一、项目介绍

   在该项目中，我基于ESP32-S2模块，设计了一个可实现加热和温度采集系统：

   (1). IO扩展板上有一处加温电阻，通过电流给电阻加热，并通过温度传感器电阻温度的变化，将测量到的温度信息显示在LCD屏幕上，绘制一个1分钟的温升曲线。并且每隔1分钟改变加热电阻两端电压的占空比，重复温度测量和绘制的过程。

   (2). 扩展版上还有一个按键，按下按键时，可以将显示屏截屏并将图像发送至上位机。

   (3). 板上有一处RGB彩灯，当温度超过50°C时转为红色，低于20°C时转为蓝色，在20°C和50°C之间时为绿色。

   除此之外，我还基于ESP32-S2的一些特点，对部分功能进行了拓展：

   (1). 对于利用PWM调节加热电阻的发热功率，PWM的数值除了每分钟变更一次以外，我还加入了特定代码，允许通过按下开发板上的另一按键，直接手动变更PWM的数值。

   (2). 对于截屏，当ESP32-S2完成截屏，生成图像数据后，通过WIFI功能，利用udp协议将数据发送至上位机，而在上位机上也有一特定的程序，可以接收图像数据，并生成png格式的图像文件保存下来。

二、设计思路

1、硬件简介及设计思路

   该项目提供了一个ESP32-S2 WIFI开发板，一个IO拓展板，一个Type-C数据线，和两根杜邦线。其中，ESP32-S2 WIFI开发板有多个GPIO引脚，且支持包括micropython，arduino在内的多种开发方式。IO拓展板上有TFT显示屏，温度传感器，按钮等多个元件，将ESP32开发板插在IO拓展板上，即可通过ESP32开发板控制拓展板上的元件工作。Type-C数据线可用于ESP32开发板与上位机之间的交互。

   硬件部分的设计思路相对来说比较简单。直接将ESP32-S2 WIFI开发板插在IO拓展板上，并用杜邦线将控制拓展板电阻的V_HEAT引脚和与ESP32开发板相连的任一空闲的引脚连接即可。我这里选择的是CA-PWD引脚。即将拓展板上部一排引脚中的第2个引脚（CA-PWD），与拓展板左部的第4排，第2列的引脚（V_HEAT）连接即可。

图1：硬件连线方式

2、软件简介及设计思路

该系统可以用micropython开发，也可以用arduino开发。micropython开发的优点在于方便调试，缺点在于板子上运行程序的速度会较慢。arduino开发的优点在于板子上运行程序时速度较快，且相关的生态（例如教程，第三方库）比micropython会好一些，缺点在于调试较于micropython会更加困难。在实际开发中发现，如果使用micropython开发，显示屏的刷新会很迟钝，影响观感。所以我最后决定采用arduino开发。

软件的简要设计思路如下，具体设计代码的解析，详见：“四、代码解析”。

(1). 在arduino的“开发板管理器”中，安装好esp32相关的包。我安装的是“esp32 by EspressifSystems 版本2.0.2”这个包。

(2). 利用PWM控制电阻发热功率。利用arduino的Wire第三方库，通过温度传感器读取温度，并利用串口输出。

(3). 利用数组储存历史温度，安装TFT_eSPI第三方库，利用该库将温度曲线显示在拓展板的屏幕上。

(4). 利用WiFi第三方库，将拓展板的屏幕的图像发送到上位机。并在上位机上开发相应的软件程序，接收图像信息并保存。

(5). 完善其它的一些小细节。

三、系统框图和软件流程图

1、系统框图

该系统的简单框图如下。

图2：系统框图

在该系统中，ESP32-S2 MCU通过PWM控制电阻发热功率，从而间接控制温度变化。温度传感器将温度信息传回MCU，MCU再操纵TFT屏驱动模块，在屏幕上显示出温度曲线等信息，并生成图像数据，通过WIFI模块传至上位机，在上位机也有一专门的程序，接收图像信息并保存为png文件。

