شناخت پایه‌های GPIO برد NodeMcu با نرم افزار Arduino IDE

برد NODEMCU به واسطه ی طراحی فوق العاده و امکانات متمایزی که در اختیار ما قرار داده است، امکان طراحی و اجرای پروتوتایپ اولیه ی پروژه های IOT اینترنت اشیا برای ما ساده تر شده است. در این آموزش کوتاه به معرفی پایه های GPIO برد خواهیم پرداخت. در ادامه آموزش پایه‌های GPIO برد NodeMcu با مرجع تخصصی آردوینو به زبان فارسی دیجی اسپارک همراه باشید.

GPIO چیست؟

GPIO یا General Purpose Input/Output به معنی ورودی/خروجی عمومی یا ورودی/خروجی کلی است. این عبارت برای توصیف پین‌های موجود در برخی از میکروکنترلرها و سیستم‌های الکترونیکی استفاده می‌شود که به طور اختصاصی برای اتصال و کنترل اجزای دیگر استفاده می‌شود.GPIO به میکروکنترلر اجازه می‌دهد تا با سنسورها به صورت دیجیتال ارتباط برقرار کند. برای مثال، می‌توان از پین‌های GPIO برای اتصال و کنترل LEDها، دکمه‌ها، سنسورها، موتورها، نمایشگرها و سایر قطعات الکترونیکی استفاده کرد.پین‌های GPIO می‌توانند به دو حالت عمل کنند: حالت ورودی و حالت خروجی. در حالت ورودی، پین می‌تواند اطلاعات دیجیتال را از دستگاه خارجی دریافت کند. در حالت خروجی، پین می‌تواند اطلاعات دیجیتال را به دستگاه خارجی ارسال کند. وضعیت (خروجی یا ورودی) و سطح (مثبت یا منفی) سیگنال‌هایی که به پین‌های GPIO وصل می‌شوند، می‌توانند توسط کد نرم‌افزاری کنترل شوند

پین‌های GPIO بسته به نوع میکروکنترلر یا سیستم الکترونیکی ممکن است دارای ویژگی‌ها و محدودیت‌هایی باشند. این ویژگی‌ها ممکن است شامل تحمل ولتاژ، جریان، حداکثر فرکانس قابل پشتیبانی و سایر ویژگی‌های مربوط به پین باشند. .در برخی از میکروکنترلرها و سیستم‌های الکترونیکی، پین‌های GPIO می‌توانند توسط برنامه‌نویسی نرم‌افزاری کنترل شوند. این به این معنی است که شما می‌توانید به طور دلخواه ورودی‌ها و خروجی‌های GPIO را تنظیم کنید و با خواندن و نوشتن به این پین‌ها، ارتباط با سنسورها را برقرار کنید.

برای مثال، در یک سناریو ساده، می‌توانید یک LED را به یک پین GPIO وصل کنید و سپس با تنظیم وضعیت پین به حالت خروجی و ارسال سطح مورد نظر (مثلاً برق تغذیه)، LED را روشن یا خاموش کنید. همچنین می‌توانید دکمه‌ای را به یک پین GPIO وصل کنید و با خواندن وضعیت پین به عنوان ورودی، عملکردی مانند راه‌اندازی یک عملیات یا تغییر وضعیت دستگاه را فعال کنید.در برنامه‌نویسی میکروکنترلرها و سیستم‌های الکترونیکی، واجدانِ مجموعه‌ای از توابع و روش‌ها برای کنترل پین‌های GPIO وجود دارند. این توابع توسط محیط توسعه یا کتابخانه‌های مربوطه فراهم می‌شوند و شامل عملیات مانند تنظیم وضعیت پین به ورودی یا خروجی، خواندن و نوشتن به پین، تنظیم سطح پین (مانند برق تغذیه یا زمین) و سایر عملیات مرتبط است.

