【ESP32-S3 从入门到精通-04】2026 最新串口通信与传感器数据采集实战（UART/I2C/SPI+DHT11+OLED）

关键字：ESP32-S3、ESP-IDF v5.5、UART 串口、I2C 总线、SPI 总线、DHT11 温湿度传感器、SSD1306 OLED 显示屏、物联网数据采集 摘要：本文系统讲解 ESP32-S3 最常用的三种串行通信接口 ——UART、I2C 与 SPI 的工作原理与 ESP-IDF v5.5 实现方法。通过四个循序渐进的实战项目，从基础的串口数据回显入手，逐步深入到 DHT11 温湿度传感器数据采集、SSD1306 OLED 显示屏驱动，最终实现 "传感器采集 + 本地显示 + 串口上传" 的完整物联网数据采集系统。文章最后附上10 + 常见问题解答和硬件接线避坑指南，确保初学者零失败完成所有实验。

写在前面

大家好，我是 EmbeddedCore。上一讲我们学习了 GPIO 与基础外设开发，掌握了 LED 控制、按键检测和 PWM 调光技术。从这一讲开始，我们将进入更精彩的通信与传感器世界。

在物联网项目中，数据采集是核心环节。我们需要通过各种通信接口连接传感器，获取环境数据，然后进行处理和传输。ESP32-S3 提供了丰富的通信外设，其中 UART、I2C 和 SPI 是最常用的三种，几乎所有的传感器和外设都通过这三种接口与 MCU 通信。

本讲将从原理讲起，通过完整可运行的代码，带你一步步掌握这三种通信接口的使用方法，并实现一个实用的温湿度数据采集系统。学完本讲，你将能够独立连接和驱动绝大多数常见的传感器和外设。

一、三大串行通信接口对比与选型

在开始学习之前，我们先来对比一下 UART、I2C 和 SPI 三种通信方式的优缺点和适用场景，帮助你在实际项目中做出正确的选择：

选型建议：

• 简单的点对点通信优先使用 UART
• 连接多个低速外设优先使用 I2C（布线简单）
• 高速数据传输优先使用 SPI

二、UART 串口通信详解

2.1 UART 基本原理

UART（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter，通用异步收发器）是一种异步串行通信协议。它不需要时钟信号，而是通过预先约定的波特率来同步数据传输。

UART 通信使用两条信号线：

• TX（Transmit）：发送数据线
• RX（Receive）：接收数据线

通信时，发送方将并行数据转换为串行数据，通过 TX 线发送；接收方通过 RX 线接收串行数据，然后转换为并行数据。

2.2 UART 核心参数配置

UART 通信需要双方约定相同的参数才能正常通信，核心参数包括：

• 波特率：每秒传输的比特数，常见值有 9600、115200、921600 等
• 数据位：每个数据帧包含的比特数，通常为 8 位
• 停止位：数据帧结束的标志，通常为 1 位
• 校验位：用于错误检测，通常不使用（无校验）

ESP32-S3 有 3 个 UART 控制器（UART0、UART1、UART2），其中 UART0 默认用于与电脑的串口通信（烧录和调试）。

2.3 UART 数据发送与接收

ESP-IDF 提供了简单易用的 UART 操作函数：

// 安装UART驱动
esp_err_t uart_driver_install(uart_port_t uart_num, int rx_buffer_size, int tx_buffer_size, int queue_size, QueueHandle_t *uart_queue, int intr_alloc_flags);

// 配置UART参数
esp_err_t uart_param_config(uart_port_t uart_num, const uart_config_t *uart_config);

// 设置UART引脚
esp_err_t uart_set_pin(uart_port_t uart_num, int tx_io_num, int rx_io_num, int rts_io_num, int cts_io_num);

// 发送数据
int uart_write_bytes(uart_port_t uart_num, const void *src, size_t size);

// 接收数据
int uart_read_bytes(uart_port_t uart_num, void *buf, size_t length, TickType_t ticks_to_wait);

2.4 实战项目 1：串口数据回显

串口数据回显是最基础的 UART 实验，功能是将电脑通过串口发送给 ESP32-S3 的数据原样返回。

完整代码：

#include <stdio.h>
#include "freertos/FreeRTOS.h"
#include "freertos/task.h"
#include "driver/uart.h"

