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ESP32-S3入门第七天：UART串口通信与设备交互

news 2025/9/28 15:33:33

ESP32-S3 入门第七天：UART 串口通信与设备交互

一、今日目标

  • 理解 UART（通用异步收发传输器）的通信原理与数据帧结构
  • 掌握 ESP32-S3 硬件 UART 的配置（波特率、引脚映射、多串口）
  • 完成 3 个实战实验：串口回环测试、指令控制硬件、传感器数据串口上报

二、UART 通信核心原理

1. 协议特性与优势

UART 是一种异步串行通信协议，无需时钟线即可实现设备间的数据传输，核心特点：

  • 两根信号线：TX（发送端）、RX（接收端），需交叉连接（A 的 TX 接 B 的 RX）
  • 异步通信：通过波特率同步数据传输节奏（双方必须一致）
  • 全双工通信：可同时发送和接收数据
  • 硬件支持：ESP32-S3 内置 3 个独立 UART 控制器（UART0/UART1/UART2），可同时工作

2. ESP32-S3 的 UART 硬件特性

特性参数说明备注
控制器数量3 个（UART0/UART1/UART2）UART0 默认映射到 USB 串口（调试用）
通信速率300bps - 5Mbps常用 9600/115200/921600bps
数据帧格式可配置：8/9 位数据位、0/1 位停止位、无 / 奇 / 偶校验位默认 8N1（8 数据位 + 无校验 + 1 停止位）
引脚映射支持任意 GPIO 重映射需避免与其他外设冲突
缓冲区大小发送 / 接收缓冲区各 256 字节可通过软件扩展

3. 数据传输原理

UART 数据以「帧」为单位传输，典型 8N1 帧结构：

  1. 起始位：1 位低电平（标志数据开始）
  2. 数据位：8 位（高位在前或低位在前，可配置）
  3. 校验位：0 位（无校验，用于验证数据正确性）
  4. 停止位：1 位高电平（标志数据结束）
    在这里插入图片描述

三、基础实验：UART 回环测试（验证通信功能）

1. 实验原理

通过短接 UART 的 TX 和 RX 引脚，使发送的数据直接被自身接收，验证 UART 收发功能是否正常。

2. 硬件准备

元件数量说明
ESP32-S3 开发板1 块核心控制板
杜邦线1 根短接 TX 和 RX

3. 硬件连接（使用 UART2）

ESP32-S3 引脚功能连接方式
GPIO17UART2_TX与 GPIO16 短接
GPIO16UART2_RX与 GPIO17 短接

注意：UART0 默认用于 USB 调试（Serial 对象），本实验用 UART2 做回环测试，避免冲突。
在这里插入图片描述

4. 代码实现（UART2 回环测试）

// 定义UART2引脚（可自定义映射）
#define UART2_TX 17
#define UART2_RX 16// 创建UART2对象（硬件UART）
HardwareSerial UART2(2);  // 2对应UART2控制器void setup() {// 初始化UART0（USB串口，用于打印日志）Serial.begin(115200);while (!Serial);  // 等待USB串口就绪// 初始化UART2（波特率9600，8N1格式）UART2.begin(9600, SERIAL_8N1, UART2_RX, UART2_TX);Serial.println("UART2回环测试开始（TX=17，RX=16）");Serial.println("发送数据 | 接收数据");Serial.println("---------------------");
}void loop() {// 测试数据（0x00到0xFF循环）static byte testData = 0x00;// 发送数据UART2.write(testData);Serial.print("  0x");if (testData < 0x10) Serial.print("0");Serial.print(testData, HEX);// 等待接收数据（超时100ms）delay(10);if (UART2.available() > 0) {byte recvData = UART2.read();Serial.print("   |   0x");if (recvData < 0x10) Serial.print("0");Serial.println(recvData, HEX);} else {Serial.println("   |   接收超时");}// 数据递增，循环测试testData++;delay(500);
}

5. 实验现象

USB 串口监视器显示发送数据与接收数据完全一致（因 TX 与 RX 短接），证明 UART2 通信功能正常：

UART2回环测试开始（TX=17，RX=16）
发送数据 | 接收数据
---------------------0x00   |   0x000x01   |   0x010x02   |   0x02...

