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在計算機創(chuàng)新設計中，MicroPython因其簡單易用的特性，降低了創(chuàng)新設計編程語言的門檻；而ESP32芯片因其內置的WiFi、藍牙和通用嵌入式功能成為創(chuàng)新設計的熱門硬件平臺。本書以應用案例形式介紹ESP32常用硬件功能，突出MicroPython編寫硬件驅動的便捷性，讓讀者全面了解使用MicroPython驅動ESP32不同功能硬件模塊工作的方法。全書共分12章，包括MicroPython創(chuàng)新設計介紹、MicroPython基礎知識、ESP32的GPIO輸出與輸入、ESP32的定時器TIMER、ESP32的串口通信、ADC數(shù)據(jù)采集、I2C通信、SPI通信、WiFi無線網絡通信、藍牙通信、創(chuàng)新項目設計和PCB設計與制作。
本書講解簡單明了，案例豐富，同時配套開源硬件開發(fā)板、慕課視頻和開源仿真平臺（Wokwi）案例，可作為高等學校理工科相關專業(yè)學生學習計算機創(chuàng)新設計的教程，也可以作為學習MicroPython和ESP32的參考書。

隨著信息技術的飛速發(fā)展，計算機創(chuàng)新設計已經不僅僅是計算機專業(yè)人員的工作，越來越多的跨專業(yè)人員開始應用計算機技術在各個領域中進行創(chuàng)新設計。而應用嵌入式技術進行計算機創(chuàng)新無處不在，隨著物聯(lián)網、智能硬件、人工智能等先進技術的普及，嵌入式技術在創(chuàng)新設計中應用會更加廣泛。在嵌入式設計軟件開發(fā)方面，MicroPython因其簡單易學、免費開源以及豐富的庫文件，使嵌入式開發(fā)程序設計編程語言的門檻降低，非常適合進行創(chuàng)新設計的原型系統(tǒng)開發(fā)，能縮短創(chuàng)新設計的周期，在短時間內把創(chuàng)新想法變成實物案例。在嵌入式設計硬件開發(fā)方面，ESP32芯片是近年在創(chuàng)新設計領域中非常熱門的解決方案，它除了具有嵌入式硬件芯片常用功能（GPIO、外部中斷、硬件定時器、RTC、串口、I2C、SPI等）外，還提供了內置的WiFi和藍牙功能，能夠便捷地實現(xiàn)設備的聯(lián)網通信，從而為物聯(lián)網技術的創(chuàng)新應用提供了有利的網絡支撐。
本書是面向高等學校理工科相關專業(yè)學生學習計算機創(chuàng)新設計而編寫的教材。其特點是知識點簡潔明了，側重實際應用。每個硬件功能設計都配套完整的案例代碼，可以在教材配套的開源DIY開發(fā)板上運行，同時為滿足不具有硬件條件的讀者的學習需求，教材案例也可以在開源MicroPython仿真平臺Wokwi上進行運行測試。書中的各個章節(jié)采用由易到難的順序講解，讓學生通過每個章節(jié)的學習，掌握多種硬件功能的使用方法，最后完成多個綜合性的物聯(lián)網數(shù)據(jù)采集、存儲、展示和遠程傳輸?shù)陌咐�。通過本書的學習，讀者可以全面掌握在ESP32硬件平臺上采用MicroPython進行創(chuàng)新設計的流程和方法。
全書共12章，第1～2章為MicroPython創(chuàng)新設計介紹和MicroPython基礎知識，第3～10章為ESP32常用硬件功能講解，第11章為創(chuàng)新項目設計，第12章為PCB設計與制作。其中，第1章主要講解計算機創(chuàng)新設計編程語言MicroPython、ESP32硬件開發(fā)平臺基本功能、虛擬仿真平臺Wokwi和開發(fā)環(huán)境的搭建方法；第2章主要講解MicroPython的基本語法知識，包括基本數(shù)據(jù)類型、組合數(shù)據(jù)類型、運算符、選擇結構、循環(huán)結構、函數(shù)、文件、類與對象、多線程和常用庫的使用；第3章講解ESP32的GPIO輸出與輸入，通過DIY開發(fā)板的4個LED、五向按鍵完成按鍵控制LED閃爍的案例；第4章講解ESP32的定時器TIMER，包括周期性定時中斷、PWM輸出、RTC和TIME庫的使用，并在DIY開發(fā)板上完成流水燈和呼吸燈的案例；第5章講解ESP32的串口通信，包括串口輸入和輸出、DIY開發(fā)板的串口硬件連接方式、Wokwi仿真平臺