ESP32 跑道进近灯摆件

wuhanqing 发布于 2026-02-25 56 次阅读

ESP32 跑道进近灯摆件

本项目是一款高度还原 民航跑道进近灯光系统 的桌面智能摆件。它融合了 ESP32 微控制器 与 硬逻辑时序电路（NE556+CD4017），在实现拟真视觉效果的同时，能够实时抓取并显示全球机场的 METAR 与 TAF 气象报文。

1. 摘要

本项目旨在设计并实现一个兼具装饰性与功能性的航空主题摆件。硬件层面，通过两层 PCB 堆叠结构，利用 NE556 双定时器和 CD4017 计数器实现了 20 路流水灯（跑兔灯）与 48 路常亮灯的混合驱动，并支持亮度和闪烁频率的硬件调节。软件层面，基于 MicroPython 开发，利用 ESP32 的 WiFi 能力实现 Web 配网与航空气象数据（METAR/TAF）的实时爬取。该项目不仅复现了机场跑道端的视觉美感，也为航空爱好者提供了一个实用的气象监控终端。

2. 功能特性

  • 仿真灯效：包含 20 盏流水引导灯（模拟顺序闪烁灯）及 48 盏常亮进近灯。
  • 硬件交互：
    • 左旋钮：总电源开关及全局灯光亮度调节（PWM 调光）。
    • 右旋钮：流水灯流动速度调节（频率调谐）。
    • 底板按键：一键进入 WiFi 配网及 ICAO 代码配置模式。
  • 智能信息显示：0.96 寸 OLED 屏幕循环显示指定机场的原始 METAR 与 TAF 报文（5秒间隔）。
  • 便捷配网：支持热点（AP）配网，内置 Web 配置页面与二维码快速访问。
  • 物理设计：双层 PCB 结构（100mm x 80mm），正面集成机场平面图与无线电频率表（TWR, GND, APP等）。

3. 项目图片

3.1 实物图

3.2 电路图

3.2.1 底板电路图

3.2.2 顶板电路图

3.3 2D预览图

3.3.1 底板2D预览图

3.3.2 顶板2D预览图

3.4 电路原理图

4. 使用方法与操作说明

4.1 初始启动

  1. 供电：使用 Type-C 数据线连接底板左上方的接口（建议 5V/1A 及以上电源）。
  2. 开机：顺时针旋转左侧旋钮，红色电源指示灯亮起，灯组进入初始工作状态。
  3. 调节：
    • 旋转左旋钮调整全局亮度。
    • 旋转右旋钮改变跑道灯的闪烁流动速度。

4.2 配网与设置

若屏幕提示未连接或需要更改机场：

  1. 进入模式：长按底板右下方的轻触按键。
  2. 扫码连接：屏幕显示二维码及 IP 192.168.4.1。
  3. 操作：手机连接 WiFi METAR_Config，扫码或在浏览器手动输入 IP 进入配置页面。
  4. 提交：输入 WiFi SSID、密码及目标机场 ICAO 四字代码（如沈阳桃仙 ZYTX），点击 Save。设备将自动重启并开始爬取气象数据。

5. 系统设计原理

5.1 硬件电路设计

系统采用“硬逻辑控制灯效，微处理器处理数据”的分工模式：

  • 核心逻辑 (NE556 + CD4017)：
    • NE556 (Unit A)：输出 1kHz 占空比可变波形，作为 PWM 调光信号 接入 LED 阳极。
    • NE556 (Unit B)：输出 3-100Hz 可变频率方波，作为 时钟信号 输入 CD4017。
    • CD4017：十位计数器，其输出端 Q0-Q9 通过 10 组 MOSFET 驱动 20 盏流水灯（两两并联）。
  • 视觉仿真算法：流水灯栅极（G）受 CD4017 时序控制，阳极受 PWM 调光控制。由于 PWM 频率（1kHz）远高于时序切换频率，实现了调速与调光效果的解耦叠加。

5.2 软件逻辑架构

  • 语言环境：MicroPython (using Thonny)。
  • 数据采集：通过 urequests 模块定期向航空气象 API 发起请求，获取指定 ICAO 代码的 JSON 数据，并解析出 rawOb (METAR) 和 rawTAF (TAF) 字符串。
  • 显示控制：使用 ssd1306 驱动控制 OLED，通过字符切分算法实现长报文的分行显示与自动滚动切换。

