跳到主要内容

模拟 I/O

模拟输入输出让 Arduino 能够处理连续变化的信号，如读取传感器数值或控制 LED 亮度。本章将详细介绍模拟 I/O 的原理和应用。

模拟 vs 数字​

数字信号​

  • 只有两种状态：高电平（5V）或低电平（0V）
  • 用于开关控制、数字通信
  • 抗干扰能力强

模拟信号​

  • 可以在 0V 到 5V 之间连续变化
  • 用于传感器读取、精细控制
  • 更接近自然界的物理量
数字信号：    模拟信号：
    │    ┌──┐      │    ╭─╮
5V ─┤    │  │   5V ─┤   ╱   ╲
    │    │  │      │  ╱     ╲
0V ─┴────┘  └──  0V ─┴─╱       ╲──
    0  1  0  1      连续变化

模拟输入​

Arduino Uno 有 6 个模拟输入引脚（A0-A5），使用 10 位 ADC（模数转换器），可以将 0-5V 电压转换为 0-1023 的数值。

analogRead() 函数​

读取模拟引脚的电压值：

int value = analogRead(pin);
  • pin：模拟引脚编号（A0-A5，也可以直接用数字 0-5）
  • 返回值：0-1023（对应 0V-5V）

电压换算公式：

电压 = (返回值 / 1023) × 5V

读取电位器​

电位器（可变电阻）是最基础的模拟输入器件：

硬件连接：

电位器引脚 1 ── 5V
电位器引脚 2 ── A0（中间引脚，信号输出）
电位器引脚 3 ── GND

代码：

const int POT_PIN = A0;

void setup() {
  Serial.begin(9600);
}

void loop() {
  int rawValue = analogRead(POT_PIN);
  float voltage = rawValue * (5.0 / 1023.0);
  
  Serial.print("原始值: ");
  Serial.print(rawValue);
  Serial.print(" | 电压: ");
  Serial.print(voltage);
  Serial.println(" V");
  
  delay(100);
}

光敏电阻读取光线​

光敏电阻（LDR）的阻值随光线强度变化：

硬件连接：

5V ── LDR ── A0 ── 10kΩ 电阻 ── GND

代码：

const int LDR_PIN = A0;

void setup() {
  Serial.begin(9600);
}

void loop() {
  int lightValue = analogRead(LDR_PIN);
  
  // 将读数映射为亮度等级
  int brightnessLevel = map(lightValue, 0, 1023, 0, 100);
  
  Serial.print("光线强度: ");
  Serial.print(brightnessLevel);
  Serial.println("%");
  
  delay(500);
}

读取温度传感器（LM35）​

LM35 温度传感器输出电压与温度成正比（10mV/°C）：

硬件连接：

LM35 VCC ── 5V
LM35 OUT ── A0
LM35 GND ── GND

代码：

const int TEMP_PIN = A0;

void setup() {
  Serial.begin(9600);
}

void loop() {
  int reading = analogRead(TEMP_PIN);
  
  // 转换为电压
  float voltage = reading * 5.0 / 1023.0;
  
  // LM35: 10mV = 1°C
  float temperature = voltage * 100;
  
  Serial.print("温度: ");
  Serial.print(temperature);
  Serial.println(" °C");
  
  delay(1000);
}

模拟输出（PWM）​

Arduino 使用 PWM（脉冲宽度调制）模拟模拟输出。通过快速切换高低电平，改变平均电压。

PWM 原理​

占空比 25%:     占空比 50%:     占空比 75%:
┌┐              ┌──┐            ┌───┐
││              │  │            │   │
│└────────      │  └────        │   └──
│               │               │
└───────────    └───────────    └────────
低亮度          中亮度          高亮度

analogWrite() 函数​

输出 PWM 信号：

analogWrite(pin, value);
  • pin：PWM 引脚（D3、D5、D6、D9、D10、D11）
  • value：0-255（0 表示完全关闭，255 表示完全开启）

LED 亮度控制​

硬件连接：

Arduino D9 (PWM) ── LED 正极
                        └── 220Ω 电阻 ── GND

代码：

const int LED_PIN = 9;

void setup() {
  // PWM 引脚不需要 pinMode 设置
}

void loop() {
  // 渐亮
  for (int i = 0; i <= 255; i++) {
    analogWrite(LED_PIN, i);
    delay(10);
  }
  
  // 渐暗
  for (int i = 255; i >= 0; i--) {
    analogWrite(LED_PIN, i);
    delay(10);
  }
}

电位器控制 LED 亮度​

结合模拟输入和 PWM 输出：

const int POT_PIN = A0;
const int LED_PIN = 9;

void setup() {
  Serial.begin(9600);
}

void loop() {
  // 读取电位器值（0-1023）
  int potValue = analogRead(POT_PIN);
  
  // 映射到 PWM 范围（0-255）
  int brightness = map(potValue, 0, 1023, 0, 255);
  
  // 设置 LED 亮度
  analogWrite(LED_PIN, brightness);
  
  Serial.print("电位器: ");
  Serial.print(potValue);
  Serial.print(" | 亮度: ");
  Serial.println(brightness);
  
  delay(50);
}

控制舵机​

舵机使用 PWM 信号控制角度（通常 0-180°）：

#include <Servo.h>

Servo myServo;
const int SERVO_PIN = 9;
const int POT_PIN = A0;

void setup() {
  myServo.attach(SERVO_PIN);
  Serial.begin(9600);
}

void loop() {
  int potValue = analogRead(POT_PIN);
  