2、软件流程图

控制该系统工作的软件的流程图如下：

图3：流程图

对于流程图，有几点需要额外说明一下：

(1). 对于系统初始化中的“sprite对象初始化”，指的是利用TFT_eSPI库中的TFT_eSprite类，新建并初始化一个对象spr。在开发截屏功能时发现，无法正常地直接从TFT屏中读取像素信息。所以我另外维护了一个spr对象，每当需要在刷新屏幕图像时，先在spr对象中画好图像，再传至屏幕，这样在spr类中也保存了一份图像信息。而当需要读取图像信息时，则直接从spr中读取，这样即可解决问题

(2). 对于系统初始化中的“储存温度的数组初始化”，我在程序中维护一个长度为60的数组，用于储存一分钟内每秒的温度信息。程序启动时，数组内的所有元素设置为一个负数-200，然后在每秒1次的循环中，每次循环都利用温度传感器读取当前秒的温度，记录在数组中，并根据数组画出温度曲线。当1分钟结束后，数组内的所有元素都已记录有温度了。将数组所有元素重新变为-200，开始新一分钟的记录。

(3). 在循环中，我设置当按下按键时，LED会熄灭或者亮白灯，这主要是为了能给用户一个反馈，告诉用户MCU已经得知了用户的操作。

具体设计代码的分析，详见“四、代码解析”。

四、代码解析

在这一部分中，我会选择程序中几部分关键代码，讲述代码的含义。

1、温度数组

首先是储存温度的数组的初始化，一开始，我先初始化两个数组，数组x作为画图的横坐标，数组tlist储存温度，是画图的纵坐标。一开始把所有的元素设为-200，主要是为了便于画图时只显示记录到的温度信息（画图时不会把-200画出来）。

for (int i=0; i<60; i++){
  x[i] = i;
  tlist[i] = -200;
}

接下来，在每轮循环中，都需要更新一次图像。代码如下。首先需要将当前温度t放入tlist数组，我这里维护了一个变量current_idx，每个计时周期的一开始将其赋值为0，然后每次循环加一，在计时周期的最后，也就是current_idx为59时，清零。接下来清屏，然后在屏幕的右上角和右下角分别显示温度，PWM数值。遍历x和tlist数组，将x中的元素作为横坐标，tlist中的作为纵坐标，画出曲线。

void plotOnScreen(int t){
  tlist[current_idx] = t;
  current_idx++;
  spr.fillSprite(TFT_BLACK);  //清屏
  char str_tpr[7]; sprintf(str_tpr, "  t:%d\0", t);
  char str_pwm[7]; sprintf(str_pwm, "pwm:%d\0", pwm);
  spr.drawString(str_tpr, (int32_t)75, (int32_t)10, 4);  //右上角显示当前温度
  spr.drawString(str_pwm, (int32_t)85, (int32_t)105, 2);  //右下角显示当前pwm数值

  for (int i=0; i<60; i++){  //显示曲线
    spr.fillCircle(x[i],110-tlist[i],1,TFT_GREEN);  
  }
  spr.pushSprite(0,0);

}
  }
  spr.pushSprite(0,0);
}

最后，在每轮循环的末尾，都要检查一次current_idx是否为59，如果是，需要重置数组，并变更PWM数值。

if (tlist[59]!=-200) {  //当最后一格也被用完时，清空温度记录
  reset_record();
  change_PWM();
  current_idx = 0;
}

2、按键控制

在更新完屏幕后，需要检查是否有按键被按下，如果有，需要做出相应操作。开发板上有两个按键，一个是旋转编码器，一个是右侧的黑色小按钮。按下后，会使1号引脚A_Out的电压发生变化。之前在群里和群友聊天，以及查阅相关资料发现，按下按键后，A_Out的电压输出并不是一个恒定值，会呈一定规律变化。但是实际中发现，如果用analogRead读取该引脚电压，当按下旋转编码器时，返回值在6080左右；当按下黑色小按钮时，返回值在2200左右；而什么都不按时，返回值在7400左右。按照这样的规律即可判定按下的是哪个按键。虽然这样的做法不是很标准严谨，但是在我的设计中已经够用了。

