ESP32概述与Arduino软件准备 | ESP32开发之旅-Arduino版

前言

近年来，掌控板（英文名：mPython）在创客教育中应用越来越广泛。掌控板集成了 ESP32 高性能双核芯片，具备 WiFi 和蓝牙连接功能，同时在板子上又配置了丰富的传感器，最重要的是它是专门为国内编程教学而设计的，符合国内课堂使用的情况，再加上价格便宜，所以越来越多的做 STEAM 和创客的老师开始使用它了。

国内各大教育厂商和组织也推出了针对掌控板的教学编程软件，比如 Mind+、Mixly、mPython 等编程软件，这些软件大多以图形化编程为主，使用简单，可以轻松实现很多好玩的创意，从而可以让学生体验无穷的创作乐趣。以这些软件为基础，目前网上也有了大量关于掌控板的项目和课程。

但是针对掌控板普及教学而设计的软件，往往在功能上会有一些限制。另外，如果对掌控板的核心芯片 ESP32 不够了解的话，不方便对学到的知识进行迁移。比如网上有很多采用 ESP32 设计的开发板，在掌控板上学到的知识，能否用到这些 ESP32 的开发板上呢？

另外，在接触掌控板之前，大部分老师做创客教育基本都会采用非常流行的 Arduino 来进行，那么能否将 Arduino 上面学到的编程知识也迁移到掌控板呢？

实际上，这些知识都是可以迁移的，因此在有时间的情况下，我准备给大家分享一系列用 Arduino 代码对掌控板（ESP32）编程的教程：用 Arduino 玩转掌控板(ESP32)系列，旨在更多地从 ESP32 芯片的角度出发，学习 ESP32 模块的编程，然后应用到掌控板或其他基于 ESP32 的开发板上，让大家可以触类旁通。

在硬件选择上，本教程将以掌控板为主线，再搭配一些其他基于 ESP32 的学习开发板，比如 NodeMCU-32S 或 DFRobot FireBeetle-ESP32；在编程软件选择上，将以 Arduino 代码编程为主，个别案例也会同时分享一些 Mixly 或 Mind+ 或 mPython 等图形化编程软件的程序。

实际上 ESP32 芯片是 ESP8266 芯片的升级版，所以情况下，两者的代码也是兼容的，所以本教程提供的代码也尽可能做到通用，但是由于本人水平有限，难免有一些疏漏之处，还请大家多多提出批评改进意见，一起进步。

ESP32 概述

在介绍软件之前，先来简单介绍一下硬件。首先我们来看一下掌控板背后的主控芯片 ESP32。

ESP32 芯片是由我国的乐鑫公司继 ESP8266 芯片后推出的又一款集成 WiFi 功能的微控制器。它拥有比 ESP8266 更加强大的性能，可以用来开发更加复杂的应用。ESP32 芯片或模组具有下列特点：

• 处理器：Tensilica LX6 双核处理器（一核处理高速连接；一核独立应用开发）
• 主频：32 位双核处理器，CPU 正常工作速度为 80 MHz，最高可达 240 MHz
• SRAM：520KB，最大支持 8 MB 片外 SPI SRAM
• Flash：最大支持 16 MB 片外 SPI Flash
• WiFi 协议：支持 802.11 b/g/n/d/e/i/k/r 等协议，速度高达150 Mbps
• 频率范围：2.4~2.5 GHz
• 蓝牙协议：支持蓝牙 v4.2 完整标准，包含传统蓝牙 (BR/EDR) 和低功耗蓝牙 (BLE)
• 同时他还具备丰富的外设接口：比如 GPIO、ADC、DAC、SPI、I²C、I²S、UART 等常用接口一个不少

具体可以查看官方出品的功能框图：

有兴趣的读者可以去下面的掌控板官方 Wiki 对比一下掌控板的硬件参数：

https://mpython.readthedocs.io/zh/master/board/hardware.html

这些参数是不是跟基于 ESP32 芯片的掌控板差不多？另外上图中的 ESP32 引脚框图其实也和掌控板完全一样。

总结下来，ESP32 芯片主要具有高性能、低功耗、高度集成、体积小、性能稳定等优点。可以说性能是相当不错了，所以它才能支持 MicroPython 等比较耗性能的脚本语言。

