摘要：本文设计并实现了一种基于ESP32-S3单片机的语音对话个人交互助手的开发板设计。该设计集成了AMS1117 3.3V电源模块、MAX98357A音频放大器模块、INMP441全向麦克风模块、PJ-342耳机、ML307R5V-4G模块、0.96寸电容显示屏，能够实现系统的电源连接、音频播放、语音采集、语音识别、有线耳机接入、联网智能回答以及屏幕交互功能。

关键词：ESP32-S3、开发板、AMS1117 3.3V电源、MAX98357A音频放大器、INMP441全向麦克风、0.96寸电容显示屏、语音识别、交互系统。

1.绪论

1.1国内外发展现状

基于乐鑫ESP32芯片的开源项目（如GitHub上的xiaozhi-esp32）显著降低了开发门槛，硬件成本可压至百元内，配套的语音交互库、3D打印外壳设计等资源通过B站、抖音等平台广泛传播，推动DIY文化普及。淘宝/拼多多等平台涌现模块化套件（如79元基础版），支持语音控制、多语言交互，并通过IP联名（如动漫角色）增强差异化。3. 用户共创与争议：开发者社区贡献功能扩展（如防诈骗方言模块），但开源商业化引发纠纷（如商标侵权诉讼），且硬件算力限制依赖云端服务。

1.2设计目的及意义

无线数据采集是现代信息通信研究的重要组成部分。[1]本设计的主要目标是设计一种基于ESP32-S3的陪伴交互系统的开发板。通过AMS1117 3.3V电源模块、MAX98357A

音频放大器模块、INMP441全向麦克风模块、PJ-342耳机、ML307R5V-4G模块、0.96寸电容显示屏，能够实现系统的电源连接、音频播放、无线语音采集、语音识别、有线耳机接入、联网智能回答以及屏幕交互功能。该开发板具有适用范围广泛、可拓展性强、结构简单等优点。

2.开发板总体设计

2.1开发板总体设计思路

该开发板中的电路部分包括彩屏母座电路、交互助手拓展接口电路、PJ-324耳机电路、圆形喇叭电路、S3拓展引脚电路、ML307R5V-4G模块电路、4G模块电源开关电路、拨轮开关三角电路、INMP441麦克风电路、电源总开关电路、充放电+升压模块电路、MAX98357A-I2S音频放大器电路、喇叭拔插式母座电路、喇叭备用焊点电路、电池备用焊点电路、5V备用焊点电路、0.96寸屏幕电路、ESP32-S3开发板。

基于ESP32-S3的陪伴交互系统的开发板，通过开发板的MAX98357 I2S音频放大器模块、INMP441全向麦克风模块和0.96寸屏幕，系统可以实现语音采集、音频播放、语音识别及文字交互功能。通过ESP32的Wi-Fi和蓝牙功能，并且可以与云端服务器进行数据交互，提供个性化的语音交互服务，为用户提供情绪价值和知道专业知识性问题。

2.2开发板的主要器件选择及作用

ESP32是乐鑫信息科技推出的物联网芯片，可作为独立系统通过SPI/SDIO或者I2C/UART接口来提供Wi-Fi和蓝牙功能，具有极佳的低功耗性能，使得其能够与可穿戴设备更加兼容。

1.ESP32-S3单片机：主控制器，负责数据处理和通信。

2.INMP441全向麦克风模块：用于语音采集。

3.MAX98357 I2S音频放大器模块：用于音频播放。

4.0.96英寸显示屏：用于显示交互的数据信息。

5.开发板4G模块电源开关电路：4G联网模块的开关

3.开发板设计原理

电路设计本文选择嘉立创电子设计自动化EDA平台。嘉立创EDA是一款国产的板级EDA设计软件，拥有标准版和专业版。它基于浏览器运行，无需安装软件，具有超过百万的在线免费元件库，并实时更新。

选择嘉立创EDA进行电路设计的优点包括：

（1）免费使用：可以免费使用该软件，降低设计成本。

（2）操作简便：界面设计友好，操作简单直观，初学者能快速上手。

（3）云平台优势：基于浏览器的云平台，打开网页即可使用，文件云端存储，方便随时随地修改、查看电路设计，且设计团队之间可以实时同步协作。

（4）功能集成：整合了立创商城和嘉立创元器件目录，能在设计过程中直接查看元器件的库存、价格等信息，方便选型和下单购买，缩短设计周期。

（5）电路仿真：集成了电路仿真功能，可模拟电路工作情况，快速验证设计的正确性，节省制作和测试原型的时间。

（6）一体化设计：将原理图和印刷电路板（Printed circuit Board，PCB）相结合，在原理图中可直接进行PCB的布局和布线，简化了设计流程并减少错误。

4.交互助手利用该开发板的系统调试

针对交互助手的硬件电路和软件程序进行了软硬件设计之后，需要对系统的整体功能进行测试，确定是功能是否符合课题的设计需求，并且测试过程中还能及时发现设计中的不足，并及时进行改善，从而完善系统的功能，实现对系统的整体设计目标。

4.1系统硬件调试

前文已详尽设计了系统的硬件部分，故首要任务是将实体组件的引脚依照电路原理图进行连接。外部电路可以通过跳线直接将相应的元件连接起来，遵循原理图完成整个硬件的搭接。依据电路图，本文设计的实物如图5所示。

在完成实物连接后，必须验证电路连接的准确性及正负极的对应性，以防芯片受损。硬件检测通常可采用直观检查或利用万用表测量电路的连通性。接下来，开启电源，检查 LED是否正常发光以及开发板是否正常工作。

4.2软件调试过程

首先，在Visul Studio Code软件中编译程序以生成“.bin”文件。接着，使用flash_download_tool_3.9.7烧录程序。下载步骤如下：在flash_download_tool软件中选择单片机型号，串口号，其他参数默认。点击“下载/编程”，然后按下开发板上的复位按钮，重新上电单片机，完成程序下载。下载完成后，会有提示信息出现。

完成程序下载之后，就可以对系统整体进行调试了，首先通过串口监视器查看采集到的数据，确保数据正常。使用逻辑分析仪检查I2S信号的波形，确保时序正确，将一段音频数据（如正弦波）通过I2S接口发送到MAX98357，检查扬声器是否正常播放。检查电源和地线连接是否正常。使用SPI库初始化OLED显示屏，采集用户的语音指令，并通过扬声器播放采集到的音频。

5.参考文献

[1]高培，何栋炜.基于ESP32的无线数据采集系统设计[J].佳木斯大学学报（自然科学版），2021，39（01）：134-139.

[2]印正誉，姚春羽，蔡仲言.一种基于ESP32的智能电表无线通信模块设计[J].数字技术与应用，2021，39（07）：16-18.

[3]段垚，王宇乐，孙宁，等.ESP32赋能的智慧城市随心控灯系统装置设计[J].福建电脑，2025，41（04）：63-68.