四、进阶实验：串口指令控制硬件（LED + 舵机）

1. 实验原理

通过电脑串口助手发送指令（如 “LED ON”“SERVO 90”），ESP32-S3 接收并解析指令，控制 LED 开关和舵机角度，实现人机交互。

2. 硬件准备

元件数量说明
板载 LED（GPIO48）1 个状态指示
舵机（SG90）1 个角度控制
杜邦线3 根舵机连接

3. 硬件连接

设备ESP32-S3 引脚说明
舵机信号GPIO13PWM 控制（复用第三天知识）
舵机 VCC5V独立供电
舵机 GNDGND共地
UART 指令接收UART0（USB 串口）直接用开发板 USB 口

4. 代码实现（指令解析与硬件控制）

#include <Servo.h>// 舵机配置
Servo myServo;
#define SERVO_PIN 13// LED配置
#define LED_PIN 48void setup() {// 初始化USB串口（UART0，波特率115200）Serial.begin(115200);while (!Serial);// 初始化硬件pinMode(LED_PIN, OUTPUT);myServo.attach(SERVO_PIN);  // 舵机初始化Serial.println("串口指令控制实验");Serial.println("支持指令：");Serial.println("  LED ON  - 点亮LED");Serial.println("  LED OFF - 熄灭LED");Serial.println("  SERVO X - 舵机转到X度（0-180）");
}void loop() {// 等待接收串口指令if (Serial.available() > 0) {String cmd = Serial.readStringUntil('\n');cmd.trim();  // 去除空格和换行符// 解析LED控制指令if (cmd == "LED ON") {digitalWrite(LED_PIN, HIGH);Serial.println("指令执行：LED已点亮");} else if (cmd == "LED OFF") {digitalWrite(LED_PIN, LOW);Serial.println("指令执行：LED已熄灭");} // 解析舵机控制指令else if (cmd.startsWith("SERVO ")) {int angle = cmd.substring(6).toInt();  // 提取角度值if (angle >= 0 && angle <= 180) {myServo.write(angle);Serial.print("指令执行：舵机转到");Serial.print(angle);Serial.println("度");} else {Serial.println("错误：角度需在0-180之间");}} // 未知指令处理else {Serial.print("错误：未知指令「");Serial.print(cmd);Serial.println("」");}}delay(50);
}

5. 实验操作与现象

  1. 打开电脑串口助手（如 Arduino IDE 串口监视器），设置波特率 115200，换行符选 “Newline”
  2. 发送指令 “LED ON”→ 板载 LED 点亮，串口返回 “指令执行：LED 已点亮”
  3. 发送指令 “SERVO 90”→ 舵机转到 90° 中位，串口返回角度确认信息
  4. 发送无效指令→ 串口返回错误提示

五、实战项目：多串口协同 —— 传感器数据上报

1. 实验原理

用 UART0（USB）打印调试日志，UART1 连接 DHT11 温湿度传感器（模拟外设），UART2 将传感器数据上报到上位机，实现多串口分工协作。

2. 硬件连接（三串口同时工作）

UART 控制器功能引脚分配连接设备
UART0调试日志TX=1, RX=3（USB 内置）电脑 USB
UART1传感器通信TX=10, RX=9DHT11（模拟外设）
UART2数据上报TX=17, RX=16上位机（电脑串口助手）

3. 代码实现（多串口数据流转）

#include "DHT.h"// DHT11配置（接UART1 RX，模拟串口传感器）
#define DHT_PIN 9
#define DHT_TYPE DHT11
DHT dht(DHT_PIN, DHT_TYPE);// 多UART定义
HardwareSerial UART1(1);  // 传感器通信
HardwareSerial UART2(2);  // 数据上报void setup() {// 初始化各UARTSerial.begin(115200);    // UART0：调试UART1.begin(9600, SERIAL_8N1, DHT_PIN, 10);  // UART1：RX=9, TX=10UART2.begin(115200, SERIAL_8N1, 16, 17);     // UART2：RX=16, TX=17// 初始化传感器dht.begin();Serial.println("多串口协同实验启动");Serial.println("UART0：调试日志 | UART1：传感器 | UART2：数据上报");
}void loop() {// 1. 读取DHT11数据（模拟UART传感器）float temp = dht.readTemperature();float humi = dht.readHumidity();// 2. UART0打印调试信息Serial.print("\n【调试日志】");Serial.print("温度：");Serial.print(temp);Serial.print("℃，湿度：");Serial.print(humi);Serial.println("%");// 3. UART2上报数据到上位机（格式：TEMP:25.5,HUMI:60.2）String report = "TEMP:" + String(temp) + ",HUMI:" + String(humi);UART2.println(report);Serial.print("【UART2上报】");Serial.println(report);// 4. 模拟UART1接收传感器反馈if (UART1.available() > 0) {String feedback = UART1.readString();Serial.print("【UART1接收】");Serial.println(feedback);}delay(2000);
}