关于 ESP32 的更多详细参数可以参考乐鑫官网：

https://www.espressif.com/zh-hans/products/hardware/esp32/overview

常见 ESP32 开发板

如果在淘宝搜索 ESP32，可以看到很多开发板，如下图所示。除了掌控板之外，这些琳琅满目的开发板，我们到底该怎么选择呢？

针对本教程来说，其实这些板子都大同小异，大家可以自由选择。本教程主要采用了掌控板、DFRobot 出品的 FireBeetle-ESP32、安信可出品的 NodeMCU-32S 这 3 块学习板进行展开。其中掌控板是我们学习的主要器件，而 FireBeetle-ESP32、NodeMCU-32S 这 2 块板子，主要以配合讲解为主，方便让大家知道背后的原理。在本教程涉及的项目中，除了掌控板之外，我也会选择部分项目让大家看看在其他板子上运行的效果。选择这几块板子的原因是：一方面，在国内使用的比较多，中文资料比较全面；另一方面，他们都有相应的扩展板，方便后面学习的时候，外接各种传感器与执行器模块。

下图为掌控板的正面与反面，更多详细的资料可以查看掌控板官方帮助文档：https://mpython.readthedocs.io/zh/master/

下图为 DFRobot 出品的 FireBeetle-ESP32，更多详细的资料可以查看 DF 官网的 Wiki：
http://wiki.dfrobot.com.cn/index.php?title=(SKU:DFR0478)FireBeetle_Board-ESP32%E4%B8%BB%E6%9D%BF%E6%8E%A7%E5%88%B6%E5%99%A8V3.0

下图为安信可科技出品的 NodeMCU-32S 开发板，更多详细的资料可以查看安信可官网的 Wiki：

https://wiki.ai-thinker.com/esp32/boards/nodemcu_32s

这里需要注意的是，大部分 ESP32 系列的开发板，他们的工作电压都是 3.3 V，USB 口最高输入 5 V 电压，因此在使用时要注意选择正确的电压，以免烧坏板子，造成危险。后面的章节中，在具体接线时，也会再次强调。

编程语言选择

ESP32 的开发方式有很多种，下面列举几个常用的：

• 乐鑫官方 ESP-IDF，这是官方的首推的开发方式，能够最大限度发挥ESP32的性能，代价就是不方便或者说是开发不是那么高效；
• 乐鑫官方出品 Arduino core for the ESP32，官方出品的 Arduino 编程软件支持，上手简单，大部分编程语法和 Arduino 兼容，借助于 Arduino 生态，有非常丰富的资源可直接使用；
• 现在非常流行的 microPython，简单明了，功能强大，大部分编程语法和 Python 兼容，借助于 Python 生态，在音视频、图像处理、人工智能等方面有很大的优势；
• 图形化编程，比如 Mixly、Mind+、mPython X 等图形化编程软件，其实他们的底层也主要是基于 Arduino 模式或者 microPython 模式。

目前最适合广大中小学老师教学的，主要就是 Arduino 模式和 microPython 模式，因为针对掌控板使用 microPython 的课程已经比较多了，所以本系列的教程主要使用 Arduino IDE 进行学习。

软件准备

使用 Arduino 软件对掌控板编程，需要对 Arduino 软件做一些配置，我这里提供两种方法：

• 使用 Mixly 软件内置的 Arduino 软件，已配置好开发环境，使用简单，适合入门；
• 利用 Arduino 开发板管理器配置 ESP32（掌控板）开发环境，适合喜欢折腾的人。

这里比较推荐第一种方式，使用 Mixly 软件内置的 Arduino 软件，但是两种方法的安装方法我都会简要介绍一下。

使用 Mixly 内置版 Arduino

Mixly 的下载地址为：https://mixly.readthedocs.io/zh_CN/latest/basic/02Installation-update.html