此外，由于这里涉及到了按键操作，所以还应当引入防抖动的代码。但是实际发现即使不加防抖动，按下一次按键后对应功能也只是触发一次，程序运行正常。所以我也没有加上防抖动的功能。

int key = analogRead(KEY);
if (key<4000){
  digitalWrite(LED_R, 0);
  digitalWrite(LED_G, 0);
  digitalWrite(LED_B, 0);
  sendPic();
}
else if (key<6500){
  digitalWrite(LED_R, 1);
  digitalWrite(LED_G, 1);
  digitalWrite(LED_B, 1);
  change_PWM();
}

3、截屏

实现截屏的方法是这样：首先，利用sprite对象的readPixel方法，读取图像的所有像素点。然后，每读取一行，就打包，并通过WIFI向上位机传输。由于我这里用的是udp协议，不保证可靠交付，所以我这里刻意加上了延时，让相邻的两个数据包之间有一定的延时，方便上位机完整接收数据。

void sendPic(){
  for (int y=0; y<128; y++){
    udp.beginPacket(udpAddress,udpPort);
    for (int x=0; x<128; x++){
      uint16_t pixel = spr.readPixel(x,y);
      udp.printf("%d,", pixel);
    }        
    udp.endPacket();
    delay(10);
  }
}

3、变更PWM的值

这部分代码较简单；当需要变更PWM的值时，就检测一下当前PWM的值是多少，然后再选择合适的下一个值就行了（有点类似Verilog中的状态机的写法）。在我的程序中。我会在每个计时周期结束后，或者按下旋转编码器时，调用此函数。

void change_PWM(){
  switch (pwm) {
    case 16: pwm=64; break;
    case 64: pwm=96; break;
    case 96: pwm=16; break;
    default: pwm=16; break;      
  }
  analogWrite(PWM_OUT, pwm);
}

这里只展示了一部分代码，关于其它代码，详见我上传的源代码文件。

此外，我的代码还有一定的优化空间，不过当前版本的代码已经能很好地实现所需功能。

五、功能展示

如图，在开发板的屏幕上可以显示温度曲线等信息。当pwm值较小时，由于发热比不上散热，所以温度会下降，而当pwm较大时，温度会逐渐升高。

图4：屏幕显示温度曲线

另外，按下黑色按键后，开发板会截屏并将图像发送至上位机，这是我收到的一个图像：

图5：截屏

更详尽的功能展示，详见我上传的视频。

六、其它

1、遇到的困难

在完成这个项目时，我遇到了各种各样的困难，比如开发环境配置，传感器的使用等等，不过许多困难都被我缺失解决了。而令我印象最深刻的困难其实是截屏功能的实现。由于屏幕本身的不足，无法直接从屏幕中获取图像信息，所以需要另外维护一个sprite对象，在sprite上也保存一份图像信息，需要截屏时就直接从sprite上读取，以此可以很好的实现获得图像信息的功能。

2、可以改进的地方

这个项目中可以改进的地方有很多。比如，画图，截屏算法可以可以优化（不过个人感觉，就此任务而言，当前的版本的算法性能已足够优秀，再进行优化也不会带来更多使用上的便利）。画图时的界面设计可以更加美观；pwm数值的选择可以更多，如0~128的整数；可以加入恒温功能等。

3、总结与收获

在本项目中，我基于硬禾学堂提供的ESP32-S2 WIFI MCU以及拓展板，使用温度传感器，TFT屏等多个元件，实现了一个加热和温度采集系统。通过完成本次项目，我学习到了许多有关驱动程序，通信协议的知识，对嵌入式开发有了更加深入的了解。并且，我的实践能力得到了很大的提升与进步。