的串口監(jiān)視器的配置方法等，并在DIY開發(fā)板上實現(xiàn)串口輸出呼吸燈占空比和串口輸入控制流水燈頻率的案例；第6章講解ADC數(shù)據(jù)采集，包括ADC數(shù)據(jù)采集原理、ESP32上ADC初始化方法和數(shù)據(jù)轉換方式，并在DIY開發(fā)板上實現(xiàn)電位器電壓變化值的采集；第7章講解I2C通信，包括I2C通信原理、I2C接口的SSD1306驅動的12864分辨率的OLED的工作原理、OLED顯示中文和圖像的原理，并在DIY開發(fā)板上實現(xiàn)I2C接口驅動OLED顯示英文、繪圖、中文和圖像案例；第8章講解SPI通信，包括SPI通信原理、SPI接口的ST7789驅動的TFTLCD的工作原理，并在DIY開發(fā)板上實現(xiàn)TFTLCD顯示彩色圖片、英文和漢字的案例；第9章講解WiFi無線網絡通信，包括WiFi通信基本原理、ESP32的WiFi模塊AP和STA工作模式初始化和使用方法，并在DIY開發(fā)板上實現(xiàn)基于WiFi模塊的NTP網絡校時和TCP數(shù)據(jù)通信案例；第10章講解藍牙通信，包括藍牙通信基本原理、ESP32的藍牙模塊初始化和使用方法，并在DIY開發(fā)板上實現(xiàn)利用手機藍牙調試助手App控制LED開關案例；第11章講解創(chuàng)新項目設計，包括PWM驅動無源蜂鳴器工作、基于光敏電阻的自動亮度調節(jié)LED、基于紅外遙控器控制的LED、基于滾珠開關的TFTLCD旋轉時鐘和OLED旋轉時鐘、基于DHT11的溫濕度采集與OLED顯示和TFTLCD顯示以及基于 MQTT 通信協(xié)議的遠程溫濕度檢測系統(tǒng)；第12章講解了PCB設計與制作，以及3D外殼的設計與制作。每章后面都附有實驗，附錄提供了ESP32S3的MicroPython固件燒錄方法、YDESP32S3核心板和DIY開發(fā)板原理圖以及DIY開發(fā)板引腳功能列表，方便讀者使用DIY開發(fā)板。為方便廣大師生教學和學習，本書還提供配套電子教案、案例源代碼、常用工具軟件和慕課視頻，讀者可從清華大學出版社網站下載。
由于編者水平有限，書中難免存在錯誤和不妥之處，懇請讀者批評指正。

編者2025年2月

第1章MicroPython創(chuàng)新設計介紹1
1.1MicroPython介紹2
1.1.1MicroPython是什么2
1.1.2MicroPython與Python的區(qū)別3
1.1.3為什么用MicroPython進行創(chuàng)新設計5
1.2ESP32硬件平臺介紹5
1.2.1ESP32系列SoC5
1.2.2ESP32開發(fā)軟件平臺6
1.2.3DIY開發(fā)板介紹7
1.3Wokwi虛擬仿真平臺介紹8
1.3.1Wokwi虛擬仿真平臺功能8
1.3.2Wokwi平臺使用基本流程8
1.3.3Wokwi平臺與DIY開發(fā)板的配合使用11
1.4 開發(fā)環(huán)境的搭建11
1.4.1Python安裝11
1.4.2Thonny軟件安裝與配置12
1.4.3PyCharm軟件安裝與配置15
實驗一Python環(huán)境與基本操作實驗19
第2章MicroPython基礎知識20
2.1基本書寫格式要求21
2.1.1縮進式格式規(guī)范21
2.1.2注釋21
2.1.3標識符命名規(guī)則21
2.2常量與變量22
2.2.1常量與常量類型222.2.2變量與變量類型22
2.2.3不同進制的書寫格式23
2.3基本數(shù)據(jù)類型23
2.3.1常用數(shù)據(jù)類型23
2.3.2整型23
2.3.3浮點型24
2.3.4布爾型24
2.3.5字符串型24
2.3.6復數(shù)型25
2.3.7不同數(shù)據(jù)類型之間的轉換25
2.3.8數(shù)值運算函數(shù)25
2.4常用運算符26
2.4.1數(shù)值運算符26
2.4.2賦值運算符和復合賦值運算符26
2.4.3關系（比較）運算符26
2.4.4邏輯運算符27
2.4.5位運算符28
2.4.6表達式中運算符的優(yōu)先級28
2.5輸出與輸入29
2.5.1標準輸出函數(shù)print()29
2.5.2標準輸入函數(shù)input()30
2.6組合數(shù)據(jù)類型31
