Skaldheim

ESP32多功能智能小车 (v2.0)

一个基于 ESP32 的多功能智能小车平台。version 2.0引入了重大的功能升级，集成了物联网(IoT)数据服务、多传感器融合、红外遥控以及实时音频分析功能，并通过一块ST7789彩色128*160LCD液晶屏提供生动丰富的图形用户界面(GUI)。本项目不仅是一个遥控小车，更是一个功能强大的嵌入式系统开发与学习平台。

✨ 核心特性 (Features)

智能避障系统:

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车身前后各集成一个HC-SR04超声波传感器。
实时监测前后方障碍物距离，在距离过近时自动制动，防止碰撞。
算法原理: 基于超声波测距的时间差(ToF)计算：

距离(cm) = \frac{声波往返时间(μs) \times 声速(340m/s)}{2 \times 10000}

距离(cm) = \frac{声波往返时间(μs)}{58}

cpp

    // 避障决策算法
    bool checkObstacle(const String& direction, float safeDistance) {
        if (direction == "forward" && frontDistance < safeDistance) {
          stopMotors();
          displayWarning("前方障碍物!");
          return false;
        } else if (direction == "backward" && rearDistance < safeDistance) {
          stopMotors();
          displayWarning("后方障碍物!");
          return false;
        }
        return true;
    }

IoT网络服务与信息中心:

开机自动连接Wi-Fi，通过NTP协议同步并显示网络时间。
自动调用天气API，获取并显示实时天气信息 (如：城市、天气、温度)。
算法原理: NTP时间同步采用客户端-服务器模型，计算时间偏移量：

Offset = \frac{(T_{2} - T_{1}) + (T_{3} - T_{4})}{2}

其中： $T_{1}$ =客户端发送时间， $T_{2}$ =服务器接收时间， $T_{3}$ =服务器发送时间， $T_{4}$ =客户端接收时间

cpp

// 网络数据获取流程
bool updateNetworkData() {
    if (!WiFi.isConnected()) {
      WiFi.begin(WIFI_SSID, WIFI_PASSWORD);
      
      // 等待连接建立，最多等待10秒
      uint8_t attempts = 0;
      while (WiFi.status() != WL_CONNECTED && attempts < 20) {
        delay(500);
        attempts++;
      }
      
      if (WiFi.status() != WL_CONNECTED) {
        return false;
      }
    }
    
    // 更新NTP时间
    struct tm timeinfo;
    configTime(GMT_OFFSET_SEC, DAYLIGHT_OFFSET_SEC, NTP_SERVER);
    if (!getLocalTime(&timeinfo)) {
      Serial.println("Failed to obtain time");
    }
    
    // 获取天气数据
    HTTPClient http;
    String url = "https://api.openweathermap.org/data/2.5/weather?id=" + 
             String(CITY_ID) + "&appid=" + API_KEY + "&units=metric";
    
    http.begin(url);
    int httpCode = http.GET();
    
    if (httpCode == HTTP_CODE_OK) {
      String payload = http.getString();
      
      // 使用ArduinoJson解析
      DynamicJsonDocument doc(1024);
      deserializeJson(doc, payload);
      
      // 提取所需数据
      weatherTemp = doc["main"]["temp"];
      weatherDesc = doc["weather"][0]["main"].as<String>();
      cityName = doc["name"].as<String>();
      
      return true;
    }
    
    http.end();
    return false;
}

全彩GUI仪表盘:

采用 ST7789 IPS LCD 彩色屏幕，提供美观、信息丰富的用户界面。
设计了专门的主界面用于集中显示时间、天气等信息。
算法原理: 采用双缓冲渲染技术减少屏幕闪烁：

cpp

// 屏幕渲染算法
void renderGUI(const DisplayData& data) {
    // TFT_eSPI库已内置硬件支持的双缓冲
    // 创建精灵(sprite)作为后台缓冲区
    TFT_eSprite backBuffer = TFT_eSprite(&tft);
    backBuffer.createSprite(SCREEN_WIDTH, SCREEN_HEIGHT);
    backBuffer.fillSprite(TFT_BLACK);
    
    // 在后台缓冲区绘制所有元素
    drawTimeWidget(&backBuffer, data.hour, data.minute, data.second);
    drawWeatherWidget(&backBuffer, data.cityName, data.weatherDesc, data.temperature);
    drawDistanceIndicators(&backBuffer, data.frontDistance, data.rearDistance);
    