مهمترین نکته در استفاده از پین‌های GPIO این است که باید به محدودیت‌ها و ویژگی‌های آن‌ها توجه کنید. به عنوان مثال، باید از حداکثر جریان مجاز برای پین‌های GPIO و تحمل ولتاژ مناسب آن‌ها اطمینان حاصل کنید. همچنین، در صورت نیاز به اتصال قطعات با سطوح ولتاژ متفاوت، باید از استفاده از منطقی‌ها و قطعات واسط مانند مقاومت‌های منطقی و تراشه‌های واسط (مثل مبدل‌های سطح) استفاده کنید. GPIO مخفف عبارت General – Purpose input / output است که پین های آی سی به شمار می‌آید. توسط این پایه ها ارتباط با سخت افزارهای دیگر فراهم شده و با تمامی سنسورهایی که ولتاژ آن ها همخوانی دارد، قابل تست و راه اندازی است. پایه های آی سی میتوانند به صورت ورودی و خروجی در هر زمانی بسته به نوع نیاز ما در کدها تعریف شده و عمل خاصی را انجام دهند. برد Nodemcu امکان دسترسی به پایه های GPIO را توسط تراشه ESP8266 ساده تر می‌کند.

برد NodeMCU یک برد توسعه بر پایه میکروکنترلر ESP8266 است که قابلیت اتصال به اینترنت را دارد. برای استفاده از پین‌های GPIO در برد NodeMCU، پایه‌های مربوطه را می‌توان به شکل زیر مشخص کرد.NodeMCU دارای یک مجموعه از پین‌های GPIO است که با عدد ۰ تا ۱۶ شماره گذاری شده‌اند. این شماره‌گذاری بر اساس شماره پین‌های GPIO استاندارد بر مبنای ESP8266 انجام شده است. پایه‌های GPIO در برد NodeMCU به صورت زیر است:

D0 (پین ۱۶)
D1 (پین ۵)
D2 (پین ۴)
D3 (پین ۰)
D4 (پین ۲)
D5 (پین ۱۴)
D6 (پین ۱۲)
D7 (پین ۱۳)
D8 (پین ۱۵)
D9 (پین ۳)
D10 (پین ۱)
D11 (پین ۹)
D12 (پین ۱۰)
D13 (پین ۱۱)

علاوه بر پین‌های GPIO معمولی، برد NodeMCU دارای پین‌های دیگری نیز است که به منظور اتصال و کنترل قطعات خاصی مانند سنسور DHT11 و LED RGB به کار می‌روند. این پین‌ها عبارتند از:

DHT11 (پین ۷) – برای اتصال سنسور دما و رطوبت DHT11
SDA (پین ۶) – برای اتصال به خط داده I2C (مانند اتصال به سنسورهای I2C)
SCL (پین ۵) – برای اتصال به خط ساعت I2C (مانند اتصال به سنسورهای I2C)
LED RGB (پین‌های ۴، ۵ و ۱۲) – برای کنترل رنگ LED RGB

این لیست تا حد مورد نیاز پایه‌های GPIO موجود در برد NodeMCU را بررسی می‌کند. اما، توجه داشته باشید که ممکن است در بردهای مختلف NodeMCU با ویژگی‌ها و نسخه‌های متفاوت، پایه‌ها و شماره‌گذاری متفاوتی وجود داشته باشد.

D0 (پین ۱۶)
D1 (پین ۵)
D2 (پین ۴)
D3 (پین ۰)
D4 (پین ۲)
D5 (پین ۱۴)
D6 (پین ۱۲)
D7 (پین ۱۳)
D8 (پین ۱۵)
D9 (پین ۳)
D10 (پین ۱)
D11 (پین ۹)
D12 (پین ۱۰)
D13 (پین ۱۱)
D14 (پین ۶) – پین SDA برای اتصال به خط داده I2C
D15 (پین ۸) – پین SCL برای اتصال به خط ساعت I2C

پایه‌های D0 تا D13 پایه‌های GPIO استاندارد هستند که قابلیت عملیات ورودی و خروجی را دارند. پایه‌های D14 و D15 نیز برای اتصال به خطوط داده و ساعت I2C استفاده می‌شوند.اگر قصد استفاده از پایه‌های GPIO در برد NodeMCU را در زبان برنامه‌نویسی Lua داشته باشید، می‌توانید از کتابخانه gpio استفاده کنید. این کتابخانه دسترسی به پایه‌های GPIO را فراهم می‌کند و امکان کنترل ورودی و خروجی را به شما می‌دهد.همچنین، اگر از برنامه‌نویسی با زبان Arduino بر روی برد NodeMCU استفاده می‌کنید، می‌توانید از کتابخانه ESP8266WiFi و ESP8266WebServer برای کنترل پایه‌های GPIO و تعامل با شبکه استفاده کنید.در هر صورت، مطالعه مستندات و راهنمای مربوط به برد NodeMCU و زبان برنامه‌نویسی مورد استفاده خود (مانند Lua یا Arduino) می‌تواند به شما کمک کند تا نحوه استفاده صحیح از پایه‌های GPIO را در این برد بیاموزید.