#define UART_PORT UART_NUM_0
#define TX_PIN GPIO_NUM_43 // ESP32-S3默认UART0 TX引脚
#define RX_PIN GPIO_NUM_44 // ESP32-S3默认UART0 RX引脚
#define BUF_SIZE 1024

void uart_init(void)
{
// 配置UART参数
uart_config_t uart_config = {
.baud_rate = 115200,
.data_bits = UART_DATA_8_BITS,
.parity = UART_PARITY_DISABLE,
.stop_bits = UART_STOP_BITS_1,
.flow_ctrl = UART_HW_FLOWCTRL_DISABLE,
.source_clk = UART_SCLK_APB
};
uart_param_config(UART_PORT, &uart_config);

// 设置UART引脚
uart_set_pin(UART_PORT, TX_PIN, RX_PIN, UART_PIN_NO_CHANGE, UART_PIN_NO_CHANGE);

// 安装UART驱动
uart_driver_install(UART_PORT, BUF_SIZE, BUF_SIZE, 0, NULL, 0);
}

void app_main(void)
{
uart_init();

uint8_t data[BUF_SIZE];

while(1) {
// 读取串口数据
int len = uart_read_bytes(UART_PORT, data, BUF_SIZE – 1, pdMS_TO_TICKS(100));

if(len > 0) {
data[len] = '\\0';
printf("Received: %s", data);

// 将数据原样返回
uart_write_bytes(UART_PORT, data, len);
}
}
}

实验步骤：

三、I2C 总线通信详解

3.1 I2C 基本原理

I2C（Inter-Integrated Circuit，集成电路总线）是一种同步串行通信协议，由飞利浦公司发明。它使用两条信号线：

• SCL（Serial Clock）：时钟线，由主机提供
• SDA（Serial Data）：数据线，用于传输数据

I2C 总线支持多主机和多从机架构，每个从机都有一个唯一的 7 位地址。通信总是由主机发起，从机根据地址响应。

I2C 通信的基本流程：

3.2 ESP32-S3 I2C 控制器

ESP32-S3 有 2 个 I2C 控制器（I2C0 和 I2C1），都可以配置为主机或从机模式。作为主机时，最高支持 4MHz 的时钟频率。

3.3 I2C 数据读写操作

ESP-IDF 提供了两种 I2C 数据读写方式：

常用 I2C 函数：

// 配置I2C参数
esp_err_t i2c_param_config(i2c_port_t i2c_num, const i2c_config_t *i2c_conf);

// 安装I2C驱动
esp_err_t i2c_driver_install(i2c_port_t i2c_num, i2c_mode_t mode, size_t slv_rx_buf_len, size_t slv_tx_buf_len, int intr_alloc_flags);

// 写入数据到I2C从机
esp_err_t i2c_master_write_to_device(i2c_port_t i2c_num, uint8_t device_address, const uint8_t *write_buffer, size_t write_size, TickType_t ticks_to_wait);

// 从I2C从机读取数据
esp_err_t i2c_master_read_from_device(i2c_port_t i2c_num, uint8_t device_address, uint8_t *read_buffer, size_t read_size, TickType_t ticks_to_wait);

3.4 实战项目 2：SSD1306 OLED 显示屏驱动

SSD1306 是一款非常流行的 OLED 显示屏控制器，通常通过 I2C 接口与 MCU 通信。我们将使用 ESP32-S3 驱动一块 0.96 英寸 128×64 分辨率的 SSD1306 OLED 显示屏。

硬件接线：

完整代码： 首先创建ssd1306.h头文件：

#ifndef SSD1306_H
#define SSD1306_H

#include "driver/i2c.h"

#define SSD1306_I2C_ADDR 0x3C // OLED默认I2C地址
#define SSD1306_WIDTH 128
#define SSD1306_HEIGHT 64

void ssd1306_init(void);
void ssd1306_clear_screen(void);
void ssd1306_set_pixel(uint8_t x, uint8_t y, uint8_t color);
void ssd1306_set_string(uint8_t line, uint8_t col, const char *str);
void ssd1306_refresh(void);

#endif

然后创建ssd1306.c驱动文件：

#include "ssd1306.h"
#include "font.h" // 字库文件，文末提供下载

static uint8_t ssd1306_buffer[SSD1306_WIDTH * SSD1306_HEIGHT / 8];

static void ssd1306_write_cmd(uint8_t cmd)
{
uint8_t data[2] = {0x00, cmd};
i2c_master_write_to_device(I2C_NUM_0, SSD1306_I2C_ADDR, data, 2, pdMS_TO_TICKS(100));
}

static void ssd1306_write_data(uint8_t data)
{
uint8_t buf[2] = {0x40, data};
i2c_master_write_to_device(I2C_NUM_0, SSD1306_I2C_ADDR, buf, 2, pdMS_TO_TICKS(100));
}