    // 将整个后台缓冲区推送到屏幕
    backBuffer.pushSprite(0, 0);
    
    // 释放精灵内存
    backBuffer.deleteSprite();
}

多模态交互系统:

红外遥控: 支持标准红外遥控器进行精确的运动控制（前进、后退、左转、右转、停止）。
功能切换: 通过遥控器按键，可在不同的工作模式间无缝切换。
算法原理: NEC红外协议解码：

cpp

// 红外信号解码与命令映射
IRCommand decodeIRCommand() {
    // 使用IRremoteESP8266库进行解码
    if (irReceiver.decode(&irResults)) {
      uint32_t value = irResults.value;
      irReceiver.resume();  // 准备接收下一个值
      
      // 验证信号是否有效并映射到命令
      if (value != 0xFFFFFFFF) {  // 重复码
        switch (value) {
            case 0xFF629D: return IR_UP;     // 上键
            case 0xFFA857: return IR_DOWN;   // 下键
            case 0xFF22DD: return IR_LEFT;   // 左键
            case 0xFFC23D: return IR_RIGHT;  // 右键
            case 0xFF02FD: return IR_OK;     // OK键
            case 0xFF6897: return IR_1;      // 1键
            case 0xFF9867: return IR_3;      // 3键
            default:       return IR_NONE;
        }
      }
    }
    return IR_NONE;
}

// 运动控制状态机
void handleCommand(IRCommand command) {
    switch (command) {
      case IR_UP:
        if (checkObstacle("forward", SAFE_DISTANCE)) {
            moveForward(DEFAULT_SPEED);
        }
        break;
        
      case IR_DOWN:
        if (checkObstacle("backward", SAFE_DISTANCE)) {
            moveBackward(DEFAULT_SPEED);
        }
        break;
        
      case IR_LEFT:
        turn(LEFT, DEFAULT_TURN_ANGLE);
        break;
        
      case IR_RIGHT:
        turn(RIGHT, DEFAULT_TURN_ANGLE);
        break;
        
      case IR_OK:
        stopMotors();
        break;
        
      case IR_1:
        currentMode = MODE_OSCILLOSCOPE;
        break;
        
      case IR_3:
        currentMode = MODE_SPECTRUM;
        break;
    }
}

实时音频分析仪:

声音示波器模式: 按下遥控器 1 键，可将麦克风采集到的声音信号以时域波形的方式实时显示在屏幕上。
音频频谱仪模式: 按下遥控器 3 键，系统将对声音信号进行快速傅里叶变换(FFT)，并以频域图谱的形式显示出来，直观展现声音的频率成分。
算法原理: 基于Cooley-Tukey算法的FFT实现：

X (k) = \sum_{n = 0}^{N - 1} x (n) \cdot e^{- j 2 π k n / N}

cpp

// 音频分析流程
void processAudio(DisplayMode mode) {
    const uint16_t SAMPLES = 128;  // 采样点数，必须是2的幂
    double vReal[SAMPLES];         // 实部
    double vImag[SAMPLES];         // 虚部
    
    // 从麦克风采样 (使用ESP32的ADC)
    for (int i = 0; i < SAMPLES; i++) {
      vReal[i] = analogRead(MIC_PIN);
      vImag[i] = 0;
      delayMicroseconds(125);  // 约8KHz采样率
    }
    
    if (mode == MODE_OSCILLOSCOPE) {
      // 时域波形显示
      TFT_eSprite sprite = TFT_eSprite(&tft);
      sprite.createSprite(SCREEN_WIDTH, SCREEN_HEIGHT);
      sprite.fillSprite(TFT_BLACK);
      
      // 绘制坐标轴
      sprite.drawFastHLine(0, SCREEN_HEIGHT/2, SCREEN_WIDTH, TFT_DARKGREY);
      
