ESP32とSDカードをSPI接続！配線方法と読み書きプログラムを解説

ESP32でセンサの測定データを保存したい、ログを記録したいと思ったことはありませんか？

ESP32には内蔵フラッシュメモリがありますが、大量のデータを継続的に保存したい場合にはSDカードが便利です。

SDカードを使用すれば、ESP32で取得した温度や湿度などのセンサデータをファイルに保存し、後からパソコンで確認できます。

今回は、ESP32-C3を搭載した開発ボード「KUMITATE-C3」を使って、SDカードをSPI通信で接続し、テキストファイルの書き込みと読み出しを行う方法を解説します。

Arduino IDEで動かせるサンプルプログラムも紹介するので、ぜひ試してみてください。

1. ESP32でSDカードを使うと何ができる？

ESP32にSDカードを接続すると、次のような用途に活用できます。

温度・湿度・照度などのセンサデータの保存
IoTデータロガーの作成
CSVファイルへの測定結果の記録
設定ファイルの読み込み
長期間の動作ログの保存

例えば、ESP32で温度センサの値を1分ごとに取得してSDカードに記録すれば、パソコンで測定結果をグラフ化できます。

Wi-Fiを利用してクラウドへデータを送る方法もありますが、SDカードならインターネット接続がない環境でもデータを保存できるのがメリットです。

2. ESP32とSDカードの接続にはSPI通信を使用する

SDカードには複数の通信方式がありますが、今回はSPI通信を使います。

SPI（Serial Peripheral Interface）は、マイコンと周辺機器の間でデータを送受信するための通信方式です。

主に次の4つの信号を使用します。

信号	役割
SCK	クロック信号
MOSI	ESP32からSDカードへデータを送信
MISO	SDカードからESP32へデータを送信
CS	通信するデバイスを選択

これらの信号に加えて、電源（VCC）とGNDを接続します。

ESP32ではSPI通信に使用するGPIOをプログラムから指定できるため、基板の構成に合わせて配線できます。

3. 使用する部品

今回使用する部品は次のとおりです。

KUMITATE-C3（ESP32-C3搭載開発ボード）
SPI対応microSDカードモジュール
microSDカード（FAT32形式を推奨）
ジャンパーワイヤー
USBケーブル

KUMITATE-C3以外のESP32でも、利用可能なGPIOを適切に設定すれば同様のプログラムを応用できます。

注意：ESP32のGPIOは3.3V系です。SDカードモジュールは3.3Vロジックに対応したものを使用してください。5V入力に対応したモジュールでも、電源電圧や信号電圧の仕様を確認する必要があります。

4. ESP32とSDカードの配線方法

今回はKUMITATE-C3のGPIO4～GPIO7を使用します。

microSDモジュール	KUMITATE-C3
CS	GPIO4
MOSI（DI）	GPIO5
SCK（CLK）	GPIO6
MISO（DO）	GPIO7
VCC	3.3V
GND	GND

モジュールによっては、MOSIが「DI」、MISOが「DO」と表記されている場合があります。

配線を間違えるとSDカードが認識されないため、特にMOSIとMISOの接続に注意してください。

なお、ESP32-C3のGPIO4～GPIO7にはJTAGデバッグ用の機能も割り当てられています。これらをSPI通信に使用する場合、外部JTAGデバッグとの併用には注意が必要です。

5. Arduino IDEでSDカードを読み書きするプログラム

それでは実際にプログラムを作成してみましょう。

今回は、次の3つの処理を行います。

SDカードを初期化する
SDカードにtest.txtを作成して文字列を追記する
ファイルを読み出し、シリアルモニタに表示する

Arduino-ESP32環境にはSPI通信を制御する「SPI.h」と、SDカードを操作する「SD.h」が用意されています。

サンプルプログラム

#include <SPI.h>
#include <SD.h>

// SDカードのSPI接続ピン
const int SD_CS   = 4;
const int SD_MOSI = 5;
const int SD_SCK  = 6;
const int SD_MISO = 7;

void setup() {
  Serial.begin(115200);
  delay(2000);

  Serial.println("SDカードの初期化を開始");

  // SPI通信を初期化
  SPI.begin(SD_SCK, SD_MISO, SD_MOSI, SD_CS);

  // SDカードを初期化（4MHz）
  if (!SD.begin(SD_CS, SPI, 4000000)) {
    Serial.println("SDカードの初期化に失敗");
    return;
  }

  if (SD.cardType() == CARD_NONE) {
    Serial.println("SDカードが見つかりません");
    return;
  }

  Serial.println("SDカードを認識しました");

  // SDカードの容量を表示
  Serial.print("容量: ");
  Serial.print(SD.cardSize() / (1024ULL * 1024ULL));
  Serial.println(" MB");

  // ファイルへ文字列を追記
  File file = SD.open("/test.txt", FILE_APPEND);

  if (!file) {
    Serial.println("ファイルを開けません");
    return;
  }

  if (file.println("Hello from ESP32-C3!")) {
    Serial.println("書き込み成功");
  } else {
    Serial.println("書き込み失敗");
  }

  file.close();

  // ファイルを読み出す
  file = SD.open("/test.txt", FILE_READ);

  if (!file) {
    Serial.println("読み出しに失敗");
    return;
  }

  Serial.println("--- SDカードの内容 ---");

  while (file.available()) {
    Serial.write(file.read());
  }

  file.close();
}

void loop() {
}

このプログラムはArduino-ESP32の標準SDライブラリを使用しています。使用するSDカードモジュールの仕様に合わせて動作を確認してください。

6. プログラムの実行結果

プログラムを書き込んだら、Arduino IDEのシリアルモニタを開き、通信速度を115200bpsに設定します。

正常に動作すると、次のようなメッセージが表示されます。

SDカードの初期化を開始
SDカードを認識しました
容量: 7560 MB
書き込み成功
--- SDカードの内容 ---
Hello from ESP32-C3!