نام پایه ها در برد Nodemcu با برد تراشه ESP8266 متفاوت است. جدول زیر را با هم بررسی کنیم.

اسم پایه ها در برد NODEMCU	شماره پایه های داخلی ESP8266
D0	GPIO16
D1	GPIO5
D2	GPIO5
D3	GPIO0
D4	GPIO2
D5	GPIO14
D6	GPIO12
D7	GPIO13
D8	GPIO15
D9 = RX	GPIO3
D10 = TX	GPIO1
D11 = SD2	GPIO9
D12 = SD3	GPIO10

نکته ی اصلی در ترتیب پایه ها اشتباه نشدن شماره های آن هاست که ممکن است با یک اشتباه ساده در کدنویسی و اتصال اشتباه پایه تا مدتی دنبال روش رفع عیب باشید!!

از GPIO با شماره های ۱, ۳, ۹, ۱۰ به صورت معمول به عنوان ورودی و خروجی استفاده نمی‌شود.
GPIO با شماره های D1 , D2, D5, D6, D7 در دسترس و قابل استفاده است.
پایه های D8, RX , TX در زمان بوت شدن ممکن است خطاهایی در برنامه ایجاد کند که پیشنهاد می‌شود از آن ها استفاده نکنید.

تراشه ESP8266 با توجه به اینکه از SOC ساخته شده است و بسیاری از GPIO ها به صورت داخلی استفاده می‌شود، در مجموع ۱۱ پایه GPIO در اختیار ما قرار دارد. دو پایه از ۱۱ پایه GPIO یعنی TX, RX برای ارتباط سریال و ارتباط با دیگر سخت افزارها و کامیپوتر استفاده می‌شود. با این وجود تا این لحظه فقط ۹ پایه دیجیتال D0 تا D8 تحت کنترل و اختیار ما است. همانطور که اشاره شد چهار پایه ۱ و ۳ و ۹ ۱۰ به دلیل استفاده در فرآیندهای داخلی استفاده نمی‌شود اما از پایه SD3 یا همان D12 برای برقراری ارتباط GPIO/ PWM/ INTERRUPT قابل تست و استفاده است. پایه D0 – GPIO16 فقط برای خواندن و نوشتن READ AND WRITE استفاده می‌شود و نمیتوانید تاثیری در مدار بگذارد.

جزییات پایه‌های GPIO

در این جدول تمامی پایه های قابل استفاده در برد NODEMCU نوشته شده است. شماره پایه برد با شماره GPIO به همراه نقش ورودی INPUT, نقش خروجی OUTPUT و عملکرد آن ها کامل شرح داده شده است. مطابق با جدول و نیاز پروژه پایه های مناسب را انتخاب کرده و در کدنویسی برنامه از آن ها استفاده کنید.

پایه ها	GPIO	ورودی	خروجی	سایر توضیحات
D0	GPIO16	اینتراپت داخلی ندارد	از PWM و I2C پشتیبانی نمی‌کند.	در زمان BOOT شدن همیشه HIGH است و برای DEEP SLEEP در برد استفاده می‌شود.
D1	GPIO5	به عنوان ورودی قابل استفاده است	به عنوان خروجی قابل استفاده است	I2C = SCL
D2	GPIO4	به عنوان ورودی قابل استفاده است	به عنوان خروجی قابل استفاده است	I2C = SDA
D3	GPIO0	پایه PULLED UP	به عنوان خروجی قابل استفاده است	مستقیم به کلید فلش در برد متصل است و اگر غیرفعال باشد، بوت موفق نیست.
D4	GPIO2	پایه PULLED UP	به عنوان خروجی قابل استفاده است	به ال ای دی داخلی برد متصل است
D5	GPIO14	به عنوان ورودی قابل استفاده است	به عنوان خروجی قابل استفاده است	SPI = SCLK
D6	GPIO12	به عنوان ورودی قابل استفاده است	به عنوان خروجی قابل استفاده است	SPI = MISO
D7	GPIO13	به عنوان ورودی قابل استفاده است	به عنوان خروجی قابل استفاده است	SPI = MOSI
D8	GPIO15	مستقیم به GND وصل است	به عنوان خروجی قابل استفاده است اما پیشنهاد نمی‌شود.	SPI = CS
A0	ADC0	ANALOG ورودی

