เซนเซอร์ สำหรับของเล่น ESP32: ปุ่ม PIR อัลตราโซนิก แสง ดิน IMU อุณหภูมิ

เซนเซอร์คือ “ตา หู และมือสัมผัส” ของของเล่นอิเล็กทรอนิกส์ ก่อนเลือกตัวไหน ให้ถามสองข้อ: มันส่งข้อมูลกลับมาแบบไหน (digital, analog หรือ I2C) และมันใช้ไฟกับส่งสัญญาณที่แรงดันเท่าไร สองข้อนี้ตัดสินว่าต่อตรงได้ หรือต้องมีตัวต้านทานคั่น บทนี้เป็นแผนที่รวมเซนเซอร์ที่ใช้บ่อย 7 แบบ

ตัวเลขอ้างอิง ESP32 รุ่นแรก (ESP32-WROOM) บน Arduino-ESP32 core 3.x

สามวิธีที่เซนเซอร์คุยกับบอร์ด

• Digital ส่งแค่สูงหรือต่ำ อ่านด้วย digitalRead() เช่น ปุ่ม และ PIR
• Analog ส่งแรงดันต่อเนื่อง บอร์ดแปลงเป็นตัวเลขด้วย ADC อ่านด้วย analogRead() เช่น ตัวต้านทานแปรตามแสง (LDR) และเซนเซอร์ความชื้นดิน ESP32 ให้ค่า 0–4095 (12 บิต)
• Bus ส่งเป็นข้อมูลดิจิทัลหลายไบต์ผ่านโปรโตคอล เช่น I2C (สาย SDA, SCL) หรือ 1-Wire (สายข้อมูลเส้นเดียว) ได้ค่าที่แปลงหน่วยมาแล้ว และต่อหลายตัวบนสายชุดเดียวได้

มีแบบที่สี่ที่ไม่เข้ากลุ่ม คือ จับเวลาพัลส์ อย่างอัลตราโซนิก HC-SR04 ที่ความกว้างพัลส์บอกระยะ

ตารางรวม: เซนเซอร์ 7 แบบสำหรับของเล่น

เซนเซอร์	วัดอะไร	วิธีคุย	ไฟเลี้ยง / สัญญาณ	ข้อควรรู้
ปุ่มกด	กด/ปล่อย	digital	ไม่ต้องใช้ไฟ ใช้ pull-up ภายใน	ต้องกัน bounce
PIR	คนหรือสัตว์ขยับ	digital	ดูสเปกโมดูล, ขาออก 3.3 V	รอ 30–60 วินาทีหลังเปิดไฟ
HC-SR04	ระยะ 2–400 cm	จับเวลาพัลส์	5 V, echo ออก 5 V	ต้องลดแรงดันขา echo
LDR	ความสว่าง	analog	ต่อเป็นวงจรแบ่งแรงดัน	ไม่เป็นเชิงเส้น
ความชื้นดิน (capacitive)	ดินแห้งหรือเปียก (ค่าเทียบ)	analog	3.3–5.5 V, ขาออก 0–3.0 V	calibrate ดินแห้ง/เปียก
IMU (MPU-6050)	ความเร่ง + การหมุน 6 แกน	I2C	บอร์ดเบรกเอาต์ 3–5 V	address 0x68 / 0x69
อุณหภูมิ (BME280 / DS18B20)	อุณหภูมิ (+ความชื้น ความกด)	I2C / 1-Wire	BME280 ดูบทเฉพาะ, DS18B20 3.0–5.5 V	ความร้อนจากบอร์ดทำค่าเพี้ยน

3.3 V กับ 5 V: เรื่องที่พังบอร์ดได้

ESP32 ทำงานที่ 3.3 V วิศวกรของ Espressif ตอบในฟอรัมว่าขาอินพุตรับได้ไม่เกิน VDD + 0.3 V คือราว 3.6 V ขา GPIO จึงไม่รับ 5 V ตรง ๆ

แยกให้ออกสองเรื่อง:

1. ไฟเลี้ยงเซนเซอร์ เลี้ยงโมดูลด้วย 5 V ได้ ถ้าโมดูลออกแบบมาแบบนั้น
2. สัญญาณที่ส่งกลับเข้าขา ESP32 ต้องไม่เกิน 3.3 V

