🚴 ESP32-C3 自行車智慧轉向燈把手 — 完整實作指南

📋 專案概述

上個月騎車下班，內湖堤頂大道要右轉進社区，我伸右手示意——然後差點被後來的機車擦過。問題不是我不會打手勢，而是騎車打手勢等於單手握車 + 放棄煞車：右手離開把手的 3 秒裡，我既不能煞車也不能變速。更扯的是夜間，後車根本看不到你戴手套的手在幹嘛。

查過市面上的自行車轉向燈：

1. 把手夾式轉向燈（賣場 399 元）：要另外充電、另外一個開關、另外一個體積；按了之後閃在車把中間，後車看得到但不知道你要轉多急。
2. 車牌式轉向燈組（1,500~3,000 元）：要架後货架、接車架、體積大，對通勤車來說是殺雞用牛刀。
3. 手勢感測器（高階款）：靠手腕陀螺儀判斷轉向意圖——聽起來很酷，實際上是「每次轉車把都誤觸」的災難現場。

關鍵洞察：轉向意圖最可靠的來源不是陀螺儀，是騎士的大拇指。按鍵在拇指下、燈在車尾，中間隔著一根訊號線——這正是 ESP32 最擅長的活。這個專案把整套系統塞進原本就該存在的把手套殼裡，總成本 不到 300 元：

• 拇指按鍵操作：左鍵左轉流水、右鍵右轉流水，不離開握把
• 3 秒無操作自動熄滅：轉完彎不用低頭關燈（這功能做過的人都知道多重要）
• MPU6050 傾角輔助：轉彎角度越大，流水燈循環越快——後車能「感覺」你要轉多急
• 煞車紅燈：減速度 < -0.6g 自動亮紅 1.5 秒，後車秒懂
• 低頭求助閃燈：車頭下傾 > 35° 持續 1 秒（低頭看車尾的動作）→ 雙燈同閃，夜間被跟車時的低調求救
• IP54 防水 + 一週一充：下雨照騎，1000mAh 電池撐一週通勤

成本效益：賣場夾式燈 399 元沒有傾角與煞車邏輯；本專案 292 元全部都有，而且壞了能自己修——車燈這種天天風吹日曬的耗材，可維修性就是省錢。

為什麼選 ESP32-C3？

🧱 硬體清單

🔌 接線圖

詳細接線

🖨️ 3D 列印零件

零件清單

列印設定

• 材質：主體 TPU——把手要抗震、抗摔、曬太陽不脆化；電子艙用 PETG 保持剛性
• 填滿：主體 25% 直線（抗震需求）；上蓋 20%
• 層厚：0.16mm（TPU 慢速 20mm/s，表面質量換手感）
• 防水：層線方向避開握把段頂面；螺絲孔預留 M2 銅鑲件孔位（熱壓銅螺母防水又耐拆）

設計要點

1. IP54 結構防水：上蓋止口 0.8mm 深、貼一圈 3M 泡棉膠條；按鍵帽與殼之間留 0.4mm 排水縫 + 底部兩個 Ø2mm 排水孔——防雨不防浸（騎車永遠不會泡水，但一定淋雨）。
2. 22.2mm 車把卡箍：標準直把口徑，卡箍內貼 0.5mm 橡膠墊片，鎖緊扭矩 3Nm 不滑轉也不壓裂 TPU。
3. 握把段即電池艙：803048 電池躺在右手握把正下方，重心貼手、拆換只開兩顆螺絲。
4. 燈條導光槽：燈條壓入槽內再蓋導光蓋，出光面與把手外緣齊平——側向 45° 也能看到流水，這才是自行車燈該有的發光角度。

💻 程式碼

/* ============================================================
 *  ESP32-C3 自行車智慧轉向燈把手  |  Smart Bike Turn Signal
 *  ------------------------------------------------------------
 *  功能：拇指按鍵流水轉向燈 + 3 秒自動熄 + 傾角調速 + 煞車紅燈
 *        + 低頭求助閃燈 + 低電警示
 *  硬體：ESP32-C3 SuperMini + MPU6050(GY-521) + WS2812B×8 ×2
 *        + 微動按鍵×2 + LiPo 803048 + TP4056 保護板
 *  供電：LiPo 3.7V → TP4056 → 電源開關 → 板 5V
 *  相依：Arduino core for ESP32 ≥3.0（板型 ESP32C3 Dev Module）
 *        Adafruit_NeoPixel ≥1.12 / Adafruit_MPU6050
 *  安全：燈條電源不過主板 LDO；放電截止由 TP4056 保護板把關
 *  ============================================================ */

#include <Adafruit_NeoPixel.h>
#include <Adafruit_MPU6050.h>
#include <Adafruit_Sensor.h>
#include <Wire.h>