خطر بوت نشدن!

بعضی از پایه های GPIOدر زمان بوت شدن استفاده می‌شوند به همین دلیل فعال شدن و غیرفعال شدن هر یک از این پایه ها در زمان درست ممکن است مانع بوت شدن برد NODEMCU شوید. همچنین در نظر داشته باشید اتصال هر دیوایس، سنسور و حتی کوچکترین قطعه الکترونیکی در مسیر اتصال ممکن است باعث HIGH و LOW شدن پایه ها شود و در نتیجه مانع از بوت شدن شود که بایستی این مورد توسط خودتان تست و بررسی شود. ال ای دی داخلی برد در بعضی از بردها D4 و در برخی از بردها GPIO16 است.

پایه GPIO0

این پایه پس از گدشت ۱۰۰ میلی ثانیه پایدار شده و HIGH می‌شود. پس قبل از این زمان ممکن است وضعیت آن LOW شود و برد NODEMCU بوت نشود.

پایه GPIO1

در مدت زمان ۵۰ میلی ثانیه غیر فعال است و سپس HIGH می‌شود.

پایه GPIO2

این پایه پس از گدشت ۱۰۰ میلی ثانیه پایدار شده و HIGH می‌شود.

پایه GPIO3

در مدت زمان ۵۰ میلی ثانیه غیر فعال است و سپس HIGH می‌شود.

پایه GPIO9

این پایه در زمان بوت شدن HIGH است.

پایه GPIO10

این پایه در زمان بوت شدن HIGH است.

پایه GPIO15

این پایه در زمان بوت شدن LOW است.

پایه GPIO16

این پایه در زمان بوت شدن HIGH است و تا ۱ ولت کاهش پیدا می‌کند.

پایه‌های فعال در زمان بوت شدن

بعضی از پایه ها در زمان بوت شدن به ولتاژ ۳٫۳ ولت میرسند. به همین دلیل اگر رله و قطعه ای با ولتاژ بیشتر به این پایه متصل باشد، برد بوت BOOT نخواهد شد.

GPIO16

GPIO3

GPIO1

GPIO10

GPIO9

پایه ورودی آنالوگ

برد NODEMCU فقط و فقط یک پایه ADC با عنوان A0 دارد! شاید در لحظه ی اول دردناک باشد، اما جای نگرانی نیست! تا به امروز بسیاری از مبدل های I2C تولید شده است که تعداد پایه های آنالوگ بیشتری در اختیار ما قرار میدهد. ولتاژ ورودی در این پایه بین ۰ تا ۳٫۳ ولت و در برد از تقسیم ولتاژ داخلی استفاده می‌کنند.

پایه‌های I2C برد NodeMcu

برد ESP8266 به تنهایی از I2C پشتیبانی نمی‌کند اما در نرم افزار امکان اختصاص پایه های I2C به برد فراهم است.

GPIO5: SCL
GPIO4: SDA

پایه‌های SPI برد NodeMcu

پایه های SPI در ESP8266 به صورت زیر است.

GPIO12: MISO
GPIO13: MOSI
GPIO14: SCLK
GPIO15: CS

پایه‌های PWM برد NodeMcu

تمامی پایه های ESP8266 در نرم افزار امکان استفاده از پایه های ورودی و خروجی در GPIO را در نقش PWM فراهم می‌کند!!!!