6. 硬件清单 (BOM)

（详见本文件夹下的 BOM_TOTAL_PCB.xlsx 文档。）

7. 开源复刻注意事项

为保证本项目顺利复刻，请务必关注以下工程细节：

7.1 硬件与焊接要点

  • EDA 平台：本项目基于 嘉立创EDA (专业版)。源文件为 ProPrj_Runway_Approach_Light_2026-02-24.epro2。
  • 引脚对齐：务必使用 38 引脚版本 的 ESP32 开发板（每侧 19 Pin），避免尺寸不兼容。
  • 焊接工艺：底板逻辑芯片（NE556/CD4017）需严防连焊。MOSFET 驱动管对温度极其敏感（耐温约 170℃），务必最后焊接，建议使用低温焊锡，单次焊接时间不宜超过 3 秒，避免热量堆积造成管子击穿或热损毁。

7.2 工具链与资源存放

本项目所需的所有配套软件及固件均已存放在目录下的 tools 文件夹中，结构如下：

tools/
├── 1-Thonny开发软件
├── 2-开发板CH340驱动
├── 3-ESP32-FLASH固件下载工具
└── 4-ESP32-MicroPython固件
    ├── esp32-20220618-v1.19.1.bin (推荐)
    ├── ESP32_GENERIC-20240602-v1.23.0.bin
    └── ESP32_GENERIC-20250415-v1.25.0.bin

固件说明：虽然准备了多个版本，但为保证兼容性与稳定性，强烈推荐烧录 v1.19.1 版本。

7.3 核心开发步骤

  1. 硬件自检：焊接完成后首先进行上电测试，确认流水灯与常亮灯组硬件逻辑运行正常。
  2. 驱动安装：给电脑安装 tools/2-开发板CH340驱动，确保设备能被识别。
  3. 固件烧录：使用 tools/3-ESP32-FLASH固件下载工具 将推荐版本的 MicroPython 固件 烧写进 ESP32。
  4. 环境配置：安装并打开 Thonny 软件，解释器选择 ESP32。配置细节可参考 Bilibili “普中 ESP32 教程” 等相关视频。
  5. 代码部署：通过 Thonny 连接开发板，将项目源文件 METAR.py 上传并运行。
  6. 最终装配：确认软件运行无误后，将 ESP32 插入底板排母，完成整机组装并上电测试。

8. 参考文献与技术标准

8.1 国际标准与行业规范

  • 文献名称：WMO-No.306_Vol_I.1_Manual_on_Codes.pdf
    • 出版单位：World Meteorological Organization (WMO)
    • 核心关联：本项目 METAR/TAF 报文解析逻辑严格遵循该手册中 FM 15 (METAR) 与 FM 51 (TAF) 的字段定义与编码规则。
  • 文献名称：ICAO_Annex_14_Vol_I_Aerodrome_Design_and_Operations.pdf
    • 出版单位：International Civil Aviation Organization (ICAO)
    • 核心关联：本项目灯光排布及流水灯（Sequenced Flashing Lights）的时序要求参考了该标准 Chapter 5.3.4 关于进近灯光系统的相关规定。

8.2 关键元器件规格书

  • 文献名称：C7434190_555定时器-计时器NE556DR-MS规格书_WJ411490.pdf
    • 生产厂家：MSKSEMI (美森科)
    • 核心关联：用于设计双路 555 时基电路，实现系统调光 PWM 波形产生及 CD4017 时钟脉冲控制。
  • 文献名称：C7473153_计数器-分频器CD4017BM-MS规格书_WJ411742.pdf
    • 生产厂家：MSKSEMI (美森科)
    • 核心关联：用于实现 20 路跑道顺序闪烁灯（跑兔灯）的译码计数逻辑与硬件移位驱动。

9. 关于作者与技术支持

如果你在复刻过程中遇到技术难题，或者对本项目有改进建议，欢迎通过以下方式联系我：

9.1 作者信息

9.2 技术交流群

  • QQ群：1087242118（入群请备注：进近灯）

9.3 项目演示视频

https://www.bilibili.com/video/BV1fFtZz1Eyx

此作者没有提供个人介绍。
最后更新于 2026-02-25