0  |
//  0x21   | 0  | 0  | 1  |
//  0x22   | 0  | 1  | 0  |
//  0x23   | 0  | 1  | 1  |
//  0x24   | 1  | 0  | 0  |
//  0x25   | 1  | 0  | 1  |
//  0x26   | 1  | 1  | 0  |
//  0x27   | 1  | 1  | 1  |
// ------------------------

// Objetos
PCF8574 ioExpander_1(0x20);
PCF8574::DigitalInput di;

// Variáveis
String joystickPressedButton;
volatile bool showPressedButton = false;

//variables to keep track of the timing of recent interrupts
volatile unsigned long buttonTime = 0;  
volatile unsigned long lastButtonTime = 0; 

// Interrupt Service Routine
void IRAM_ATTR isr() 
{
  // Software Debounce
  buttonTime = millis();
  
  if((buttonTime - lastButtonTime) > 900)
  {
    Serial.println("\nISR");
    showPressedButton = true;
    lastButtonTime = buttonTime;
  }

}

void ReadPcf8574Inputs()
{
  di = ioExpander_1.digitalReadAll();

  if(di.p1 == LOW)
  {
    joystickPressedButton = "Up";
  }
  else if(di.p2 == LOW)
  {
    joystickPressedButton = "Down";
  }
  else if(di.p3 == LOW)
  {
    joystickPressedButton = "Left";
  }
  else if(di.p4 == LOW)
  {
    joystickPressedButton = "Right";
  }
  else if(di.p5 == LOW)
  {
    joystickPressedButton = "Mid";
  }
  else if(di.p6 == LOW)
  {
    joystickPressedButton = "Set";
  }
  else if(di.p7 == LOW)
  {
    joystickPressedButton = "Reset";
  }

}

void setup() {
  // put your setup code here, to run once:
  Serial.begin(115200);
  Serial.println("Hello, ESP32!");

  // PinMode 'PCF8574'
  // Entradas
  ioExpander_1.pinMode(P1, INPUT_PULLUP); // UP
  ioExpander_1.pinMode(P2, INPUT_PULLUP); // DOWN
  ioExpander_1.pinMode(P3, INPUT_PULLUP); // LEFT
  ioExpander_1.pinMode(P4, INPUT_PULLUP); // RIGTH
  ioExpander_1.pinMode(P5, INPUT_PULLUP); // MID
  ioExpander_1.pinMode(P6, INPUT_PULLUP); // SET
  ioExpander_1.pinMode(P7, INPUT_PULLUP); // RESET

  // Saidas
  ioExpander_1.pinMode(P0, OUTPUT); // COM

  ioExpander_1.begin();

  // Realizar a varredura do 'joystick 5 eixos'
  // enviando o pino 'COM' para LOW
  ioExpander_1.digitalWrite(P0, LOW);

  // Interrupçoes
  // attachInterrupt(GPIOPin, ISR, Mode);

  // Onde:
  // - GPIO, define o pino da interrupção
  // - ISR, nome da função que executa qdo a interrupção ocorre
  // - Mode, define quando a interrupção deve ser ocorrida
  //    1. LOW (qdo o pino é nível 0)
  //    2. HIGH (qdo o pino é nível 1)
  //    3. CHANGE (qdo o nível do pino é alterado)
  //    4. FALLING (qdo o pino vai do estado 1 para o estado 0)
  //    5. RISING (qdo o pino vai do estado 0 para o estado 1)
  attachInterrupt(digitalPinToInterrupt(pcf8574Int), isr, FALLING);

  delay(1000);

}

void loop() {
  // put your main code here, to run repeatedly:
  delay(20);

  // Realiza a leitura das entradas do PCF8574
  ReadPcf8574Inputs();

  // Quando a interrupção ocorre, então exibir qual o botão foi pressionado
  if(showPressedButton)
  {
    Serial.printf("Joystick: %s", joystickPressedButton);
    showPressedButton = false;
  }

}