void ssd1306_init(void)
{
// 初始化命令序列
ssd1306_write_cmd(0xAE); // 关闭显示
ssd1306_write_cmd(0xD5); // 设置时钟分频因子
ssd1306_write_cmd(0x80);
ssd1306_write_cmd(0xA8); // 设置驱动路数
ssd1306_write_cmd(0x3F);
ssd1306_write_cmd(0xD3); // 设置显示偏移
ssd1306_write_cmd(0x00);
ssd1306_write_cmd(0x40); // 设置显示开始行
ssd1306_write_cmd(0x8D); // 电荷泵设置
ssd1306_write_cmd(0x14);
ssd1306_write_cmd(0x20); // 设置内存地址模式
ssd1306_write_cmd(0x00);
ssd1306_write_cmd(0xA1); // 段重映射设置
ssd1306_write_cmd(0xC8); // COM扫描方向
ssd1306_write_cmd(0xDA); // 设置COM硬件引脚配置
ssd1306_write_cmd(0x12);
ssd1306_write_cmd(0x81); // 对比度设置
ssd1306_write_cmd(0xCF);
ssd1306_write_cmd(0xD9); // 设置预充电周期
ssd1306_write_cmd(0xF1);
ssd1306_write_cmd(0xDB); // 设置VCOMH取消选择级别
ssd1306_write_cmd(0x30);
ssd1306_write_cmd(0xA4); // 全局显示开启
ssd1306_write_cmd(0xA6); // 设置显示方式
ssd1306_write_cmd(0xAF); // 开启显示

ssd1306_clear_screen();
ssd1306_refresh();
}

void ssd1306_clear_screen(void)
{
for(int i = 0; i < sizeof(ssd1306_buffer); i++) {
ssd1306_buffer[i] = 0x00;
}
}

void ssd1306_set_pixel(uint8_t x, uint8_t y, uint8_t color)
{
if(x >= SSD1306_WIDTH || y >= SSD1306_HEIGHT) return;

if(color) {
ssd1306_buffer[x + (y / 8) * SSD1306_WIDTH] |= (1 << (y % 8));
} else {
ssd1306_buffer[x + (y / 8) * SSD1306_WIDTH] &= ~(1 << (y % 8));
}
}

void ssd1306_set_string(uint8_t line, uint8_t col, const char *str)
{
while(*str) {
for(int i = 0; i < 8; i++) {
uint8_t data = font8x8[*str – ' '][i];
for(int j = 0; j < 8; j++) {
ssd1306_set_pixel(col * 8 + j, line * 8 + i, (data >> j) & 0x01);
}
}
col++;
str++;
}
}

void ssd1306_refresh(void)
{
for(int i = 0; i < 8; i++) {
ssd1306_write_cmd(0xB0 + i); // 设置页地址
ssd1306_write_cmd(0x00); // 设置列地址低4位
ssd1306_write_cmd(0x10); // 设置列地址高4位

for(int j = 0; j < SSD1306_WIDTH; j++) {
ssd1306_write_data(ssd1306_buffer[i * SSD1306_WIDTH + j]);
}
}
}

最后是主程序main.c：

#include <stdio.h>
#include "freertos/FreeRTOS.h"
#include "freertos/task.h"
#include "driver/i2c.h"
#include "ssd1306.h"

#define I2C_MASTER_SCL_IO GPIO_NUM_8
#define I2C_MASTER_SDA_IO GPIO_NUM_9
#define I2C_MASTER_NUM I2C_NUM_0
#define I2C_MASTER_FREQ_HZ 100000

void i2c_master_init(void)
{
i2c_config_t conf = {
.mode = I2C_MODE_MASTER,
.sda_io_num = I2C_MASTER_SDA_IO,
.scl_io_num = I2C_MASTER_SCL_IO,
.sda_pullup_en = GPIO_PULLUP_ENABLE,
.scl_pullup_en = GPIO_PULLUP_ENABLE,
.master.clk_speed = I2C_MASTER_FREQ_HZ
};
i2c_param_config(I2C_MASTER_NUM, &conf);
i2c_driver_install(I2C_MASTER_NUM, conf.mode, 0, 0, 0);
}

void app_main(void)
{
i2c_master_init();
ssd1306_init();

ssd1306_clear_screen();
ssd1306_set_string(0, 0, "ESP32-S3 Demo");
ssd1306_set_string(2, 0, "I2C OLED Test");
ssd1306_set_string(4, 0, "Hello World!");
ssd1306_refresh();

while(1) {
vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(1000));
}
}

实验步骤：

四、DHT11 温湿度传感器数据采集

4.1 DHT11 传感器介绍

DHT11 是一款常用的温湿度传感器，它内部集成了一个电阻式感湿元件和一个 NTC 测温元件，并与一个 8 位单片机相连。DHT11 通过单总线协议与 MCU 通信，只需要一根数据线。

