連載一覧
- 第1回：プロジェクト概要
- 第2回：ESP32-S3 の環境構築
- 第3回：I/O の実装（ADC / PWM / DIO）
- 第4回：通信プロトコル（JSON コマンド）
- 第4.5回：デバイス化対応
- 第5回：Python アプリの API 実装
- 第6回：デバイスとしてまとめる（設計編）
- 第7回：実装編・応用編（GUI / アプリ化 / 拡張の可能性）
はじめに
前回（第5回）では、Python から ESP32‑S3 を安全かつ直感的に扱うための ESP32IO API（Python クラス） を実装しました。
今回はその続きとして、ESP32‑S3 を 実際の「デバイス」としてまとめる工程 を紹介します。
本プロジェクトでは、入出力回路を以下の方針で作ります。
- DIO_OUT：NPN トランジスタによるシンク出力
- DIO_IN：ソース入力（NPN出力のセンサ接続を想定）
- ADC：0〜10V に対応するため、可変抵抗による分圧回路 + 保護素子
- PWM：信号線としてそのまま出力（外部負荷は別途駆動）
これらの構成は、単なる電子工作ではなく、
工場や設備で一般的に使われる 24V 系の産業信号を扱えるようにするための変更 です。
具体的には：
- DIO_IN にトランジスタを入れたのは、工場で一般的な NPN シンク出力（24V）を安全に受けるため
- DIO_OUT を NPN シンク出力にしたのは、PLC と同じ方式で外部ソース負荷を駆動できるようにするため
- ADC を 0〜10V 対応にしたのは、工場のアナログ信号（圧力・温度・流量など）に対応するため
つまり今回の回路は、ESP32 を
「工場の 24V 機器とそのまま接続できる小型 I/O モジュール」
として成立させるための設計になっています。
この方針を前提に、ケース化・配線・電源・固定方法など、
プロトタイプを 現場で使える形 に仕上げる実践的な内容をまとめます。
デバイス化
デバイス化は大きく次の 5 ステップに分けられます。
- 外部と接続するためのコネクタを選ぶ
- 電源方式を決める（USB / 外部電源）
- 入出力回路を設計する
- 基板設計・製作をする
- 基板を収めるためのケースを製作する
この 5 つを押さえると、「製品らしいデバイス」になります。
1. 外部 I/O の接続方式
今回のデバイスでは、DIO（シンク出力／ソース入力）、ADC（0〜10V）、PWM をケース外に引き出すため 5.08mm ピッチのターミナルブロック を使用します。
2. 電源設計（USB / 外部電源）
ESP32‑S3 は USB だけで動作しますが、工場などでよく使われる一般的なリレーを駆動したり、24V 電源系に組み込んだりするには、入出力用の外部電源が必要になります。
構成
- 本体電源は USB 5V
- 入出力の電源として 3.3V～24V を ±COM へ供給
3. 入出力回路の設計
本プロジェクトでは、ESP32 を使った DIO（デジタル入出力）およびアナログ入力回路を、PLC と同じ感覚で扱えること を目標に設計しています。
産業機器との接続を前提にすると、外部信号は 12〜24V 系が一般的であり、そのまま ESP32 の 3.3V ロジックに接続することはできません。
そこで本設計では、以下の理由から 入力・出力・アナログ入力のすべてにトランジスタや分圧回路を用いた“保護とレベル変換”構成 を採用しています。
■ DIO入力（ソース入力：外部シンク出力を受ける）
- NPN シンク出力（24V）を安全に受けるための入力回路
外部の 24V シンク出力をそのまま ESP32 に入れると破損するため、
トランジスタで電圧を分離し、レベル変換と保護を同時に行っています。
| 項目 | 仕様 |
|---|---|
| 入力方式 | ソース入力（外部 NPN シンク出力を受ける） |
| 許容入力電圧 | 3.3〜24V（推奨 5V 以上） |
| ESP32 側ロジック | HIGH：外部シンク出力 ON / LOW：外部シンク出力 OFF |
| 保護要素 | トランジスタによる電圧分離、ベース抵抗、プルアップ抵抗、ツェナーダイオードによる過電圧保護 |
| 主な目的 | レベル変換、ノイズ耐性、PLC 互換論理 |
■ DIO出力（シンク出力：外部ソース負荷を駆動）
- 外部の負荷（リレー・ランプなど）を安全に駆動するための回路
ESP32 の 3.3V では 24V 負荷を直接駆動できないため、トランジスタを使って電流をスイッチングし、産業機器と互換の出力方式にしています。
| 項目 | 仕様 |
|---|---|
| 出力方式 | シンク出力（NPN オープンコレクタ） |
