# 第2周：ESP32硬件平台 - 讲义 ## 教学目标 | 目标 | 内容 | |-----|------| | 知识目标 | 掌握ESP32芯片架构、理解GPIO原理、理解PWM脉宽调制 | | 能力目标 | 能够使用GPIO控制LED、实现呼吸灯效果 | | 情感目标 | 建立"单片机可以创造有趣效果"的认知 | --- ## 课程导入（10分钟） ### 2.1 开场Demo设计 **Demo名称：ESP32音乐灯光秀** **演示流程：** 1. 打开Arduino IDE，预览即将上传的代码 2. 点击上传，观察LED开始闪烁 3. 连接功放和音箱，播放《生日快乐》音乐 4. 让几位同学上来体验"喊节拍控制灯光" **引导语：** > "同学们，刚才你们看到了ESP32的两个能力：第一，它能播放音乐；第二，它能控制灯光。这两个能力结合起来，就做出了音乐灯光秀。今天我们就来学习ESP32是怎么做到这些的。" --- ## 原理讲解（40分钟） ### 2.2 ESP32芯片家族 #### 2.2.1 乐鑫芯片发展史 | 年份 | 芯片 | 特点 | |-----|------|------| | 2014 | ESP8266 | 乐鑫第一款WiFi芯片，开创物联网时代 | | 2016 | ESP32 | WiFi+蓝牙双模，性能大幅提升 | | 2019 | ESP32-S2 | 单核，低功耗，USB OTG | | 2020 | ESP32-C3 | RISC-V核心，WiFi6 | | 2021 | ESP32-S3 | **AI向量指令，BLE5.0，课程使用** | | 2022 | ESP32-C6 | WiFi6，BLE5.0，RISC-V | | 2023 | ESP32-P4 | 更高性能，AI加速 | #### 2.2.2 ESP32-S3 vs ESP32（普通版） | 对比项 | ESP32 | ESP32-S3 | |-------|-------|----------| | CPU | LX6 单核/双核 | **LX7 双核** | | 主频 | 240MHz | **240MHz** | | RAM | 520KB | **512KB + 8MB PSRAM** | | AI加速 | 无 | **向量指令集 ESP-NN** | | 蓝牙 | 4.2 | **BLE 5.0** | | USB | 无 | **USB OTG** | | GPIO | 34个 | **44个** | **为什么选择ESP32-S3？** 1. 内置AI加速指令（适合TinyML） 2. 更多内存（可运行较大模型） 3. BLE 5.0（更省电） 4. USB OTG（方便调试） --- ### 2.3 ESP32-S3系统架构 #### 2.3.1 CPU核心 ``` Xtensa LX7 双核处理器： ┌────────────────────────────────────────┐ │ │ │ CPU Core 0 CPU Core 1 │ │ (系统用) (用户用) │ │ │ └────────────────────────────────────────┘ ↑ ↑ 共享Cache 共享Cache ↑ ↑ ┌────────────────────────────────┐ │ 共享外设 │ │ WiFi / 蓝牙 / GPIO / ... │ └────────────────────────────────┘ ``` **双核的作用：** - Core 0：运行FreeRTOS系统，处理WiFi/蓝牙等任务 - Core 1：运行用户代码，主要的计算任务 #### 2.3.2 存储结构 | 类型 | 大小 | 用途 | |-----|------|------| | ROM | 384KB | 固化引导程序，不可修改 | | SRAM | 512KB | 运行内存，程序运行时使用 | | PSRAM | 8MB | 额外大内存，ESP32-S3专有 | | Flash | 4-16MB | 存储程序代码和文件系统 | **类比理解：** ``` ROM = 印刷好的说明书（不可改） SRAM = 桌面（正在用的东西） PSRAM = 额外的桌面（摊开更多资料） Flash = 书架（存放不常用的东西） ``` #### 2.3.3 外设资源 | 外设 | 数量 | 用途 | |-----|------|------| | GPIO | 44个 | 输入输出 | | ADC | 20通道 | 模拟信号读取 | | DAC | 2通道 | 模拟信号输出 | | SPI | 4个 | 高速通信 | | I2C | 2个 | 中速通信 | | UART | 3个 | 串口通信 | | I2S | 2个 | 音频 | | LEDC | 16通道 | PWM控制 | | WiFi | 1 | 无线网络 | | 蓝牙 | 1 | 无线通信 | --- ### 2.4 GPIO详解 #### 2.4.1 GPIO基本概念 **GPIO = General Purpose Input/Output** **通用输入/输出** ``` ┌──────────────────────────────────────┐ │ │ │ CPU ◄──── 控制与状态总线 ────► GPIO引脚 │ │ │ • 设为输出：CPU写入 → 引脚输出电压 │ │ • 设为输入：CPU读取 ← 引脚输入电压 │ │ │ └──────────────────────────────────────┘ ``` #### 2.4.2 GPIO工作模式 **1. 输出模式** | 模式 | 说明 | 寄存器设置 | |-----|------|-----------| | 推挽输出 | 输出高/低电平 | OUTPUT | | 开漏输出 | 只能输出低，需要上拉 | OPEN_DRAIN | **2. 输入模式** | 模式 | 说明 | 使用场景 | |-----|------|---------| | 浮空输入 | 不连接任何电平 | 适用于有源信号 | | 上拉输入 | 默认HIGH，接按钮 | 按钮检测（省电阻） | | 下拉输入 | 默认LOW | 特殊传感器 | **3. 特殊模式** | 模式 | 说明 | |-----|------| | ADC模式 | 模拟信号输入（0-3.3V → 0-4095） | | PWM模式 | 模拟信号输出 | | 复用模式 | 连接UART/I2C/SPI等外设 | #### 2.4.3 GPIO使用注意事项 ``` ⚠️ 重要警告： 1. 电压限制 • GPIO输入电压：0 ~ 3.3V • 超过3.3V会损坏芯片！ • 不能直接接5V信号！ 2. 电流限制 • 每个GPIO最大输出40mA • 总电流不超过120mA • 不能直接驱动电机！ 3. 启动状态 • 上电瞬间GPIO状态不确定 • 在setup()中先设置模式 4. 特殊引脚 • GPIO0/2/5/12等有特殊功能 • 启动模式选择 • SPI flash接口 ``` --- ### 2.5 PWM脉宽调制 #### 2.5.1 PWM原理 **PWM = Pulse Width Modulation** **脉冲宽度调制** **核心思想：** 用"开关"来模拟中间电压 ``` 全开(HIGH)： ███████ 100% 开关50%时间： ████░░░ 50% 开关25%时间： ██░░░░░ 25% ``` #### 2.5.2 占空比 ``` ┌─────────────────────────────────────────────┐ │ │ │ 占空比(Duty Cycle) = HIGH时间 / 周期时间 │ │ │ │ 示例： │ │ • 周期 = 1ms │ │ • HIGH时间 = 0.5ms │ │ • LOW时间 = 0.5ms │ │ • 占空比 = 50% │ │ • 等效电压 = 3.3V × 50% = 1.65V │ │ │ └─────────────────────────────────────────────┘ ``` #### 2.5.3 LED亮度控制 | PWM占空比 | LED亮度 | 等效电压 | |----------|--------|---------| | 100% | 最亮 | 3.3V | | 75% | 较亮 | 2.475V | | 50% | 中等 | 1.65V | | 25% | 较暗 | 0.825V | | 0% | 熄灭 | 0V | #### 2.5.4 Arduino PWM函数 **ESP32使用LEDC（LED Controller）而不是analogWrite()：** ```cpp // 1. 配置通道 ledcSetup(channel, frequency, resolution); // 参数： // channel: 0-15，选择通道号 // frequency: 频率(Hz)，LED常用1000Hz // resolution: 分辨率位数，8位=0-255 // 2. 绑定引脚 ledcAttachPin(gpio, channel); // 3. 