      // 绘制波形 (归一化到屏幕高度)
      for (int i = 0; i < SAMPLES; i++) {
        int x = map(i, 0, SAMPLES-1, 0, SCREEN_WIDTH-1);
        int y = map(vReal[i], 0, 4095, SCREEN_HEIGHT-1, 0);
        
        if (i > 0) {
            int lastX = map(i-1, 0, SAMPLES-1, 0, SCREEN_WIDTH-1);
            int lastY = map(vReal[i-1], 0, 4095, SCREEN_HEIGHT-1, 0);
            sprite.drawLine(lastX, lastY, x, y, TFT_GREEN);
        }
      }
      
      sprite.pushSprite(0, 0);
      sprite.deleteSprite();
      
    } else if (mode == MODE_SPECTRUM) {
      // 创建FFT对象
      arduinoFFT FFT = arduinoFFT(vReal, vImag, SAMPLES, SAMPLE_RATE);
      
      // 应用汉宁窗减少频谱泄漏
      FFT.Windowing(FFT_WIN_TYP_HANNING, FFT_FORWARD);
      
      // 执行FFT
      FFT.Compute(FFT_FORWARD);
      
      // 计算幅度
      FFT.ComplexToMagnitude();
      
      // 绘制频谱
      TFT_eSprite sprite = TFT_eSprite(&tft);
      sprite.createSprite(SCREEN_WIDTH, SCREEN_HEIGHT);
      sprite.fillSprite(TFT_BLACK);
      
      // 频谱只使用前半部分(奈奎斯特定理)
      for (int i = 1; i < SAMPLES/2; i++) {
        // 应用对数刻度使其更符合人耳感知
        double value = log10(vReal[i]) * 20;  // dB刻度
        
        // 约束值到合理范围
        value = constrain(value, 0, 50);
        
        // 映射到显示高度
        int barHeight = map(value, 0, 50, 0, SCREEN_HEIGHT);
        
        // 确定条形图宽度和位置
        int barWidth = SCREEN_WIDTH / (SAMPLES/4);
        int x = i * barWidth;
        
        // 根据频率绘制不同颜色
        uint16_t color;
        if (i < 10) color = TFT_RED;        // 低频
        else if (i < 20) color = TFT_YELLOW; // 中低频
        else if (i < 30) color = TFT_GREEN;  // 中频
        else color = TFT_BLUE;               // 高频
        
        // 绘制频谱条
        sprite.fillRect(x, SCREEN_HEIGHT - barHeight, 
                    barWidth-1, barHeight, color);
      }
      
      sprite.pushSprite(0, 0);
      sprite.deleteSprite();
    }
}

🛠️ 硬件清单 (Hardware)

本项目的硬件选型综合考虑了性能、功耗、易用性和成本。所有组件都经过精心挑选，以确保它们能够协同工作，为上层软件功能的实现提供稳定可靠的物理基础。

组件（Component）	数量	角色与选型考量
ESP32开发板	1	项目大脑：选用ESP32是因为其强大的双核处理器、充足的RAM以及内置的Wi-Fi和蓝牙功能，能够轻松胜任多任务处理，包括网络通信、传感器数据融合和实时音频分析。
ST7789 IPS LCD	1	信息视窗：1.8英寸的IPS彩屏提供了鲜艳的色彩和宽广的可视角度，通过高速SPI接口与ESP32通信，足以流畅地显示GUI界面、实时数据和波形。
TB6612FNG电机驱动	1	动力核心：相较于传统的L298N，TB6612基于MOSFET技术，具有更高的效率、更低的功耗和发热量，且体积小巧。它能通过PWM信号精确控制两个直流电机的正反转和速度。
MG310直流减速电机	2	执行机构：这是一款带有减速齿轮箱的直流电机，能够在较低转速下提供足够大的扭矩，驱动小车平稳起步和运行。
MAX4466麦克风模块	1	听觉传感器：这是一款带运放的驻极体麦克风模块，专门为人声频段优化，并带有可调节增益的电位器。这对于精确采集环境声音，并为示波器和FFT分析提供高质量的模拟信号至关重要。
HC-SR04超声波传感器	2	距离感知：通过发射和接收超声波脉冲来计算与障碍物的距离（ToF）。在车头和车尾各安装一个，为小车的前进和后退提供双向的安全保障。
红外接收传感器	1	指令通道：用于接收标准红外遥控器的信号，实现对小车最直接、可靠的远程控制。

📦 软件与依赖 (Software & Dependencies)