2.6.1常用組合數(shù)據(jù)類型31
2.6.2字符串（str）32
2.6.3列表（list）35
2.6.4元組（tuple）38
2.6.5字典（dict）38
2.6.6集合（set）40
2.6.7列表與其他數(shù)據(jù)類型的轉換41
2.7選擇結構42
2.7.1單分支（if）42
2.7.2雙分支（ifelse）43
2.7.3多分支（ifelifelse）44
2.7.4選擇嵌套結構45
2.8循環(huán)結構46
2.8.1for循環(huán)46
2.8.2while循環(huán)47
2.8.3循環(huán)控制語句break與continue47
2.8.4循環(huán)嵌套結構48
2.9函數(shù)48
2.9.1MicroPython內置函數(shù)48
2.9.2函數(shù)的定義與調用50
2.9.3函數(shù)的參數(shù)50
2.9.4通過形參修改實參52
2.9.5函數(shù)的返回值52
2.9.6函數(shù)的嵌套調用與遞歸調用53
2.9.7lambda函數(shù)定義與使用53
2.10局部變量與全局變量54
2.10.1局部變量54
2.10.2全局變量54
2.10.3局部變量轉全局變量55
2.11文件55
2.11.1文件基本概念55
2.11.2文件操作基本流程55
2.11.3文件的開關與關閉56
2.11.4文件的讀寫操作57
2.12類與對象57
2.12.1面向對象的編程介紹57
2.12.2類的定義58
2.12.3實例對象的定義與使用59
2.12.4訪問權限的控制60
2.12.5類的繼承、封裝與多態(tài)60
2.13多線程62
2.13.1多線程基本概念62
2.13.2多線程的定義與啟動62
2.13.3線程間的簡單數(shù)據(jù)交換64
2.14常用庫的使用66
2.14.1常用內置庫66
2.14.2ESP32特有函數(shù)和庫67
2.14.3第三方庫的獲得67
實驗二MicroPython基本語法編程實驗68
第3章ESP32的GPIO輸出與輸入69
3.1GPIO基礎知識70
3.1.1什么是GPIO70
3.1.2GPIO推挽輸出與開漏輸出70
3.1.3GPIO上拉輸入、下拉輸入與懸空輸入71
3.1.4ESP32S3芯片GPIO介紹72
3.1.5MicroPython中GPIO相關類73
3.2GPIO輸出74
3.2.1DIY開發(fā)板LED硬件原理圖分析74
3.2.2GPIO輸出初始化與使用74
3.2.3Wokwi仿真LED流水燈案例75
3.2.4DIY開發(fā)板LED流水燈案例77
3.3GPIO查詢方式輸入77
3.3.1DIY開發(fā)板五向按鍵硬件原理圖分析77
3.3.2GPIO輸入初始化與使用77
3.3.3Wokwi仿真循環(huán)查詢方式按鍵輸入控制LED閃爍案例78
3.3.4DIY開發(fā)板循環(huán)查詢方式按鍵輸入控制LED閃爍案例80
3.4GPIO中斷方式輸入80
3.4.1中斷處理程序介紹80
3.4.2GPIO外部中斷初始化與使用80
3.4.3Wokwi仿真中斷方式按鍵輸入控制LED閃爍案例81
3.4.4DIY開發(fā)板中斷方式按鍵輸入控制LED閃爍案例83
3.4.5ESP32下載程序后無法連接問題解決84
實驗三GPIO輸出與輸入實驗84
第4章ESP32的定時器TIMER85
4.1定時器基本知識86
4.1.1什么是定時器86
4.1.2MicroPython中定時器Timer類86
4.1.3MicroPython中PWM（脈寬調制）類86
4.1.4MicroPython中時間time類88
4.1.5MicroPython中實時時鐘RTC類88
4.2定時器TIMER中斷89
4.2.1DIY開發(fā)板硬件原理圖分析89
4.2.2定時器TIMER初始化與使用89
4.2.3Wokwi仿真定時器周期中斷流水燈案例89
4.2.4DIY開發(fā)板定時器周期中斷流水燈案例91
4.3PWM輸出91
4.3.1DIY開發(fā)板硬件原理圖分析91
4.3.2PWM初始化與使用91
4.3.3Wokwi仿真呼吸燈案例92
4.3.4DIY開發(fā)板呼吸燈案例93
4.4RTC時鐘93
4.4.1Wokwi仿真循環(huán)輸出系統(tǒng)時間93