※上記は初回実行時の出力例です。容量は使用するSDカードによって異なります。

SDカード内には「test.txt」というファイルが作成され、次の文字列が保存されます。

Hello from ESP32-C3!

今回は追記モードでファイルを開いているため、プログラムを再実行すると同じ文字列が追加されます。

7. プログラムのポイントを解説

SPI.begin()で通信ピンを設定する

SPI.begin(SD_SCK, SD_MISO, SD_MOSI, SD_CS);

ESP32で使用するSPI通信のピンを設定しています。

引数の順番は次のとおりです。

SPI.begin(SCK, MISO, MOSI, CS);

MISOとMOSIの順番を間違えないように注意してください。

SD.begin()でSDカードを初期化する

SD.begin(SD_CS, SPI, 4000000);

SDカードとの通信を開始する処理です。

今回は通信速度として4MHzを指定しています。

初期化に失敗する場合は、配線や電源を確認したうえで、通信速度を1MHz程度まで下げてみるのも一つの方法です。

SD.open()でファイルを開く

File file = SD.open("/test.txt", FILE_APPEND);

SDカード内の「test.txt」を追記モードで開きます。

ファイルが存在しない場合は新しく作成され、存在する場合は末尾にデータを追加します。

Arduino-ESP32では、FILE_APPENDが追記、FILE_WRITEが新規書き込み・上書き用のモードです。FILE_WRITEで既存ファイルを開くと、それまでの内容は消去されるため注意してください。

println()でデータを書き込む

file.println("Hello from ESP32-C3!");

ファイルに文字列と改行を書き込んでいます。

センサデータを保存したい場合は、測定値に置き換えることで応用できます。

available()とread()で読み出す

while (file.available()) {
  Serial.write(file.read());
}

ファイルに読み出せるデータがある間、1バイトずつ読み取り、シリアルモニタへ出力しています。

close()でファイルを閉じる

file.close();

書き込み後はファイルを閉じることが重要です。

特に、書き込み途中に電源を切るとデータが失われたり、ファイルが破損したりする可能性があります。

8. ESP32でSDカードが認識されない場合の対処法

SDカードが認識されないときは、次の項目を確認してください。

① 配線が正しいか

MOSI、MISO、SCK、CSの接続を再確認してください。

ESP32の種類によってデフォルトのSPIピンは異なります。ほかのESP32ボードを使用する場合は、プログラムのGPIO番号も変更してください。

② SDカードのフォーマットを確認する

SDカードが対応していないファイルシステムでフォーマットされていると、初期化できないことがあります。

今回はFAT32形式のmicroSDカードを推奨します。exFAT形式の場合は、FAT32対応カードで試してみてください。

なお、フォーマットすると保存済みデータが消去されるため、必要なファイルは事前にバックアップしてください。

③ 電源電圧を確認する

ESP32は3.3V系のマイコンです。

SDカードモジュールの仕様を確認し、適切な電源を供給してください。

また、電源が不安定な場合も、初期化や書き込みに失敗することがあります。

④ SPI通信速度を下げる

通信が不安定な場合は、次のように速度を下げて試します。

SD.begin(SD_CS, SPI, 1000000);

配線が長い場合や信号品質が悪い場合は、通信速度を下げることで改善することがあります。

⑤ シリアルモニタに何も表示されない

ESP32-C3では、使用するボードやUSB接続方法によってシリアル出力の設定が異なります。

ネイティブUSBを利用する構成では、Arduino IDEの「USB CDC On Boot」の設定も確認してください。

9. 応用編：ESP32でセンサデータをSDカードにCSV保存する

今回のプログラムを応用すると、ESP32で取得したセンサの測定結果をSDカードに保存できます。

例えば、温度と湿度を次のようなCSV形式で保存できます。

time_s,temperature,humidity
0,25.1,52.3
60,25.3,52.1
120,25.4,51.8

CSVファイルはExcelなどの表計算ソフトで開けるため、測定結果の集計やグラフ化に便利です。

実際に温湿度センサと組み合わせれば、簡単なデータロガーを作成できます。

時間情報も記録したい場合は、ESP32のWi-Fi機能を利用してNTPから現在時刻を取得したり、RTCモジュールを追加したりする方法があります。

次の記事では、ESP32と温湿度センサを組み合わせて、一定間隔で取得した測定データをSDカードにCSV形式で保存するデータロガーの作り方を紹介します。

10. まとめ

今回はESP32とSDカードをSPI通信で接続し、ファイルの書き込みと読み出しを行う方法を紹介しました。

今回のポイントは次のとおりです。

ESP32とSDカードはSPI通信で接続できる
SPI通信にはSCK、MOSI、MISO、CSの4信号を使用する
SPI.hとSD.hを使うことでArduino環境から制御できる
SD.open()でファイルを開き、文字列の保存や読み出しができる
センサと組み合わせることでデータロガーにも応用できる

SDカードは、ESP32を使った電子工作やIoT開発で幅広く活用できる周辺機器です。

まずは今回のサンプルコードでファイルの書き込みと読み出しを試してみてください。

さらに実践的な使い方を学びたい方は、ESP32でセンサデータをSDカードにCSV保存する方法もご覧ください。

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