DHT11 的技术参数：

• 温度测量范围：0~50℃，精度 ±2℃
• 湿度测量范围：20%~90% RH，精度 ±5% RH
• 采样周期：1 秒

4.2 DHT11 通信协议

DHT11 使用单总线协议，通信流程如下：

4.3 实战项目 3：DHT11 温湿度数据采集

硬件接线：

完整代码：

#include <stdio.h>
#include "freertos/FreeRTOS.h"
#include "freertos/task.h"
#include "driver/gpio.h"
#include "rom/ets_sys.h"

#define DHT11_PIN GPIO_NUM_4

static void dht11_reset(void)
{
gpio_set_direction(DHT11_PIN, GPIO_MODE_OUTPUT);
gpio_set_level(DHT11_PIN, 0);
ets_delay_us(20000); // 拉低至少18ms
gpio_set_level(DHT11_PIN, 1);
ets_delay_us(30); // 拉高20~40us
}

static int dht11_check_response(void)
{
gpio_set_direction(DHT11_PIN, GPIO_MODE_INPUT);
int retry = 0;

while(gpio_get_level(DHT11_PIN) == 1 && retry < 100) {
retry++;
ets_delay_us(1);
}
if(retry >= 100) return -1;

retry = 0;
while(gpio_get_level(DHT11_PIN) == 0 && retry < 100) {
retry++;
ets_delay_us(1);
}
if(retry >= 100) return -1;

retry = 0;
while(gpio_get_level(DHT11_PIN) == 1 && retry < 100) {
retry++;
ets_delay_us(1);
}
if(retry >= 100) return -1;

return 0;
}

static uint8_t dht11_read_byte(void)
{
uint8_t data = 0;

for(int i = 0; i < 8; i++) {
while(gpio_get_level(DHT11_PIN) == 0);
ets_delay_us(40);

if(gpio_get_level(DHT11_PIN) == 1) {
data |= (1 << (7 – i));
}

while(gpio_get_level(DHT11_PIN) == 1);
}

return data;
}

int dht11_read_data(float *temperature, float *humidity)
{
uint8_t buf[5];

dht11_reset();
if(dht11_check_response() != 0) {
return -1;
}

for(int i = 0; i < 5; i++) {
buf[i] = dht11_read_byte();
}

if(buf[0] + buf[1] + buf[2] + buf[3] != buf[4]) {
return -1;
}

*humidity = buf[0] + buf[1] * 0.1;
*temperature = buf[2] + buf[3] * 0.1;

return 0;
}

void app_main(void)
{
gpio_reset_pin(DHT11_PIN);

float temperature, humidity;

while(1) {
if(dht11_read_data(&temperature, &humidity) == 0) {
printf("Temperature: %.1f C, Humidity: %.1f %%RH\\n", temperature, humidity);
} else {
printf("Failed to read DHT11 data\\n");
}

vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(2000)); // DHT11采样周期至少1秒
}
}

实验步骤：

五、综合实战：温湿度数据采集 + OLED 显示 + 串口上传

现在我们将前面三个实战项目结合起来，实现一个完整的温湿度数据采集系统：

完整代码

#include <stdio.h>
#include "freertos/FreeRTOS.h"
#include "freertos/task.h"
#include "driver/i2c.h"
#include "driver/gpio.h"
#include "rom/ets_sys.h"
#include "ssd1306.h"

#define I2C_MASTER_SCL_IO GPIO_NUM_8
#define I2C_MASTER_SDA_IO GPIO_NUM_9
#define I2C_MASTER_NUM I2C_NUM_0
#define I2C_MASTER_FREQ_HZ 100000

#define DHT11_PIN GPIO_NUM_4

void i2c_master_init(void)
{
i2c_config_t conf = {
.mode = I2C_MODE_MASTER,
.sda_io_num = I2C_MASTER_SDA_IO,
.scl_io_num = I2C_MASTER_SCL_IO,
.sda_pullup_en = GPIO_PULLUP_ENABLE,
.scl_pullup_en = GPIO_PULLUP_ENABLE,
.master.clk_speed = I2C_MASTER_FREQ_HZ
};
i2c_param_config(I2C_MASTER_NUM, &conf);
i2c_driver_install(I2C_MASTER_NUM, conf.mode, 0, 0, 0);
}