本项目基于PlatformIO框架进行开发，推荐使用Visual Studio Code作为集成开发环境（IDE）。PlatformIO 提供了强大的项目管理、库依赖管理和调试功能，能够极大地提升开发效率。

项目的核心依赖库均在platformio.ini文件中进行声明，最新版本PlatformIO会在编译时自动下载并安装指定版本的库，确保了开发环境的一致性（以前的版本需要手动更新ini文件的库文件依赖）。

核心库详解

显示驱动 - bodmer/TFT_eSPI

描述: 一个功能极其强大且高度优化的TFT屏幕驱动库，广泛支持ST7789, ST7735, ILI9341等多种驱动芯片。
作用: 负责驱动本项目的ST7789全彩LCD屏幕，包括初始化、绘制图形、显示文本和图片等所有与显示相关的功能。

红外遥控 - crankyoldgit/IRremoteESP8266

描述: 这是目前针对ESP8266和ESP32平台最主流、最稳定的红外遥控解码库。它从原始的 IRremote 库发展而来，并针对乐鑫芯片做了大量优化。
作用: 用于接收并解码红外遥控器发送的信号，将不同的按键（如前进、后退、功能键等）转换为程序可以识别的指令。

音频FFT - kosme/arduinoFFT

描述: 一个轻量级、易于使用的快速傅里叶变换（FFT）库。
作用: 实现项目的核心功能之一“音频频谱仪”。它能够将麦克风采集到的时域声音信号，实时转换为频域数据，从而分析出声音包含的频率成分并将其可视化。

JSON解析 - bblanchon/ArduinoJson

描述: 这是嵌入式平台上处理JSON数据的标准库，以其高效的内存管理和简洁的API而著称。
作用: 用于解析从网络天气API获取的JSON格式响应。通过它，我们可以轻松提取出城市、天气、温度等关键信息。

内置框架库
网络相关: WiFi.h, HTTPClient.h 等库是 Espressif 32 开发平台（framework = arduino）自带的核心库，无需在 lib_deps 中额外声明。它们为ESP32提供了连接Wi-Fi、发起HTTP网络请求等基础能力。

🚀 系统工作流程 (System Workflow)

🚦 启动与初始化

系统上电，初始化所有硬件，包括 LCD 屏幕、电机和传感器。
LCD 显示启动动画。
ESP32 连接到预设的 Wi-Fi 网络。成功后，通过 NTP 服务获取并校准当前时间。
向天气 API 服务器发送请求，获取本地天气数据。

🖥️ 主界面循环

系统进入主界面，屏幕上循环显示时间、天气、前后障碍物距离等核心信息。
系统后台持续监听红外遥控器的信号。

🔄 模式切换与控制

运动控制：
- 当接收到 2（前）、4（左）、6（右）、8（后）指令时，系统在执行动作前会先检查对应方向的超声波传感器数据。
- 如果距离小于安全阈值（如 20cm），则忽略该指令并在屏幕上提示“前方/后方有障碍物”，否则驱动电机执行动作。
- 接收到 5 则立即停止。
示波器模式：
- 接收到 1 指令，程序切换到示波器界面，全速采集麦克风数据并绘制时域波形。
频谱仪模式：
- 接收到 3 指令，程序切换到频谱仪界面，对采集的声音数据进行 FFT 运算，并将结果用柱状图的形式绘制出来。
在任何子模式下，按 5 或其他指定按键可返回主界面。

📄 代码模块设计 (Code Architecture)

为了应对增长的复杂性，代码应被组织为多个逻辑模块：

`display_manager.h` / `.cpp`

负责所有与屏幕绘制相关的功能。
包含 drawHomepage()、drawOscilloscope()、drawSpectrum() 等函数。
管理字体、颜色、图标等 UI 资源。