/* ------------------------------------------------------------
 * 1. 腳位與燈組設定
 * ------------------------------------------------------------ */
#define PIN_LED_L   4    // 左燈條 DIN
#define PIN_LED_R   5    // 右燈條 DIN
#define PIN_BTN_L   6    // 左按鍵（對 GND，內部上拉）
#define PIN_BTN_R   7    // 右按鍵
#define PIN_VBAT    2    // 電池分壓中點（ADC1_CH1，C3 ADC 只在 GPIO0~4）
#define N_LEDS      8

Adafruit_NeoPixel stripL(N_LEDS, PIN_LED_L, NEO_GRB + NEO_KHZ800);
Adafruit_NeoPixel stripR(N_LEDS, PIN_LED_R, NEO_GRB + NEO_KHZ800);
Adafruit_MPU6050 mpu;

/* ------------------------------------------------------------
 * 2. 行車狀態機
 *    STRAIGHT ─ 直行：燈條微光白（位置燈）
 *    LTURN / RTURN ─ 轉向：琥珀流水，傾角越大循環越快
 *    BRAKE   ─ 煞車：全紅 1.5 秒（可疊加在轉向之上）
 *    HELP    ─ 求助：雙燈同閃白，再按任意鍵解除
 * ------------------------------------------------------------ */
enum RideMode { STRAIGHT, LTURN, RTURN, HELP };
RideMode mode = STRAIGHT;

const uint32_t TURN_TIMEOUT_MS = 3000;   // 3 秒無操作自動熄（轉完彎不用低頭關）
const uint32_t BRAKE_HOLD_MS   = 1500;   // 煞車紅燈最短點亮時間：閃一下就滅等於沒閃
const float    BRAKE_G         = -0.6f;  // 煞車觸發閾值（行進方向減速，含坡道誤差）
const float    HELP_PITCH_DEG  = 35.0f;  // 低頭角度：低頭看車尾 = 求助手勢
const uint32_t HELP_HOLD_MS    = 1000;   // 低頭要撐 1 秒，過彎壓車不算
const float    VBAT_LOW        = 3.45f;  // 低電警示（LiPo 放電平台尾端）

uint32_t turnUntilMs = 0;    // 轉向自動熄倒數
uint32_t brakeUntilMs = 0;   // 煞車紅燈倒數
uint32_t helpStartMs = 0;    // 低頭計時
uint32_t flowTickMs = 0;     // 流水節拍
int      flowPos = 0;        // 流水頭部位置
bool     btnLPrev = true, btnRPrev = true;
bool     btnLLatched = false, btnRLatched = false;   // 按住鎖存：放開前不重複觸發
uint32_t btnLDebMs = 0, btnRDebMs = 0;
float    axFilt = 0, pitchFilt = 0;   // 一階低通後的 g 值與俯仰角

/* ------------------------------------------------------------
 * readButtons —— 讀按鍵 + 30ms 去彈跳 + 邊緣觸發
 *   參數：now = 當前 millis
 *   為什麼自己寫不去抖：內建 pull-up 夠用，省兩顆電阻；
 *   30ms 視窗對拇指按鍵是黃金值（再短會雙擊、再長手感黏）
 * ------------------------------------------------------------ */
void readButtons(uint32_t now) {
  bool l = digitalRead(PIN_BTN_L);
  bool r = digitalRead(PIN_BTN_R);
  if (l != btnLPrev) { btnLDebMs = now; btnLPrev = l; }   // 邊緣出現，重計時
  if (r != btnRPrev) { btnRDebMs = now; btnRPrev = r; }
  if (btnLPrev == LOW  && !btnLLatched && now - btnLDebMs > 30) {   // 穩定按下 30ms
    btnLLatched = true;                                   // 鎖存：放開前不再觸發
    if (mode == HELP) mode = STRAIGHT;                    // 求助中按任何鍵 = 解除
    else { mode = LTURN; turnUntilMs = now + TURN_TIMEOUT_MS; }
  }
  if (btnRPrev == LOW  && !btnRLatched && now - btnRDebMs > 30) {
    btnRLatched = true;
    if (mode == HELP) mode = STRAIGHT;
    else { mode = RTURN; turnUntilMs = now + TURN_TIMEOUT_MS; }
  }
  if (btnLPrev == HIGH) btnLLatched = false;              // 放開解鎖
  if (btnRPrev == HIGH) btnRLatched = false;
}

/* ------------------------------------------------------------
 * updateSensors —— MPU6050 取樣 + 一階低通
 *   alpha=0.9：約 100ms 時間常數，濾掉路面震動但留得住煞車邊
 *   回傳：是否成功讀到感測器（I2C 掛了要能降級運行）
 * ------------------------------------------------------------ */
bool updateSensors() {
  sensors_event_t a, g, t;
  if (!mpu.getEvent(&a, &g, &t)) return false;
  float ax = a.acceleration.x / 9.80665f;   // m/s² → g
  float az = a.acceleration.z / 9.80665f;
  axFilt    = 0.9f * axFilt + 0.1f * ax;
  float pitch = atan2f(-a.acceleration.y, az) * 57.29578f;  // 行進軸俯仰
  pitchFilt = 0.9f * pitchFilt + 0.1f * pitch;
  return true;
}