4. 实验现象

  • UART0（USB 串口）：每 2 秒打印调试日志，包含温湿度和各串口状态
  • UART2（数据上报）：同步发送格式化数据（如 “TEMP:25.6,HUMI:60.1”），可在串口助手接收
  • 多串口同时工作，无数据冲突或丢失

六、UART 高级配置与故障排除

1. 关键配置技巧

（1）自定义波特率与数据格式
// 非常规波特率（如4800bps）Serial.begin(4800);// 自定义数据格式（9位数据位+奇校验+2停止位）UART1.begin(9600, SERIAL\_9O2, RX\_PIN, TX\_PIN);
（2）引脚重映射（任意 GPIO 分配）
// UART1重映射：TX=21, RX=22（原I2C引脚，可复用）HardwareSerial UART1(1);UART1.begin(9600, SERIAL\_8N1, 22, 21);  // 顺序：波特率、格式、RX、TX
（3）缓冲区操作（避免数据丢失）
// 检查接收缓冲区大小if (Serial.available() > 0) {&#x20; String data = Serial.readString();  // 读取所有缓存数据}// 清空发送缓冲区Serial.flush();

2. 常见问题与解决方案

问题现象可能原因解决方法
数据乱码1. 波特率不匹配2. 数据格式（校验位 / 停止位）错误1. 确保双方波特率完全一致（如均为 115200）2. 统一配置为 8N1（默认常用格式）
接收不到数据1. TX/RX 引脚接反2. 引脚映射错误3. 外设未上电1. 交叉连接：A 的 TX 接 B 的 RX，A 的 RX 接 B 的 TX2. 重新核对 UART 初始化时的 RX/TX 引脚顺序3. 检查外设电源和 GND 连接
数据丢失1. 接收缓冲区溢出2. 处理速度慢于接收速度1. 缩短数据帧长度，或增加处理频率2. 用readStringUntil()按分隔符读取，避免缓存堆积
多串口冲突1. 引脚复用冲突2. 硬件资源竞争1. 确保不同 UART 使用独立 GPIO（用引脚图排查冲突）2. 避免同时在多个 UART 中使用delay()阻塞

七、第七天总结与第XXX天预告

1. 今日成果

  • ✅ 理解 UART 异步通信原理、数据帧结构和波特率同步机制
  • ✅ 掌握 ESP32-S3 3 个硬件 UART 的配置、引脚映射和多串口协同
  • ✅ 实现指令控制硬件、传感器数据上报等实用场景，理解 UART 交互逻辑

2. 第XXX天预告：Wi-Fi 基础与网络连接

明天将进入物联网核心模块 ——Wi-Fi 通信，学习：

  • ESP32-S3 的 Wi-Fi 模式（Station/AP）配置
  • 连接家庭 Wi-Fi 并获取 IP 地址
  • 实现网络时间同步（NTP）
  • 基础 HTTP 请求（获取网络数据）
    为后续物联网项目（如数据上传云端）打基础。

本章节系列教学

ESP32-S3 入门第一天：Arduino IDE使用
ESP32-S3 入门第二天：IO口、延时与定时器核心知识实战
ESP32-S3 入门第三天：PWM 脉冲宽度调制
ESP32-S3 入门第四天：ADC 模数转换
ESP32-S3 入门第五天：I2C通信协议
ESP32-S3入门第六天：SPI通信协议与高速外设控制
ESP32-S3入门第七天：UART串口通信与设备交互
ESP32-S3入门第八天：往期知识回顾与实战练习

http://www.dtcms.com/a/416456.html

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