// DHT11驱动代码（同上，此处省略）
static void dht11_reset(void) { … }
static int dht11_check_response(void) { … }
static uint8_t dht11_read_byte(void) { … }
int dht11_read_data(float *temperature, float *humidity) { … }

void app_main(void)
{
i2c_master_init();
ssd1306_init();
gpio_reset_pin(DHT11_PIN);

float temperature, humidity;
char buf[32];

ssd1306_clear_screen();
ssd1306_set_string(0, 0, "ESP32-S3");
ssd1306_set_string(1, 0, "温湿度监测系统");
ssd1306_refresh();

vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(2000));

while(1) {
if(dht11_read_data(&temperature, &humidity) == 0) {
// 串口输出
printf("Temperature: %.1f C, Humidity: %.1f %%RH\\n", temperature, humidity);

// OLED显示
ssd1306_clear_screen();
ssd1306_set_string(0, 0, "温湿度监测");

sprintf(buf, "温度: %.1f C", temperature);
ssd1306_set_string(2, 0, buf);

sprintf(buf, "湿度: %.1f %%RH", humidity);
ssd1306_set_string(4, 0, buf);

ssd1306_refresh();
} else {
printf("Failed to read DHT11 data\\n");
ssd1306_clear_screen();
ssd1306_set_string(0, 0, "读取失败");
ssd1306_refresh();
}

vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(2000));
}
}

实验效果：

• OLED 显示屏上显示 "温湿度监测" 标题和实时的温度、湿度数据
• 串口监控中每隔 2 秒打印一次温湿度数据
• 用手握住 DHT11 传感器，你会看到温度和湿度数值发生变化

六、SPI 总线通信简介

SPI（Serial Peripheral Interface，串行外设接口）是一种高速同步串行通信协议，由摩托罗拉公司发明。它使用四条信号线：

• SCK（Serial Clock）：时钟线，由主机提供
• MOSI（Master Output, Slave Input）：主机输出 / 从机输入
• MISO（Master Input, Slave Output）：主机输入 / 从机输出
• CS（Chip Select）：片选线，用于选择从机

SPI 总线支持全双工通信，传输速度非常快，最高可达几十 Mbps。ESP32-S3 有 3 个 SPI 控制器（SPI0、SPI1、SPI2、SPI3），其中 SPI0 和 SPI1 用于连接内部 Flash 和 PSRAM，SPI2 和 SPI3 可以用于连接外部外设。

由于篇幅限制，本讲不详细讲解 SPI 的使用方法，我们将在后续讲解 LCD 显示屏和 SD 卡时再深入介绍。

七、常见问题解答与避坑指南

7.1 串口乱码怎么办？

解决方案：

7.2 I2C 通信失败怎么办？

解决方案：

7.3 OLED 不显示怎么办？

解决方案：

7.4 DHT11 数据读取失败怎么办？

解决方案：

7.5 如何查找 I2C 设备地址？

解决方案：使用以下 I2C 扫描程序：

void i2c_scan(void)
{
printf("Scanning I2C bus…\\n");

for(uint8_t addr = 1; addr < 127; addr++) {
esp_err_t ret = i2c_master_write_to_device(I2C_NUM_0, addr, NULL, 0, pdMS_TO_TICKS(100));
if(ret == ESP_OK) {
printf("I2C device found at address 0x%02X\\n", addr);
}
}

printf("Scan complete\\n");
}

八、课后作业

九、下期预告

第 5 讲将深入学习FreeRTOS 实时操作系统，这是 ESP-IDF 的核心。我们将详细讲解任务创建与管理、消息队列、信号量、互斥锁等核心概念，并通过实战项目演示如何使用 FreeRTOS 实现多任务并发处理，让你的 ESP32-S3 项目更加高效和稳定。

写在最后

串口通信和传感器数据采集是物联网开发的基础技能，几乎所有的物联网项目都会用到。希望通过本讲的学习，你能够熟练掌握 UART、I2C 和 SPI 三种通信接口的使用方法，并能够独立连接和驱动常见的传感器和外设。

本讲用到的font.h字库文件和完整工程代码，我已经上传到了我的 GitHub 仓库，大家可以在评论区留言获取。如果你在学习过程中遇到任何问题，欢迎在评论区留言讨论。

点赞收藏不迷路，关注我，带你从零基础成为 ESP32-S3 开发高手！