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做保龄球计分这类互动硬件时，最容易被低估的往往不是代码，而是“规则、传感器和状态机”三者怎么咬合的问题。ESP32 上能跑的计分方案很多，但真正把球瓶检测、补投规则、LED 反馈、手机控制串成一套完整系统的教程很少。这篇文章围绕一个 ESP32 保龄球计分系统展开，从硬件选型、环境搭建、计分算法、传感器采集到无线控制扩展，把完整技术方案拆开讲清楚，适合正在做 ESP32 项目、想从点灯进阶到完整交互系统的开发者参考。

1. ESP32 保龄球系统概述与整体架构

1.1 这个项目到底做什么

一个 ESP32 保龄球系统，本质上是把传统的保龄球记分流程自动化。传统场景里，玩家掷球、球瓶倒下、人工计分、重新摆瓶，整个过程依赖人眼判断。而 ESP32 方案要完成的工作包括：

• 检测球是否已经滚出，触发一轮计分流程；
• 识别 10 个球瓶当前是站立还是倒下；
• 根据保龄球官方计分规则计算当前得分；
• 通过灯带、OLED 屏幕或手机 App 实时展示分数；
• 在每一轮结束后提醒玩家复位球瓶，并开启下一轮。

这类系统的应用场景很多，比如桌面迷你保龄球台、商场互动游戏设备、创客教育项目，甚至可以作为体育训练时的辅助计分设备。相比使用摄像头做视觉识别，传感器方案的成本更低、实时性更好，也更适合从 Arduino 或 ESP32 入门的新手学习和二次开发。

1.2 系统整体架构

整个系统可以分成三层来看：

这里的关键设计思路是：不要把 10 个球瓶传感器直接接到 ESP32 的 GPIO 上。ESP32 虽然有较多引脚，但接 10 路传感器后可用引脚已经很紧张，而且后续还要接灯带、蜂鸣器、按键、无线模块。更好的做法是使用 MCP23017 这类 I2C I/O 扩展芯片，用两根线扩展出 16 路数字输入，只占用 ESP32 的 SDA 和 SCL。

1.3 为什么选 ESP32 而不是 Arduino Uno 或树莓派

相比 Arduino Uno，ESP32 的优势非常明显：主频更高、内存更大、自带 WiFi 和蓝牙，可以方便地实现手机控制、局域网数据上报。相比树莓派，ESP32 成本更低、启动更快、没有操作系统负担，适合做这种“传感器采集 + 简单展示”的嵌入式系统。另外，ESP32 开发板型号很多，比如常见的 ESP32 Dev Kit、ESP32-S2、ESP32-S3，一般的计分系统使用双核 ESP32 就完全足够。

2. 硬件选型与接线方案

2.1 完整硬件清单

下面是一套完整的硬件清单，按功能模块分组：

如果暂时没有 MCP23017，也可以用 CD74HC4067 模拟开关多路复用器，4 个选择引脚加 1 个信号引脚就能读 16 路开关，但代码上需要用查表方式切换通道，比 MCP23017 稍微麻烦一些。

2.2 引脚分配参考

不同 ESP32 开发板的引脚布局有差异，以下是一份经过验证的参考分配方案，实际制作时需要根据开发板丝印调整：

MCP23017 的 A0、A1、A2 地址引脚全部接 GND，I2C 地址为 0x20。球瓶倾斜开关接入 MCP23017 的 GPA0 到 GPA7，以及 GPB0 和 GPB1，正好对应通道 0 到 9。

2.3 接线与供电注意事项

接线时需要注意以下几点：

电源不要走杜邦线串联到底。ESP32、灯带、传感器如果全部从一个 USB 口取电，灯带全亮时电流很容易超过 500mA，导致电压跌落、传感器误判。推荐使用 5V 2A 电源，灯带单独供电，ESP32 和传感器共用一组电源，并且所有模块共地。

倾斜开关需要上拉。SW-520D 这类机械式倾斜开关相当于一个开关量输出，悬空时电平不稳定。MCP23017 内部有可配置的上拉电阻，初始化时通过pullUp()开启即可，不需要每个引脚外接上拉电阻。