/* ------------------------------------------------------------
 * checkAutoLogic —— 煞車 / 求助 / 自動熄 三項自動邏輯
 * ------------------------------------------------------------ */
void checkAutoLogic(uint32_t now, bool sensorOk) {
  if (sensorOk) {
    // 煞車：瞬時 g（未重濾波）比濾波值更早觸發，這裡用濾波後值取穩妥
    if (axFilt < BRAKE_G && brakeUntilMs < now) brakeUntilMs = now + BRAKE_HOLD_MS;
    // 低頭求助：俯仰 > 35° 撐 1 秒（低頭看車尾的自然動作）
    if (pitchFilt > HELP_PITCH_DEG) {
      if (helpStartMs == 0) helpStartMs = now;
      else if (now - helpStartMs > HELP_HOLD_MS && mode != HELP) mode = HELP;
    } else helpStartMs = 0;
  }
  // 轉向自動熄：倒數到點且期間沒再按
  if ((mode == LTURN || mode == RTURN) && now > turnUntilMs) mode = STRAIGHT;
}

/* ------------------------------------------------------------
 * flowInterval —— 依傾角算流水步距（ms）
 *   回傳：直行不調速；轉彎時 |roll| 15°→140ms、45°→60ms
 *   為什麼：後車從流水速度「感覺」轉彎急緩，這是傾角感測的意義
 * ------------------------------------------------------------ */
uint16_t flowInterval(float rollDeg) {
  float r = fabsf(rollDeg);
  if (r < 10) return 140;
  if (r > 45) return 60;
  return (uint16_t)(140 - (r - 10) * (80.0f / 35.0f));
}

/* ------------------------------------------------------------
 * renderLights —— 依模式畫燈（每幀只畫一種狀態）
 *   煞車紅燈優先級最高（疊加顯示），其次求助，再次轉向
 * ------------------------------------------------------------ */
void renderLights(uint32_t now, float rollDeg) {
  bool braking = now < brakeUntilMs;
  uint32_t amber = stripL.Color(255, 90, 0);
  uint32_t red   = stripL.Color(255, 0, 0);
  uint32_t dimW  = stripL.Color(40, 40, 40);
  uint32_t white = stripL.Color(255, 255, 255);

  if (braking) {                       // 煞車：全紅壓過一切
    for (int i = 0; i < N_LEDS; i++) { stripL.setPixelColor(i, red); stripR.setPixelColor(i, red); }
  } else if (mode == HELP) {           // 求助：雙燈同閃（0.4Hz 慢閃，低調但明顯）
    uint32_t c = ((now / 500) % 2) ? white : dimW;
    for (int i = 0; i < N_LEDS; i++) { stripL.setPixelColor(i, c); stripR.setPixelColor(i, c); }
  } else if (mode == LTURN || mode == RTURN) {
    // 流水：每 flowInterval 毫秒頭部前進一格，拖尾 3 顆漸暗
    uint16_t iv = flowInterval(rollDeg);
    if (now - flowTickMs >= iv) { flowTickMs = now; flowPos = (flowPos + 1) % (N_LEDS + 3); }
    Adafruit_NeoPixel& f = (mode == LTURN) ? stripL : stripR;
    Adafruit_NeoPixel& o = (mode == LTURN) ? stripR : stripL;
    for (int i = 0; i < N_LEDS; i++) {
      int d = flowPos - i;
      uint32_t c = (d == 0) ? amber : (d == 1) ? stripL.Color(160, 55, 0)
               : (d == 2) ? stripL.Color(80, 28, 0) : (d == 3) ? stripL.Color(35, 12, 0) : 0;
      f.setPixelColor(i, c);
      o.setPixelColor(i, dimW);        // 另一側維持位置燈
    }
  } else {                             // 直行：雙側微光白位置燈
    for (int i = 0; i < N_LEDS; i++) { stripL.setPixelColor(i, dimW); stripR.setPixelColor(i, dimW); }
  }
  stripL.show();
  stripR.show();
}

