ESP32 for Arduino 串口通信与数码管显示学习笔记

一、开篇鼓励

恭喜你开启ESP32 for Arduino学习之旅！串口通信是硬件交互的“语言桥梁”，数码管显示是直观成果展现，掌握这些，你已在物联网创意实现路上大步迈进，每一次代码成功运行，都是成长勋章，继续加油呀！

二、串口通信基础（Serial 类方法）

（一）数据发送

1. Serial.print() 系列

• 功能：以 ASCII 码形式输出数据到串口，是串口“说话”的常用方式。
• 用法示例：

// 输出字符串，默认 ASCII 形式
Serial.print("Hello, ESP32!"); 
// 输出数字 123，按十进制（DEC）显示，也可指定 BIN（二进制）、OCT（八进制）、HEX（十六进制）
Serial.print(123, DEC); 
// 输出浮点数 3.14，保留 2 位小数（默认），也可改 format 参数指定小数位数
Serial.print(3.14); 

• 优点：格式化输出灵活，方便调试看数据，就像给串口输出“梳妆打扮”，让数据好看又好懂。

2. Serial.println() 系列

• 功能：和 Serial.print() 类似，贴心之处是输出后自动回车换行，让串口打印内容排版更清晰，比如连续输出多组数据，不会挤在一起。
• 用法示例：

// 输出后自动换行，方便区分不同行数据
Serial.println("This is a new line."); 
// 带格式输出数字并换行，比如输出二进制 101 后换行
Serial.println(5, BIN); 

3. Serial.write() 系列

• 功能：更“硬核”的输出，输出字符/字符串时和 print 效果类似；输出整数时，直接发二进制数据，像给硬件传“原始指令” 。
• 用法示例：

// 输出字符串，效果同 print 输出 ASCII 形式
Serial.write("ESP32 Write Test"); 
// 输出整数 65，实际发二进制数据，接收端若按字符解析就是 'A'（因 65 对应 ASCII 码 'A' ）
Serial.write(65); 
// 数组输出，buf 是整数数组，len 是长度，按字节输出数组内容，适合批量传数据
byte buf[] = {65, 66, 67};
Serial.write(buf, 3); 

（二）数据接收

1. Serial.available()

• 功能：查询串口接收缓冲区，返回可读取的字节数，是判断“有没有数据进来”的“探测器” 。
• 用法示例：

void loop() {
  // 若返回值大于 0，说明串口有数据等着被读
  if (Serial.available() > 0) { 
    // 这里可写读取数据逻辑
  }
}

2. Serial.read()

• 功能：从串口缓冲区“拿”1 字节数据，拿完该数据就从缓冲区移除，是串口“听声音”的关键动作 。
• 用法示例：

void loop() {
  if (Serial.available() > 0) {
    // 读取 1 字节数据，存到变量 c，若没数据返回 -1
    char c = Serial.read(); 
    Serial.print("收到字符：");
    Serial.println(c);
  }
}

（三）小总结

发送函数里，print 适合调试、看直观数据；write 适合传二进制指令、批量数据；接收函数 available 搭配 read，就能实现“听 - 读”串口数据流程，像给 ESP32 装了“耳朵”和“嘴巴”，能和电脑、其他硬件聊天啦。

三、结合数码管显示实践（74HC595 驱动多位数码管）

（一）硬件连接逻辑（以 4 位数码管 + 2 个 74HC595 为例）

• ESP32 引脚：要连 74HC595 的数据引脚（DS）、时钟引脚（SH_CP）、锁存引脚（ST_CP），通过控制这几个引脚时序，让 74HC595 移位输出数据，驱动数码管段选、位选。简单说，就是用 ESP32 指挥 74HC595 点亮数码管的不同段和位，实现数字显示。
• 数码管原理：多位数码管靠“位选”控制哪一位亮，“段选”控制亮什么数字，利用人眼“视觉暂留”，快速切换位选、段选，实现多位稳定显示。

（二）关键代码及注释

// 定义 74HC595 控制引脚，根据实际接线改，这里假设连这几个引脚
const int dataPin = 9;    
const int clockPin = 10;  
const int latchPin = 11;  
// 数码管段选定义（共阴极，1 表示亮，0 表示灭，对应 a - g 段 + 小数点）
const byte disNum[11] = {
  0b11111100, // 0
  0b01100000, // 1
  0b11011010, // 2
  0b11110010, // 3
  0b01100110, // 4
  0b10110110, // 5
  0b10111110, // 6
  0b11100000, // 7
  0b11111110, // 8
  0b11110110, // 9
  0b00000001  // .
};

void setup() {
  // 设置引脚为输出模式，让 ESP32 能控制 74HC595
  pinMode(dataPin, OUTPUT);
  pinMode(clockPin, OUTPUT);
  pinMode(latchPin, OUTPUT);
  // 初始化串口，设置波特率 115200，和电脑串口助手通信
  Serial.begin(115200); 
  Serial.println("数码管显示测试开始啦！");
}