پایه‌های INTERRUPT

پایه‌های GPIO برد NodeMcu با تراشه ESP8266 در نرم افزار امکان استفاده از پایه های ورودی و خروجی در GPIO را در نقش وقفه INTERRUPT فراهم می‌کند!!!!

جمع بندی

خیلی از افراد بدون بررسی دیتاشیت و بررسی پایه‌های GPIO برد NodeMcu نسبت به خرید برد اقدام کرده اند. در یکی از آخرین تیکت هایی که پاسخ دادم، کاربری اعلام کرده بود که چرا به اشتباه در ویژگی های کالا تعداد پایه ها ۱۶ عدد نوشته شده است. برای تست و اجرا فقط و فقط ۹ پایه در اخیتار ما است که میتوانیم از آن ها استفاده کنیم که در این بخش به معرفی و وضعیت HIGH , LOW بودن هر پایه در زمان بوت شدن هم پرداخته شده است. قبل از خرید با توجه به نیاز پروژه پایه ها را بررسی کنید.

چنانچه در مراحل ارایه شده در این آموزش سوالی داشتید، بدون هیچ نگرانی در انتهای همین پست، به صورت ثبت نظر سوالتان را مطرح کنید. من در سریع‌ترین زمان ممکن پاسخ رفع مشکل شما را خواهم داد.

در پایان نظرات و پیشنهادات خود را با ما درمیان بگذارید و با اشتراک گذاری این آموزش در شبکه های اجتماعی از وبسایت دیجی اسپارک حمایت کنید.

۱۸ دیدگاه

علیرضا گفت:

مارس 15, 2021 در 12:57 ق.ظ

سلام
مگر حداکثر ولتاژ ورودی پورت آنالوگ یک ولت نیست؟
در این مطلب ۳.۳ ولت نوشته شده است.

پاسخ
- پریسا پوربلورچیان گفت:
  
  مارس 20, 2021 در 8:30 ب.ظ
  
  با سلام
  ولتاژ اکسترنال adc بین ۰ تا ۳٫۳ ولت dc است. در برد nodemcu از یک resistive voltage divider استفاده شده است. موردی که شما میفرمایید برای تراشه Esp8266 است.
  
  پاسخ
  - Masoud گفت:
    
    سپتامبر 14, 2021 در 12:35 ب.ظ
    
    استفاده از ولتاژ دیوایدر این حسن داره که با سری کردن مقاومت میتونی ولتاژ بیشتر از ۳۰۳ هم به عنوان ورودی به پایه اا اعمال کنی
    
    پاسخ
    - پریسا پوربلورچیان گفت:
      
      سپتامبر 16, 2021 در 10:30 ق.ظ
      
      سپاس از همراهی شما
      
      پاسخ
میثم کارگزار گفت:

آوریل 17, 2021 در 12:42 ب.ظ

سلام
تازه متوجه اشتباهاتم شدم و فکر میکردم ایراد از برد خودمه
ممنونم بابت توضیحات خوبتون

پاسخ
- پریسا پوربلورچیان گفت:
  
  آوریل 17, 2021 در 8:12 ب.ظ
  
  سپاس از همراهی شما امیدوارم مفید واقع شده باشد.
  
  پاسخ
- Masoud گفت:
  
  سپتامبر 14, 2021 در 12:31 ب.ظ
  
  سلام
  من پایه D3 gpio0 را در سریال سافت ویر به عنوان اتصال به tx ماژول سیم کارت معرفی کرده بودم هدر برد بوت نمیشد
  بعد از روشن کردن مدار یبار هم باید ریستارت میکردم تا از توی ست اپ وارد لوپ بشه
  پایه را عوض کردم درست شد
  در هر صورت از توضیحات دیرهنگام شما سپاسگزارم
  
  پاسخ
رضا گفت:

آگوست 16, 2021 در 1:57 ق.ظ

سلام وقتتون بخیر
من از پایه آنالوگ برد خروجی گرفتم (بدون اینکه سنسوری متصل کنم) بین سیگنال ۰ تا ۱۳۱۸ تغییر میکنه مدام و باعث میشه من دیتای دقیقی از سنسورام نمیتونم بگیرم. علت این چیه؟

پاسخ
- پریسا پوربلورچیان گفت:
  
  آگوست 16, 2021 در 11:51 ق.ظ
  
  با سلام
  لطفا توضیحات تکمیلی دهید تا راهنمایی شود. روش تست را بفرمایید.
  