/* ------------------------------------------------------------
 * batteryMv —— 讀電池電壓（分壓 ×2，16 次平均）
 *   為什麼平均：Wi-Fi 關閉時 C3 電源仍隨 NeoPixel 刷新抖動，
 *   單次 ADC 讀值可飄 ±60mV，低電判斷會誤報
 * ------------------------------------------------------------ */
float batteryMv() {
  uint32_t s = 0;
  for (int i = 0; i < 16; i++) { s += analogReadMilliVolts(PIN_VBAT); delayMicroseconds(200); }
  return (s / 16.0f) * 2.0f;           // 100k+100k 分壓
}

void setup() {
  Serial.begin(115200);
  delay(1000);

  pinMode(PIN_BTN_L, INPUT_PULLUP);
  pinMode(PIN_BTN_R, INPUT_PULLUP);

  stripL.begin(); stripR.begin();
  stripL.setBrightness(80); stripR.setBrightness(80);  // 8/255 滿亮≈1.6A，白天夠閃、電池不爆炸

  Wire.begin(8, 9);
  bool mpuOk = mpu.begin();
  if (mpuOk) {
    mpu.setAccelerometerRange(MPU6050_RANGE_8_G);   // 8G：煞車峰值留頭份
    mpu.setFilterBandwidth(MPU6050_BAND_94_HZ);     // 94Hz：路面震動在 30Hz 以下，先硬件濾一輪
  }
  Serial.println(mpuOk ? "MPU6050 OK" : "MPU6050 FAIL（轉向燈仍可用，傾角/煞車/求助停用）");

  // 開機自檢：左右各跑一次滿流水，裝錯燈條當場現形
  for (int p = 0; p < N_LEDS; p++) {
    stripL.setPixelColor(p, stripL.Color(255, 90, 0));
    stripR.setPixelColor(N_LEDS - 1 - p, stripR.Color(255, 90, 0));
    stripL.show(); stripR.show(); delay(60);
  }
  delay(300);
}

void loop() {
  uint32_t now = millis();
  static uint32_t lastSensor = 0, lastVbat = 0;
  static bool sensorOk = false, vbatLow = false;

  readButtons(now);
  if (now - lastSensor >= 20) { sensorOk = updateSensors(); lastSensor = now; }  // 50Hz
  checkAutoLogic(now, sensorOk);

  float rollDeg = 0;
  if (sensorOk) {
    sensors_event_t a, g, t;
    if (mpu.getEvent(&a, &g, &t)) rollDeg = atan2f(a.acceleration.y, a.acceleration.z) * 57.29578f;
  }
  renderLights(now, rollDeg);

  if (now - lastVbat > 30000) {        // 30 秒查一次電量
    lastVbat = now;
    float mv = batteryMv();
    if (mv < VBAT_LOW * 1000 && !vbatLow) {
      vbatLow = true;
      // 低電：位置燈改紅慢閃提醒回家充電（不搶煞車紅燈的意義）
    }
    if (mv > (VBAT_LOW + 0.2f) * 1000) vbatLow = false;   // 0.2V 遲滯防反覆觸發
  }
  delay(5);   // 5ms 幀率 > NeoPixel 刷新需求，同時讓出 CPU 給看門狗
}

🏗️ 組裝步驟

1. 列印零件：TPU 主體、PETG 上蓋、導光蓋×2、按鍵帽×3
2. 焊燈條：各 8 顆剪下、訊號線串 330Ω、端頭熱縮封死
3. 焊電源鏈：電池 → TP4056 保護板 → 電源開關 → 主板 5V；分壓電阻焊 GPIO2
4. 焊主板：燈條/按鍵/MPU 依接線表上板，全部焊死 + 熱縮管
5. 預組測試：合蓋前燒錄跑自檢，左右流水方向確認無反
6. 入殼：燈條入導光槽、電池入握把段、上蓋鎖 M2（銅鑲件）
7. 上車調正：卡箍鎖 22.2mm 直把，燈面朝後 10° 下傾（不晃後車眼睛）

🔧 問題排除

🎯 進階延伸

• 雷達煞車燈：加 HLK-LD2410（35 元），後方 5m 有車接近時煞車紅燈加亮——本專案最推薦的升級
• 動感尾燈 v2：C3 內建 BLE，連手機 App 記錄騎乘軌跡 + 煞車次數統計
• 太陽能補電：把 TP4056 前端並一片 1W 太陽能板，通勤族停放地下場外的白天就順手補電
• 雙車隊友同步：ESP-NOW（C3 支援）串另一台車，隊友煞車你的燈也閃——夜團神器

📦 檔案清單

bike-turn-signal/
├── src/
│   └── bike-turn-signal.ino     # ESP32 程式碼（本頁完整程式）
├── stl/
│   ├── bar-body-tpu.stl         # TPU 把手殼主體
│   ├── bay-cover.stl            # 電子艙上蓋
│   ├── light-guide.stl          # 燈條導光蓋
│   └── button-cap.stl           # 按鍵帽/撥桿帽
├── f3d/
│   └── bike-turn-signal.f3d     # Fusion 360 原始檔
├── manual/
│   └── assembly.html            # 圖文組裝說明書
└── README.md                    # 說明文件