4.4.2DIY開發(fā)板循環(huán)輸出系統(tǒng)時間94
實驗四定時器TIMER實驗95
第5章ESP32的串口通信96
5.1串口通信原理97
5.1.1串行通信介紹97
5.1.2ESP32S3開發(fā)板串口介紹100
5.1.3MicroPython中串口UART類101
5.2UART串口輸出102
5.2.1DIY開發(fā)板硬件原理圖分析102
5.2.2UART串口初始化與輸出使用103
5.2.3Wokwi仿真串口輸出呼吸燈占空比案例103
5.2.4DIY開發(fā)板串口輸出呼吸燈占空比案例105
5.3UART串口輸入106
5.3.1input（）和print（）函數(shù)的使用106
5.3.2UART串口初始化與輸入使用107
5.3.3Wokwi仿真串口輸入控制流水燈頻率108
5.3.4DIY開發(fā)板串口輸入控制流水燈頻率111
實驗五串口實驗111
第6章ADC數(shù)據(jù)采集113
6.1ADC數(shù)據(jù)采集原理114
6.1.1什么是ADC114
6.1.2ESP32S3中ADC介紹115
6.1.3MicroPython中ADC類115
6.2ADC數(shù)據(jù)采集介紹116
6.2.1DIY開發(fā)板硬件原理圖分析116
6.2.2ADC初始化與使用116
6.2.3Wokwi仿真電位器電壓采集案例117
6.2.4DIY開發(fā)板電位器電壓采集案例118
實驗六ADC數(shù)據(jù)采集實驗119
第7章I2C通信120
7.1I2C通信介紹121
7.1.1什么是I2C通信121
7.1.2ESP32S3的I2C接口122
7.1.3MicroPython中I2C類122
7.2SSD1306 OLED顯示屏簡介124
7.2.1OLED顯示屏顯示原理124
7.2.2SSD1306驅動芯片的MicroPython驅動庫125
7.3OLED顯示英文與繪圖126
7.3.1DIY開發(fā)板OLED接口硬件原理圖分析126
7.3.2Wokwi仿真OLED顯示英文與繪圖126
7.3.3DIY開發(fā)板OLED顯示英文與繪圖128
7.4OLED顯示漢字與BMP圖片129
7.4.1漢字與BMP圖片的取模129
7.4.2Wokwi仿真OLED顯示漢字與BMP圖片135
7.4.3DIY開發(fā)板OLED顯示漢字與BMP圖片137
實驗七基于I2C接口的OLED顯示實驗137
第8章SPI通信138
8.1 SPI通信介紹139
8.1.1什么是SPI通信139
8.1.2ESP32S3的SPI接口140
8.1.3MicroPython中SPI類140
8.2ST7789 TFTLCD顯示屏簡介141
8.2.1TFTLCD屏幕顯示原理141
8.2.2ST7789驅動芯片的MicroPython驅動庫142
8.3TFTLCD顯示彩色BMP圖片144
8.3.1彩色BMP圖片顯示原理144
8.3.2DIY開發(fā)板TFTLCD接口硬件原理圖分析144
8.3.3DIY開發(fā)板TFTLCD顯示彩色圖片和繪制圖形145
8.4TFTLCD顯示英文與漢字147
8.4.1英文與漢字的取模147
8.4.2GB2312字符批量取模148
8.4.3DIY開發(fā)板TFTLCD顯示英文與漢字152
實驗八基于SPI接口的TFTLCD顯示實驗153
第9章WiFi無線網絡通信154
9.1WiFi無線通信介紹155
9.1.1WiFi與WLAN155
9.1.2ESP32的WiFi通信模塊155
9.1.3MicroPython中的WiFi通信相關類156
9.2ESP32的WiFi使用方法157
9.2.1熱點模式（AccessPointAP模式）使用方法157
9.2.2接入模式（StationSTA模式）使用方法158
9.2.3Wokwi仿真WiFi網絡通信（STA模式）159
9.3WiFi網絡校時案例160
9.3.1網絡校時協(xié)議介紹160
9.3.2DIY開發(fā)板通過WiFi進行網絡校時案例161
9.3.3Wokwi仿真WiFi網絡校時案例162
9.4WiFi網絡TCP數(shù)據(jù)通信案例162
9.4.1TCP通信介紹162
9.4.2DIY開發(fā)板通過WiFi進行TCP數(shù)據(jù)通信（TCP客戶端
模式）案例164