  پاسخ
  - رضا گفت:
    
    آگوست 16, 2021 در 6:49 ب.ظ
    
    با سلام و احترام
    nodeMcu Esp32
    بدون اینکه سنسوری به پین آنالوگ وصل کنم، از قطعه کد analogRead(analogPin) خروجی عددی گرفتم (توی متد loop) و پرینت کردم
    عدد خروجی بین ۰ تا ۱۳۱۸ متغیره و سریعا تغییر میکنه
    اما من هیچ سنسوری متصل نکردم چرا باید خروجی بده وقتی چیزی بهش وصل نیست؟
    آیا مشکل از برد هست؟ یا بخاطر نویزه؟
    حتی وقتی به پین انالوگ دست میزنم این عدد یهو تغییر میکنه.
    
    این مشکل باعث میشه من از سنسورام دیتای دقیق نمیگیرم. اول فکر میکردم سنسورا ایراد دارن یا دقیق کار نمیکنن
    
    اگه امکانش هست یه راه ارتباطی بدید که من بتونم ویدیوشو بفرستم خیلی ممنون میشم.
    
    پاسخ
    - پریسا پوربلورچیان گفت:
      
      آگوست 22, 2021 در 9:38 ق.ظ
      
      با سلام
      در این حالت خروجی نمایش داده شده همان ولتاژ قرار گرفته شده بر روی پایه های آنالوگ است که به آن adc گفته می‌شود.
      
      پاسخ
امیر گفت:

سپتامبر 27, 2021 در 10:42 ب.ظ

ممنون خیلی مفید بود ، لطف کردین

پاسخ
- پریسا پوربلورچیان گفت:
  
  سپتامبر 30, 2021 در 12:30 ب.ظ
  
  سپاس از همراهی شما
  
  پاسخ
امیر گفت:

دسامبر 3, 2021 در 6:58 ب.ظ

با سلام و عرض ادب
من یک برد Node Mcu دارم و چند وقیه دارم روش برنامه webserver می نویسم نمی دونم چش شده یا من دکمه رو اشتباه زدم برنامه روش سیو نمی مونه و بعد از هر بار قطع تغذیه باید دوباره روش آپلود کنم ممنون میشم راهنماییم کنید

پاسخ
- پریسا پوربلورچیان گفت:
  
  دسامبر 16, 2021 در 10:59 ق.ظ
  
  با سلام
  چنین موردی تا به حال برای بنده پیش نیامده است. لطفا توضیحات بیشتری در خصوص تست برد بفرمایید تا بررسی شود.
  
  پاسخ
حسن گفت:

دسامبر 29, 2021 در 6:08 ب.ظ

سلام من تا حالا با برد های nodemcu یا esp کار نکرده ام ولی میخوام بخرم تو سایت رفتم ولی چند مدل بود نمیدونستم کدومو بخرم لطفا راهنمایی می کنید؟

پاسخ
- پریسا پوربلورچیان گفت:
  
  ژانویه 6, 2022 در 12:14 ب.ظ
  
  با سلام
  برای شروع از برد Nodemcu CP2102 و یا برد Wemos D1 mini استفاده کنید.
  برد wemos D1 mini بر پایه ESP8266 با ۴ مگابایت حافظه فلش
  
  برد وای فای NodeMCU بر پایه ESP8266 با تراشه CP2102
  
  پاسخ
حسن گفت:

دسامبر 29, 2021 در 6:41 ب.ظ

کلا چند مدل برد nodemcu و esp داریم من تو هر سایتی میرم از هرکدوم ۱۰ مدل میاره کلا گیج شدم خواهش می کنم راهنماییم کنید

پاسخ
- پریسا پوربلورچیان گفت:
  
  ژانویه 6, 2022 در 12:25 ب.ظ
  
  با سلام
  لینک زیر را بررسی کنید.
  خرید برد ESP8266
  
  پاسخ

شناخت پایه‌های GPIO برد NodeMcu با نرم افزار Arduino IDE

GPIO چیست؟

جزییات پایه‌های GPIO