ESP32-S3入门第七天：UART串口通信与设备交互

ESP32-S3入门第七天：UART串口通信与设备交互 - 教程

news/2025/10/24 19:25:48/文章来源:https://www.cnblogs.com/yxysuanfa/p/19164099

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：

起始位：1 位低电平（标志数据开始）
数据位：8 位（高位在前或低位在前，可配置）
校验位：0 位（无校验，用于验证数据正确性）
停止位：1 位高电平（标志数据结束）

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
GPIO17	UART2_TX	与 GPIO16 短接
GPIO16	UART2_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。

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	GPIO13	PWM 控制（复用第三天知识）
舵机 VCC	5V	独立供电
舵机 GND	GND	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

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”
发送指令 “LED ON”→ 板载 LED 点亮，串口返回 “指令执行：LED 已点亮”
发送指令 “SERVO 90”→ 舵机转到 90° 中位，串口返回角度确认信息
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=9	DHT11（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UART
Serial.begin(115200);    // UART0：调试
UART1.begin(9600, SERIAL_8N1, DHT_PIN, 10);  // UART1：RX=9, TX=10
UART2.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) {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