`network_manager.h` / `.cpp`

处理 Wi-Fi 连接、NTP 时间同步和天气 API 的 HTTP 请求。
提供如 getTime()、getWeather() 等接口供主程序调用。

`ir_controller.h` / `.cpp`

初始化红外接收器，并提供一个非阻塞的函数 getCommand() 来获取解码后的遥控器按键值。

`motion_controller.h` / `.cpp`

封装电机控制的底层逻辑 setMotor(...)。
实现结合了避障逻辑的高级运动函数，如 moveForwardSafe()。

`sensor_hub.h` / `.cpp`

统一管理所有传感器的读数。
提供 getFrontDistance()、getRearDistance()、getAudioSample() 等接口。

`audio_analyzer.h` / `.cpp`

包含 FFT 计算的核心逻辑。
负责准备 FFT 的输入数据和处理输出数据，使其适合在屏幕上显示。

v1.0版本代码

# include <Arduino.h>


<NolebasePageProperties />




# include <Wire.h>
# include <Adafruit_GFX.h>
# include <Adafruit_SSD1306.h>

// 电机A（左轮）
# define PWMA  PA0
# define AIN1  PA1
# define AIN2  PA2
// 电机B（右轮）
# define PWMB  PA3
# define BIN1  PA4
# define BIN2  PA5
// 舵机
# define SERVO_PIN PB0
// OLED
# define SCREEN_WIDTH 128
# define SCREEN_HEIGHT 64
# define OLED_RESET    -1

Adafruit_SSD1306 display(SCREEN_WIDTH, SCREEN_HEIGHT, &Wire, OLED_RESET);

void setMotor(int pwmA, int dirA, int pwmB, int dirB) {
    // 左轮
    analogWrite(PWMA, abs(pwmA));
    digitalWrite(AIN1, dirA > 0 ? HIGH : LOW);
    digitalWrite(AIN2, dirA < 0 ? HIGH : LOW);
    // 右轮
    analogWrite(PWMB, abs(pwmB));
    digitalWrite(BIN1, dirB > 0 ? HIGH : LOW);
    digitalWrite(BIN2, dirB < 0 ? HIGH : LOW);
}

void setServoAngle(int angle) {
    int pulse = map(angle, 0, 180, 500, 2500);
    for (int i = 0; i < 50; i++) {
        digitalWrite(SERVO_PIN, HIGH);
        delayMicroseconds(pulse);
        digitalWrite(SERVO_PIN, LOW);
        delay(20 - pulse / 1000);
    }
}

void showStatus(const char* status) {
    display.clearDisplay();
    display.setTextSize(2);
    display.setTextColor(SSD1306_WHITE);
    display.setCursor(0, 0);
    display.println(status);
    display.display();
}

void setup() {
    pinMode(PWMA, OUTPUT); pinMode(AIN1, OUTPUT); pinMode(AIN2, OUTPUT);
    pinMode(PWMB, OUTPUT); pinMode(BIN1, OUTPUT); pinMode(BIN2, OUTPUT);
    pinMode(SERVO_PIN, OUTPUT);

    // OLED初始化
    Wire.begin();
    display.begin(SSD1306_SWITCHCAPVCC, 0x3C);
    display.clearDisplay();
    showStatus("STOP");
}

void loop() {
    // 前进
    setMotor(200, -1, 200, 1); // 左右轮正转
    setServoAngle(90);        // 舵机居中
    showStatus("FORWARD");
    delay(2000);

    // 左转
    setMotor(150, -1, 150, 1);
    setServoAngle(45);        // 舵机左转
    showStatus("LEFT");
    delay(2000);

    // 右转
    setMotor(150, -1, 150, 1);
    setServoAngle(135);       // 舵机右转
    showStatus("RIGHT");
    delay(2000);

    // 停止
    setMotor(0, 0, 0, 0);
    setServoAngle(90);
    showStatus("STOP");
    delay(2000);
}

更新日志

贡献者

Tuntun Yuchiha

文件历史

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STMduino Framework

Arduino

SMC

Literature review

Preparation

Research Question 01

Analysis of Variable Relationships

🌟 Astrophysics

​​School of Integrated Circuits

ESP32多功能智能小车 (v2.0) ​

✨ 核心特性 (Features) ​

🛠️ 硬件清单 (Hardware) ​

📦 软件与依赖 (Software & Dependencies) ​

核心库详解 ​

🚀 系统工作流程 (System Workflow) ​

🚦 启动与初始化 ​

🖥️ 主界面循环 ​

🔄 模式切换与控制 ​

📄 代码模块设计 (Code Architecture) ​

display_manager.h / .cpp ​

network_manager.h / .cpp ​

ir_controller.h / .cpp ​

motion_controller.h / .cpp ​

sensor_hub.h / .cpp ​

audio_analyzer.h / .cpp ​

v1.0版本代码 ​

更新日志 ​

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