输出PWM ledcWrite(channel, duty); // duty: 根据分辨率决定范围 // 8位: 0-255 // 10位: 0-1023 // 12位: 0-4095 ``` --- ## 实验操作（40分钟） ### 2.6 实验2 - GPIO控制LED #### 2.6.1 基础闪烁 **代码：** ```cpp const int LED_PIN = 2; // GPIO2 void setup() { pinMode(LED_PIN, OUTPUT); // 设置为输出模式 } void loop() { digitalWrite(LED_PIN, HIGH); // LED亮 delay(500); // 延时500ms digitalWrite(LED_PIN, LOW); // LED灭 delay(500); // 延时500ms } ``` #### 2.6.2 PWM呼吸灯 ```cpp const int LED_PIN = 48; // GPIO48 (RGB LED) void setup() { // 配置LEDC通道0，1kHz频率，8位分辨率 ledcSetup(0, 1000, 8); // 绑定GPIO48到通道0 ledcAttachPin(LED_PIN, 0); } void loop() { // 渐亮 for (int i = 0; i <= 255; i++) { ledcWrite(0, i); delay(10); } // 渐暗 for (int i = 255; i >= 0; i--) { ledcWrite(0, i); delay(10); } } ``` #### 2.6.3 SOS求救信号 ```cpp const int LED_PIN = 2; void setup() { pinMode(LED_PIN, OUTPUT); } void short_flash() { digitalWrite(LED_PIN, HIGH); delay(200); digitalWrite(LED_PIN, LOW); delay(200); } void long_flash() { digitalWrite(LED_PIN, HIGH); delay(600); digitalWrite(LED_PIN, LOW); delay(200); } void loop() { // S: 三短 for (int i = 0; i < 3; i++) short_flash(); delay(500); // O: 三长 for (int i = 0; i < 3; i++) long_flash(); delay(500); // S: 三短 for (int i = 0; i < 3; i++) short_flash(); delay(2000); // 2秒后重复 } ``` --- ## 常见问题解答 **Q: 为什么使用GPIO2而不是其他引脚？** A: GPIO2是开发板上用户LED的引脚，方便观察效果。 **Q: delay()和millis()有什么区别？** A: delay()是阻塞延时，程序暂停等待；millis()返回运行时间，可用于非阻塞延时。 **Q: 呼吸灯效果不平滑怎么办？** A: 可以增加分辨率（如10位）或减小延时步进。 --- ## 课堂总结 ``` ┌─────────────────────────────────────────────────────────┐ │ 第2周要点速记 │ ├─────────────────────────────────────────────────────────┤ │ │ │ 📌 ESP32-S3 = 双核 + WiFi + 蓝牙 + AI加速 │ │ │ │ 📌 GPIO = CPU控制外设的"手" │ │ │ │ 📌 GPIO注意事项： │ │ • 电压不超过3.3V │ │ • 电流不超过40mA │ │ │ │ 📌 PWM = 用开关模拟中间电压 │ │ │ │ 📌 Arduino PWM：ledcSetup() + ledcAttachPin() │ │ │ └─────────────────────────────────────────────────────────┘ ``` --- ## 下周预告 **第3周：Arduino基础语法** **开场Demo：循迹小车走迷宫** --- ## 参考资料 | 资源 | 链接 | |-----|------| | ESP32-S3数据手册 | https://www.espressif.com/sites/default/files/documentation/esp32-s3_datasheet_cn.pdf | | Arduino ESP32文档 | https://docs.arduino.cc/hardware/nano-esp32 | | 立创实战派原理图 | https://oshwhub.com/ | --- **讲义版本**: v1.0 **更新日期**: 2026-04-10 **授课教师**: 李茂奎老师