| 許容負荷電圧 | 最大 24V（外部電源） |
| 許容負荷電流 | 約 100mA 以下（2SC1815 の安全動作領域）→ 一般的な24Vリレーを駆動できる電流値 |
| ESP32 → 出力論理 | HIGH：出力 ON（シンク） / LOW：出力 OFF（開放） |
| 保護要素 | ベース抵抗、トランジスタによる電流分離 |
| 主な目的 | 外部ソース負荷を安全に駆動、PLC 互換論理 |
■ アナログ入力（0〜10V → 0〜3.3V）
- 0〜10V アナログ信号を、ESP32 の 0〜3.3V ADC で読めるようにするための分圧回路
この回路は 0〜10V のアナログ信号を ESP32 の ADC（0〜3.3V）で読み取るための簡易分圧回路です。
固定抵抗と可変抵抗のみでスケーリングを行い、試作機向けの最低限の構成になっています。
| 項目 | 仕様 |
|---|---|
| 入力方式 | 0〜10V アナログ入力 |
| ESP32 ADC レンジ | 0〜3.3V |
| レベル変換方式 | 固定抵抗＋可変抵抗による分圧 |
| 主な目的 | 0〜10V 産業アナログ信号の簡易測定 |
＜⚠ 注意事項（重要）＞
- この方式は 分圧比の誤差・温度変化・可変抵抗の個体差の影響を受けやすく、精密測定には向きません。
あくまで試作機向けの簡易入力回路です。 - 可変抵抗（RV1）の PIN1–PIN2 がほぼ短絡状態になると、分圧比が大きく変動し、ESP32 の ADC に 3.3V 以上が入力される可能性があります。
- 調整時は、入力電圧を 0V 付近から徐々に上げ、ADC が 3.3V を超えない位置で止めるようにしてください。
■ PWM出力回路（3.3V PWM出力）
- ESP32 の PWM 信号をそのまま外部ドライバや SSR に渡すための“制御信号専用”のロジック出力
24V 負荷を直接駆動するのではなく、外部の MOSFET ドライバやリレーを制御するための 3.3V 信号として扱う構成にしています。
| 項目 | 仕様 |
|---|---|
| 出力方式 | 3.3V ロジック PWM（ESP32 直出し） |
| 許容負荷電流 | 数 mA（ESP32 GPIO の仕様に準拠） |
| 主な目的 | 外部ドライバ・SSR・アクチュエータの制御信号として利用 |
✔ 必要に応じて外部でレベル変換可能
24V PWM や大電流 PWM が必要な場合は、
MOSFET ドライバや SSR を外付けすることで対応できます。
4. 基板設計・製作
設計した入出力回路を、本プロジェクトで使用しているESP32-S3のピン配列に合わせて設計すると図のようになります。
使用ソフト : KiCad
作成したKiCadデータ : GitHub
KiCadのPCBエディターで基板設計をすると、そのデータを利用してJLCPCB などの 基板製造サービス から購入することができます。
5. ケース設計・製作
設計した基板を収めるケースはFreeCADで設計しました。
製作には3Dプリンタを使用します。
裏面にはタカチのDRP5-9Wを取り付けられる設計にしてあります。
※ESP32-S3のUSBコネクタをもう少し基板の端に寄せるべきでした…
作成したFreeCADデータ : GitHub
まとめ（今回の記事）
- ESP32‑S3 を「デバイス」としてまとめるための工程を整理した
- 入出力回路（シンク出力 / ソース入力 / 0〜10V ADC / PWM）の設計方針を解説
- 基板設計（KiCad）とケース設計（FreeCAD）の流れを紹介
- 産業用途（24V 系）を意識した回路構成の考え方をまとめた
今回は 設計編 として、デバイス化の全体像を示すところまでを扱いました。
次回：実装編（基板到着後に公開）
現在基板の納入待ちのため、基板が届いたら以下の内容を中心に 実際の製作工程 を紹介します。
実装予定の内容
- 基板のはんだ付け
- ケースへの組み込み
- Python API（ESP32IO API）を使った動作確認
- DIO_OUT（シンク）が正しく動作するか
- DIO_IN（ソース入力）が正しく読めるか
- ADC（0〜10V）がノイズなく読めるか
- PWM が安定して出力されるか
- get_io_state が正しい値を返すか
実際に組み上げた状態での写真や、動作確認のログも掲載する予定です。
次回予告（第7回）
次回は、基板が到着し次第、
- 基板の実装
- ケース組み込み
- Python API を使った動作確認
- GUI / アプリ化
- 拡張の可能性（Wi-Fi化、ロギング）
をまとめた 実装編＋応用編 を公開します。