โมดูลความชื้นดิน capacitive เลี้ยง 5 V ได้แต่ส่งออกสูงสุด 3.0 V จึงปลอดภัย ส่วน HC-SR04 รุ่นดั้งเดิมเลี้ยง 5 V และขา echo ส่งออก 5 V ต้องลดแรงดันก่อน (รุ่นใหม่บางรุ่นทำงานที่ 3.3 V ได้ ดูสเปกของตัวที่ซื้อ)

ก่อนต่อเซนเซอร์ตัวใหม่ ถามว่า “ขาที่ส่งสัญญาณกลับมาสูงสุดกี่โวลต์” ไม่ใช่แค่ “เลี้ยงไฟกี่โวลต์”

ตัวอย่างคำนวณ: HC-SR04 ตั้งแต่สายถึงระยะ

ลดแรงดันขา echo ด้วยตัวต้านทาน 2 ตัว (voltage divider) R1 = 1 kΩ จาก echo ไป GPIO และ R2 = 2 kΩ จาก GPIO ลงกราวด์

1. Vout = 5 V × R2 ÷ (R1 + R2) = 5 × 2 ÷ 3 ≈ 3.33 V อยู่ในช่วงปลอดภัย
2. ผลรวม 3 kΩ มากกว่า 1 kΩ ตามที่ Adafruit แนะนำ กระแสจากขา echo จึงไม่เกินที่โมดูลจ่ายได้

แปลงพัลส์เป็นระยะ สูตรใน datasheet: ระยะ (cm) = เวลาพัลส์ (µs) ÷ 58

1. วัด echo ได้ 1,160 µs → 1,160 ÷ 58 = 20 cm
2. ตรวจด้วยความเร็วเสียง 340 m/s: 0.00116 s × 340 ÷ 2 = 0.197 m ≈ 20 cm (หารสองเพราะเสียงเดินทางไปและกลับ)
3. datasheet แนะนำให้วัดห่างกันเกิน 60 ms ไม่ให้เสียงสะท้อนรอบก่อนปนรอบใหม่ → อ่านได้ไม่เกินราว 16 ครั้งต่อวินาที

// ESP32, TRIG = GPIO5, ECHO = GPIO18 (ผ่านตัวแบ่งแรงดัน)
const int TRIG = 5, ECHO = 18;
void setup() { Serial.begin(115200); pinMode(TRIG, OUTPUT); pinMode(ECHO, INPUT); }
void loop() {
  digitalWrite(TRIG, HIGH); delayMicroseconds(10); digitalWrite(TRIG, LOW);
  unsigned long us = pulseIn(ECHO, HIGH, 30000);  // timeout 30 ms
  if (us) Serial.println(us / 58.0);               // cm
  delay(60);
}

วัตถุที่วัดควรเรียบและใหญ่พอ datasheet ระบุพื้นที่ไม่น้อยกว่า 0.5 ตารางเมตรสำหรับค่าตามสเปก ผ้า ขนตุ๊กตา หรือวัตถุเอียง ๆ สะท้อนเสียงได้น้อย ค่าจะกระโดด

Analog บน ESP32: เลือกขาให้ถูก

• ADC ให้ค่า 0–4095 ที่การลดทอน 11 dB วัดได้ราว 150–3,100 mV ไม่ใช่ 0–3.3 V เต็ม ปลายสองข้างอ่านไม่แม่น
• ใช้ analogReadMilliVolts() ได้ค่ามิลลิโวลต์ที่ calibrate แล้ว ดีกว่าแปลงจาก analogRead() เอง
• ADC2 ใช้ไม่ได้ตอนเปิด Wi-Fi (เอกสาร ESP-IDF) ของเล่นที่ต่อ Wi-Fi ให้ใช้ขา ADC1 คือ GPIO32–39
• GPIO34–39 เป็นอินพุตอย่างเดียว ไม่มี pull-up/pull-down ภายใน ใช้กับปุ่มต้องมีตัวต้านทานภายนอก

LDR ต่อเป็นวงจรแบ่งแรงดันกับตัวต้านทาน 10 kΩ (Adafruit แนะนำสำหรับในร่ม) ตัวอย่าง: ห้องมืด ~10 lux LDR ประมาณ 10 kΩ → 3.3 × 10 ÷ (10 + 10) = 1.65 V ห้องสว่าง 100 lux LDR ~1.5 kΩ → 3.3 × 10 ÷ 11.5 ≈ 2.87 V ค่า LDR แต่ละตัวต่างกัน วัดตัวที่ซื้อมาจริงด้วยมัลติมิเตอร์