// 单个数码管位显示函数，digit 是第几位（1 - 4 等），number 是要显示的数字（0 - 9）
void disPlayNumber(int digit, int number) {
  byte v = 0b0; 
  // 设置位选，bitSet 把对应位设为 1，告诉 74HC595 要控制哪个数码管位
  shiftOut(dataPin, clockPin, MSBFIRST, bitSet(v, digit - 1)); 
  // 设置段选，~ 是取反（因共阴极数码管，段选低电平有效，disNum 里 1 表示亮，取反后对应输出电平）
  shiftOut(dataPin, clockPin, LSBFIRST, ~disNum[number]); 
  digitalWrite(latchPin, LOW);  // 开始传输数据到 74HC595
  digitalWrite(latchPin, HIGH); // 锁存数据，让数码管显示设置的内容
}

// 多位数码管显示函数，把整数 n 拆成个位、十位等，逐个位显示
void disPlayNumberS(int n) {
  int arr[5] = {};
  // 拆分个位
  arr[1] = n % 10; 
  // 拆分十位
  arr[2] = n / 10 % 10; 
  // 拆分百位
  arr[3] = n / 100 % 10; 
  // 拆分千位
  arr[4] = n / 1000 % 10; 
  for (int i = 1; i <= 4; i++) {
    // 控制第几位显示对应数字，4 - i + 1 是调整显示顺序（比如让高位在左，低位在右 ）
    disPlayNumber(4 - i + 1, arr[i]); 
  }
}

void loop() {
  // 串口接收数据并显示逻辑
  String valueStr = "";
  int value = 0;
  if (Serial.available() > 0) { // 检测串口有数据
    char v = Serial.read(); // 读 1 字节字符
    valueStr += v; // 拼接成字符串
    value = valueStr.toInt(); // 转成整数，准备显示
  }
  // 把接收的数字显示在数码管，比如串口发 1234，数码管就显示 1234
  disPlayNumberS(value); 
  delay(100); // 延时让显示稳定，也给串口缓冲时间
}

（三）代码逻辑讲解

1. 引脚与数码管定义：先指定控制 74HC595 的引脚，再定义数码管各数字对应的段选数据，就像给每个数字“画好画像”，告诉程序显示 0 - 9 分别要亮哪些段。
2. setup 函数：初始化引脚为输出，开启串口，相当于给硬件“搭好舞台”，准备开始表演。
3. disPlayNumber 函数：控制单个数码管位显示数字，通过 shiftOut 给 74HC595 发位选、段选数据，latchPin 锁存后，数码管就亮对应数字，是数码管显示的“最小动作单元”。
4. disPlayNumberS 函数：把要显示的整数拆成各位（个位、十位等 ），循环调用 disPlayNumber，让多位数码管依次显示，实现“1234”这样的多位数字展示，像把大任务拆成小步骤，逐个完成。
5. loop 函数：不断检测串口数据，收到后拼接成字符串、转整数，再调用 disPlayNumberS 显示，让数码管实时反映串口接收的数字，实现“串口收数据 - 数码管显示”闭环。

（四）常见问题与解决

• 问题 1：数码管显示乱码、缺段。
  • 原因：可能段选定义错（比如共阳极和共阴极搞反，段选数据要取反调整 ），或者 74HC595 接线松、时序不对。
  • 解决：检查数码管类型（共阴/共阳 ），核对 disNum 数据；重新插拔接线，确保接触好；也可简化代码，先测试单个数码管位显示，逐步排查。
• 问题 2：串口接收数据转整数失败，数码管显示 0 或异常。
  • 原因：串口数据含非数字字符（如换行符 ），toInt 转换失败。
  • 解决：在拼接字符串时，判断字符是否是数字（用 isDigit 函数 ），只拼接数字字符；或者接收完数据后，处理掉换行符等干扰字符，再转整数。

四、总结与拓展

（一）学习收获

通过本次学习，你掌握了 ESP32 for Arduino 串口收发数据（print/write/available/read ），还实现了数码管显示，能让硬件“听”“说”“展示”，这是物联网项目的基础能力，比如以后做串口调试助手、数字显示屏、简单数据采集显示设备，都能用到这些知识！

（二）拓展方向

1. 多设备通信：让 ESP32 串口连接传感器（如温湿度传感器 ），接收数据后数码管显示，打造简易环境监测仪。
2. 串口协议扩展：学习 Modbus 等串口通信协议，和工业设备、智能模块通信，让 ESP32 成为“万能翻译官”，接入更复杂系统。
3. 数码管特效：做滚动数字、闪烁显示，给项目加“特效”，让数码管不止能显示数字，还能当动态装饰，让作品更炫酷！

继续加油呀，每一次代码修改、功能拓展，都是你向“硬件达人”迈进的脚步，期待你用这些知识做出超酷的物联网作品！