  // 将 0-1023 映射到 0-180 度
  int angle = map(potValue, 0, 1023, 0, 180);
  
  myServo.write(angle);
  
  Serial.print("角度: ");
  Serial.println(angle);
  
  delay(15);  // 给舵机足够时间转动
}

综合示例：自动夜灯​

根据环境光线自动调节 LED 亮度：

const int LDR_PIN = A0;
const int LED_PIN = 9;

// 校准值（根据实际环境调整）
const int DARK_THRESHOLD = 300;   // 低于此值认为是黑暗
const int BRIGHT_THRESHOLD = 800; // 高于此值认为是明亮

void setup() {
  Serial.begin(9600);
}

void loop() {
  int lightLevel = analogRead(LDR_PIN);
  
  // 根据光线强度计算 LED 亮度
  // 环境越暗，LED 越亮
  int ledBrightness;
  
  if (lightLevel <= DARK_THRESHOLD) {
    ledBrightness = 255;  // 全亮
  } else if (lightLevel >= BRIGHT_THRESHOLD) {
    ledBrightness = 0;    // 关闭
  } else {
    // 线性映射
    ledBrightness = map(lightLevel, DARK_THRESHOLD, BRIGHT_THRESHOLD, 255, 0);
  }
  
  analogWrite(LED_PIN, ledBrightness);
  
  Serial.print("光线: ");
  Serial.print(lightLevel);
  Serial.print(" | LED亮度: ");
  Serial.println(ledBrightness);
  
  delay(100);
}

综合示例：简易温度计​

使用 LM35 和多个 LED 显示温度范围：

const int TEMP_PIN = A0;
const int LED_COLD = 8;   // 蓝色 LED - 低温
const int LED_NORM = 9;   // 绿色 LED - 正常
const int LED_HOT = 10;   // 红色 LED - 高温

void setup() {
  Serial.begin(9600);
  pinMode(LED_COLD, OUTPUT);
  pinMode(LED_NORM, OUTPUT);
  pinMode(LED_HOT, OUTPUT);
}

void loop() {
  float temperature = readTemperature();
  
  // 根据温度点亮不同 LED
  if (temperature < 20) {
    digitalWrite(LED_COLD, HIGH);
    digitalWrite(LED_NORM, LOW);
    digitalWrite(LED_HOT, LOW);
  } else if (temperature < 30) {
    digitalWrite(LED_COLD, LOW);
    digitalWrite(LED_NORM, HIGH);
    digitalWrite(LED_HOT, LOW);
  } else {
    digitalWrite(LED_COLD, LOW);
    digitalWrite(LED_NORM, LOW);
    digitalWrite(LED_HOT, HIGH);
  }
  
  Serial.print("温度: ");
  Serial.print(temperature);
  Serial.println(" °C");
  
  delay(1000);
}

float readTemperature() {
  int reading = analogRead(TEMP_PIN);
  float voltage = reading * 5.0 / 1023.0;
  return voltage * 100;
}

高级技巧​

平滑传感器读数​

使用移动平均减少传感器噪声：

const int SENSOR_PIN = A0;
const int NUM_SAMPLES = 10;

void setup() {
  Serial.begin(9600);
}

void loop() {
  int average = getSmoothedReading();
  
  Serial.print("平滑值: ");
  Serial.println(average);
  
  delay(100);
}

int getSmoothedReading() {
  long sum = 0;
  for (int i = 0; i < NUM_SAMPLES; i++) {
    sum += analogRead(SENSOR_PIN);
    delayMicroseconds(100);  // 短暂延时让 ADC 稳定
  }
  return sum / NUM_SAMPLES;
}

改变 PWM 频率​

Arduino 默认 PWM 频率约为 490Hz（D5、D6 为 980Hz），某些应用需要调整：

// 注意：这会改变定时器设置，可能影响其他功能

// 设置 D9、D10 的 PWM 频率为 62.5kHz
void setup() {
  // 将 Timer1 设置为模式 5（快速 PWM，8位）
  TCCR1A = _BV(COM1A1) | _BV(COM1B1) | _BV(WGM10);
  TCCR1B = _BV(CS10) | _BV(WGM12);  // 无预分频
}

void loop() {
  analogWrite(9, 128);   // D9 输出 50% 占空比
  analogWrite(10, 64);   // D10 输出 25% 占空比
}

常见问题​

1. 模拟读数不稳定​

原因：

  • 电源噪声
  • 传感器信号弱
  • ADC 参考电压不稳定

解决方法：

  • 添加去耦电容（0.1μF）
  • 使用移动平均算法
  • 使用外部参考电压

2. PWM 输出有噪音​

原因：

  • PWM 频率过低，能听到蜂鸣声
  • 负载电流过大

解决方法：

  • 提高 PWM 频率
  • 添加滤波电路
  • 使用驱动电路

3. 模拟输入精度不够​

Arduino 的 10 位 ADC 提供约 4.9mV 的分辨率。如需更高精度：

  • 使用外部 ADC 芯片（如 ADS1115，16 位）
  • 使用运算放大器放大信号
  • 降低参考电压提高分辨率

下一步​

掌握了模拟 I/O 后，我们将学习串口通信，这是 Arduino 与电脑、其他设备交互的重要方式。