安装方法不再赘述，可以直接参考上述链接。

Mixly 从 v1.0 版本开始，默认已经配置好了 ESP32（掌控板）的编程环境，直接打开 Mixly 内置的 Arduino 软件，编程时依次选择：工具 → 开发板 → Arduino HandBit 或者 Arduino ESP32 即可。 选择 Arduino ESP32 或 Arduino HandBit 都可以。其中 Arduino ESP32提供了 ESP32 通用的编程模块，而 Arduino HandBit 则是针对掌控板一些功能进行了进一步封装而已，如果懂得了掌控板（或 ESP32）背后的一些技术原理，选择任何一个都是可以的。当然在使用掌控板时，选择 Arduino HandBit 会稍微方便一些。

[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-ZdmITqyL-1582093078195)(https://ironpanda-1259781115.cos.ap-shanghai.myqcloud.com/2020-02-19/mixlyarduino.png)]

如果你想体验 Mixly 图形化编程，按照如下两图进行开发板选择即可。

自己配置 Arduino 开发环境

在 Arduino 中对 ESP32 或掌控板进行编程，前期准备稍微麻烦一些，但也不难。官方也提供了详细的教程。这里以 Windows 系统为例来介绍配置教程，macOS 或者 Linux 系统，过程基本一样，不再赘述。

首先安装最新版 Arduino IDE，下载网址：https://www.arduino.cc/en/Main/Software

下载完成后打开 Arduino 软件，依次点击菜单：文件 → 首选项，打开 Arduino 设置界面

在 Arduino 设置界面（首选项）中，在附加开发板管理器网址一栏，填入：

https://raw.githubusercontent.com/espressif/arduino-esp32/gh-pages/package_esp32_index.json

如下图所示：

然后在菜单栏中依次点开：工具 → 开发板 → 开发板管理，打开开发板管理器界面。

在开发板管理器上，搜索 esp32，可以看到 esp32 by Espressif Systems，点击右下角的安装，等待安装完成即可。这个过程可能比较慢，取决于网络，请耐心等待。如果安装失败，重新安装即可。

安装成功后，电机工具 → 开发板，就可以看到许多 ESP32 开发板的选项了，如下图所示：

小试身手

所有准备工作都已经完成了，我们来试试编写并上传第一个 Arduino 模式下的掌控板（ESP32）程序吧。

打开 Arduino 软件，在开发板中选择 ESP32 Dev Module，然后在代码编辑区域输入以下程序：

void setup() {
  Serial.begin(115200);
}

void loop() {
  Serial.println("Hello ESP32. Hello Arduino!");
  delay(1000);
}

1、开发板选项中 ESP32 Arduino 列表中所列的开发板，都是基于 ESP32 芯片的，除了引脚定义有一些差异外，其他差异不是很大，入门学习时可以忽略他们的差异，随便选一个，影响都不是很大，这里推荐选择 ESP32 Dev Module 即可。

2、如果使用的是 Mixly 内置的 Arduino 软件，为了方便大学学习，已经精简删除了大部分开发板选项，只留下几个选项，读者直接选择 Arduino ESP32 或 Arduino HandBit 即可。

然后选择正确的端口号，点击上传按钮，将程序上传到掌控板，当然你也可以上传到 FireBeetle-ESP32、NodeMCU-32S 等其他开发板上，看看效果是不是一样的。当 Arduino 软件界面下方出现如下图显示的 Leaving... Hard resetting via RTS pin…，即表示上传成功。

然后点击右上角串口监视器，修改对应的串口波特率为 115200，看看输出效果吧。这个程序主要实现了让掌控板每隔 1s 向串口打印输出一行 Hello ESP32. Hello Arduino! 字符串，你也可以修改程序中的打印内容，重新上传程序看看效果。

如果程序输出没有问题的话，恭喜你，你已经正式开始用 Arduino 学习掌控板之旅了！

总结

在这个章节中，我们主要学习了以下内容：

• ESP32 的基本知识；
• 了解了一些常见的基于 ESP32 的学习开发板；
• 学习了在 Arduino 中配置 ESP32 掌控板开发环境的方法；
• 在 Arduino 模式下编写了第一个掌控板程序。