9.4.3DIY開發(fā)板通過WiFi進行TCP數(shù)據(jù)通信（TCP服務器
模式）案例165
實驗九WiFi通信實驗167
第10章藍牙通信168
10.1藍牙通信介紹169
10.1.1什么是藍牙通信169
10.1.2ESP32的藍牙通信模塊170
10.1.3MicroPython中的藍牙通信相關類171
10.2藍牙初始化與數(shù)據(jù)傳輸172
10.2.1MicroPython藍牙通信初始化172
10.2.2MicroPython藍牙通信數(shù)據(jù)傳輸173
10.3手機控制DIY開發(fā)板LED開關案例174
10.3.1手機藍牙助手App介紹174
10.3.2藍牙助手App控制DIY開發(fā)板LED開關案例174
實驗十藍牙通信實驗176
第11章創(chuàng)新項目設計177
11.1基于無源蜂鳴器的音樂播放器178
11.1.1無源蜂鳴器驅動原理178
11.1.2PWM驅動無源蜂鳴器工作案例178
11.1.3無源蜂鳴器演奏小星星180
11.2基于光敏電阻的自動亮度調節(jié)LED182
11.2.1光敏電阻工作原理182
11.2.2光敏電阻電壓數(shù)據(jù)采集案例182
11.2.3基于光敏電阻的自動亮度調節(jié)LED183
11.3基于紅外遙控器控制的LED184
11.3.1紅外數(shù)據(jù)傳輸原理184
11.3.2紅外遙控器數(shù)據(jù)采集案例185
11.3.3基于紅外遙控器控制的LED187
11.4基于滾珠開關的旋轉時鐘188
11.4.1滾珠開關工作原理188
11.4.2DIY開發(fā)板滾珠開關狀態(tài)采集案例189
11.4.3基于滾珠開關的TFTLCD旋轉時鐘191
11.4.4基于滾珠開關的OLED旋轉時鐘193
11.5基于DHT11的溫濕度采集與顯示195
11.5.1DHT11溫濕度傳感器工作原理195
11.5.2DHT11的溫濕度數(shù)據(jù)采集案例196
11.5.3基于DHT11的溫濕度采集與OLED顯示198
11.5.4基于DHT11的溫濕度采集與TFTLCD顯示200
11.6基于MQTT通信協(xié)議的遠程溫濕度檢測系統(tǒng)202
11.6.1MQTT通信協(xié)議簡介202
11.6.2MQTT數(shù)據(jù)發(fā)布與訂閱案例203
11.6.3PC端MQTT調試軟件MQTT.fx使用206
11.6.4手機端MQTT調試App軟件MQTT調試器使用208
11.6.5基于MQTT通信協(xié)議的遠程溫濕度檢測系統(tǒng)209
實驗十一溫濕度采集系統(tǒng)綜合案例實驗212
第12章PCB設計與制作213
12.1嘉立創(chuàng)EDA軟件介紹214
12.1.1軟件特點214
12.1.2PCB開發(fā)板設計的基本流程214
12.1.3新工程建立與保存215
12.2開發(fā)板原理圖設計216
12.2.1原理圖環(huán)境參數(shù)設置216
12.2.2器件的選擇217
12.2.3器件的連接218
12.2.4自定義器件的設計219
12.2.5注釋文字的添加219
12.2.6原理圖DRC檢查220
12.3開發(fā)板PCB圖設計220
12.3.1原理圖導入220
12.3.2放置板框221
12.3.3規(guī)則設置221
12.3.4圖層設置222
12.3.5自動布線 223
12.3.6PCB圖DRC檢查224
12.3.7手動布線224
12.3.8添加絲印225
12.3.9添加淚滴225
12.4PCB的制作226
12.4.1PCB在線下單流程226
12.4.2SMT（貼片器件焊接）在線下單流程227
12.4.3元件在線購買流程227
12.5開發(fā)板3D外殼設計與制作229
12.5.12D和3D預覽229
12.5.23D外殼設計基本流程229
12.5.33D外殼下單流程230
實驗十二溫濕度采集系統(tǒng)PCB制作實驗231
附錄232
附錄AESP32S3的MicroPython固件燒錄方法232
附錄BYDESP32S3核心板與DIY開發(fā)板原理圖234
附錄CDIY開發(fā)板引腳功能表235
參考文獻236

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