红外避障传感器要调节灵敏度。模块上通常有一个蓝色电位器，用来调节检测距离。球从传感器前方经过时输出低电平，如果检测距离太近或者太远，会导致触发失败。

3. 开发环境搭建：Arduino IDE + ESP32

3.1 Arduino IDE 安装 ESP32 支持

Arduino IDE 默认不包含 ESP32 开发板，需要先在“开发板管理器”中安装支持包。

打开 Arduino IDE，进入“文件 -> 首选项”，在“附加开发板管理器网址”中添加：

https://raw.githubusercontent.com/espressif/arduino-esp32/gh-pages/package_esp32_index.json

然后进入“工具 -> 开发板 -> 开发板管理器”，搜索esp32，选择 Espressif Systems 官方提供的esp32包并安装。如果在线下载较慢或失败，可以先把官方打包好的离线安装包下载到本地，解压或放到 Arduino15 对应目录后重新打开 IDE，也能完成安装。

3.2 选择开发板与烧录设置

安装完成后，在“工具 -> 开发板 -> ESP32 Arduino”中选择ESP32 Dev Module。串口选择实际识别的 COM 口或/dev/ttyUSB0。上传速度建议设置为921600，如果烧录不稳定可以降到115200。

如果开发板无法识别，通常是因为 USB 转串口芯片驱动没有安装。使用 CH340 芯片的开发板需要安装 CH340 驱动，使用 CP2102 芯片的则安装 CP210x 驱动。

烧录失败时，可以按住开发板上的 BOOT 按键不放，点击“上传”，等待出现Connecting...提示后再松开 BOOT。ESP32 烧录后出现无法烧录的情况，多数也是这个问题。

3.3 项目所需 Arduino 库

本系统需要安装以下第三方库：

库管理器搜索时要注意，Adafruit 的 MCP23017 库和 Adafruit SSD1306 库都依赖 Adafruit GFX，后者会作为依赖自动安装。

4. 保龄球计分规则与程序设计

4.1 规则梳理

保龄球标准计分规则有一些容易混淆的地方，先把它整理清楚：

• 一局共 10 轮。
• 前 9 轮每轮最多投两次球，第 10 轮比较特殊。
• 如果第一球就打倒全部 10 个球瓶，称为全中，这一轮立即结束，不需要投第二球。
• 如果两球打倒全部球瓶，称为补中。
• 全中的作用是“本次 10 分 + 之后两次投球的被击倒数”。
• 补中的作用是“本次 10 分 + 之后一次投球的被击倒数”。
• 第 10 轮如果投出全中或补中，还可以额外追加投球，最多允许三球。

写计分代码时，最容易出错的就是“当前这一轮还没结束，不能把奖励分算进去”。所以计分函数不能只累加当前数据，必须判断后续投球数据是否已经产生。

4.2 计分引擎设计

把计分逻辑独立成一个函数，输入是每次投球击倒的球瓶数数组，输出是某一轮结束后的累计分数。设计如下：

int computeScoreAt(const int rolls[], int rollCount, int frame) { int score = 0; int roll = 0; for (int f = 0; f < frame; f++) { if (roll + 1 >= rollCount) break; // 数据不足，无法结算 if (rolls[roll] == 10) { // 全中：必须等后面两次投球数据才能累计 if (roll + 2 < rollCount) { score += 10 + rolls[roll + 1] + rolls[roll + 2]; } roll++; } else if (rolls[roll] + rolls[roll + 1] == 10) { // 补中：必须等后面一次投球数据才能累计 if (roll + 2 < rollCount) { score += 10 + rolls[roll + 2]; } roll += 2; } else { score += rolls[roll] + rolls[roll + 1]; roll += 2; } } return score; }

rolls数组按顺序保存每一次实际投球的击倒数。比如玩家第 1 轮投出全中，rolls[0] = 10，此时rollCount只有 1，computeScoreAt(..., 1)会因为数据不足而返回 0。等第 2 轮第一球结束后rollCount变为 2，仍然无法补采第 3 个数据，直到第 2 轮第二球结束，rollCount变为 3，第 1 轮分数才能结算为10 + rolls[1] + rolls[2]。

4.3 主循环状态机设计

系统的主循环不能简单地“一检测到球就立即读传感器”。球滚动、碰撞、球瓶摇晃都需要时间，所以这里使用状态机把流程拆开：

这个状态机的好处是把“检测事件”和“处理结果”解耦。如果