ความชื้นดิน อ่านค่าตอนอยู่ในอากาศ (แห้งสุด) กับตอนจุ่มน้ำ (เปียกสุด) แล้วใช้สองค่านั้นเป็นขอบ อย่าใช้ตัวเลขจากบทความอื่น เพราะต่างกันทุกตัว

Digital และ bus: ปุ่ม PIR IMU อุณหภูมิ

• ปุ่ม ใช้ pinMode(pin, INPUT_PULLUP) เปิดตัวต้านทานภายในราว 45 kΩ ต่อปุ่มลงกราวด์ อ่านได้ LOW เมื่อกด ปุ่มเชิงกลเด้ง (bounce) ตอนกด ต้องหน่วงหรือกรองในโค้ด
• PIR ขาออกเป็น 3.3 V เมื่อจับการเคลื่อนไหวได้ (ตามที่ Adafruit ทดสอบ) จัมเปอร์ H = ค้างสูงตราบที่ยังมีการเคลื่อนไหว, L = ส่งครั้งเดียว ต้องรอ 30–60 วินาทีหลังเปิดไฟให้เซนเซอร์นิ่ง
• IMU MPU-6050 คุยผ่าน I2C address 0x68 ดึงขา AD0 ขึ้นเพื่อย้ายไป 0x69 บอร์ดเบรกเอาต์ของ Adafruit รับไฟ 3–5 V มีตัวลดแรงดันในตัว เหมาะกับของเล่นที่ต้องรู้ว่าเอียงหรือถูกเขย่า
• อุณหภูมิ BME280 ใช้ I2C ให้ทั้งอุณหภูมิ ความชื้น ความกด (ดูบท BME280 กับ ESP32) DS18B20 ใช้ 1-Wire ไฟ 3.0–5.5 V ต้องมี pull-up ราว 4.7 kΩ ที่สายข้อมูล และแปลงค่าที่ 12 บิตใช้เวลา 750 ms

ข้อผิดพลาดที่เจอบ่อย

• ต่อขา echo ของ HC-SR04 ตรงเข้า ESP32 อาจใช้ได้ไปสักพักแล้วขานั้นเสีย ใส่ตัวแบ่งแรงดันเสมอ
• ใช้ขา ADC2 แล้วค่าหายตอนเปิด Wi-Fi ย้ายไป GPIO32–39
• ใช้ INPUT_PULLUP กับ GPIO34–39 ไม่มีผล ขาลอย ค่ามั่ว
• ทดสอบ PIR ทันทีหลังเสียบไฟ ได้สัญญาณหลอก รอให้นิ่งก่อน
• ปักเซนเซอร์ดินแบบ resistive ทิ้งไว้ทั้งเดือน ขากร่อน ค่าเลื่อน เปิดไฟเฉพาะตอนอ่าน หรือเปลี่ยนเป็น capacitive
• วางเซนเซอร์อุณหภูมิชิดบอร์ด ความร้อนจาก ESP32 ทำให้อ่านสูงเกินจริง เว้นระยะหรือพิมพ์กล่องที่มีช่องระบาย (ดูพิมพ์กล่องให้บอร์ด)

ความปลอดภัย

เซนเซอร์ทั้งหมดในบทนี้ใช้ไฟ 3.3–5 V จากบอร์ดหรืออะแดปเตอร์ที่ปิดมิดชิด ห้ามต่อเซนเซอร์เข้ากับไฟบ้านโดยตรง ถ้าเซนเซอร์ดินอยู่กลางแจ้ง กันน้ำส่วนวงจรและสายต่อ เพราะความชื้นทำให้ลัดวงจรได้ แม้แรงดันต่ำ

บทนี้เป็นบทสุดท้ายของเส้นทาง ต่อไปลองรวมเซนเซอร์กับเซอร์โวจากบทก่อน เป็นของเล่นที่ตอบสนองต่อคนได้

แหล่งข้อมูล

• HC-SR04 Ultrasonic Ranging Module datasheet — Elecfreaks (via SparkFun)
• ADC — Arduino-ESP32 docs (Espressif)
• GPIO and RTC GPIO — ESP-IDF Programming Guide (Espressif)
• HC-SR04: Connect the sensor — Adafruit Learning System
• Capacitive Soil Moisture Sensor SEN0193 — DFRobot Wiki
• MPU-6050 Pinouts — Adafruit Learning System