数字 I/O

数字输入输出（Digital I/O）是 Arduino 最基础也是最常用的功能。本章将详细介绍如何使用数字引脚控制 LED、读取按钮状态等。

数字引脚概述

Arduino Uno 有 14 个数字引脚（D0-D13），每个引脚都可以配置为输入或输出模式：

• D0 (RX) 和 D1 (TX)：用于串口通信，一般不建议他用
• D2-D13：可自由使用的数字引脚
• D3、D5、D6、D9、D10、D11：支持 PWM 输出（带 ~ 标记）
• D13：连接板载 LED

引脚模式设置

在使用数字引脚前，必须先使用 pinMode() 函数设置其模式：

void setup() {
  pinMode(pin, mode);
}

三种引脚模式

模式	说明	用途
INPUT	输入模式（高阻抗）	读取传感器、按钮
OUTPUT	输出模式	控制 LED、继电器
INPUT_PULLUP	输入上拉模式	简化按钮接线

数字输出

digitalWrite() 函数

控制数字引脚输出高电平（5V）或低电平（0V）：

digitalWrite(pin, value);

• pin：引脚编号（0-13）
• value：HIGH（高电平）或 LOW（低电平）

点亮 LED 示例

硬件连接：

Arduino D13  ──┬── LED 正极（长脚）
              └── 220Ω 电阻 ── GND

代码：

const int LED_PIN = 13;  // 使用引脚 13

void setup() {
  pinMode(LED_PIN, OUTPUT);  // 设置为输出模式
}

void loop() {
  digitalWrite(LED_PIN, HIGH);  // 点亮 LED
  delay(1000);                   // 等待 1 秒
  digitalWrite(LED_PIN, LOW);   // 熄灭 LED
  delay(1000);                   // 等待 1 秒
}

流水灯效果

硬件连接：将 4 个 LED 分别连接到 D2-D5，每个串联 220Ω 电阻到 GND

const int ledPins[] = {2, 3, 4, 5};  // LED 连接的引脚
const int numLEDs = 4;

void setup() {
  // 初始化所有 LED 引脚
  for (int i = 0; i < numLEDs; i++) {
    pinMode(ledPins[i], OUTPUT);
  }
}

void loop() {
  // 从左到右依次点亮
  for (int i = 0; i < numLEDs; i++) {
    digitalWrite(ledPins[i], HIGH);
    delay(200);
    digitalWrite(ledPins[i], LOW);
  }
  
  // 从右到左依次点亮
  for (int i = numLEDs - 1; i >= 0; i--) {
    digitalWrite(ledPins[i], HIGH);
    delay(200);
    digitalWrite(ledPins[i], LOW);
  }
}

数字输入

digitalRead() 函数

读取数字引脚的电平状态：

int value = digitalRead(pin);

• 返回 HIGH（高电平，约 5V）或 LOW（低电平，约 0V）

读取按钮状态

硬件连接方式一：外部下拉电阻

5V ── 按钮 ── D2 ──┬── 10kΩ 电阻 ── GND
                   │
              Arduino 读取

const int BUTTON_PIN = 2;

void setup() {
  pinMode(BUTTON_PIN, INPUT);  // 输入模式
  Serial.begin(9600);
}

void loop() {
  int buttonState = digitalRead(BUTTON_PIN);
  
  if (buttonState == HIGH) {
    Serial.println("按钮被按下");
  } else {
    Serial.println("按钮未按下");
  }
  
  delay(100);  // 减少串口输出频率
}

硬件连接方式二：内部上拉电阻（推荐）

D2 ── 按钮 ── GND

const int BUTTON_PIN = 2;

void setup() {
  // 使用内部上拉电阻，按钮未按下时为 HIGH
  pinMode(BUTTON_PIN, INPUT_PULLUP);
  Serial.begin(9600);
}

void loop() {
  int buttonState = digitalRead(BUTTON_PIN);
  
  // 注意：使用上拉时，按下为 LOW，未按下为 HIGH
  if (buttonState == LOW) {
    Serial.println("按钮被按下");
  }
  
  delay(100);
}

按钮消抖

机械按钮按下时会产生抖动，导致多次触发：

const int BUTTON_PIN = 2;
const int LED_PIN = 13;

int ledState = LOW;
int lastButtonState = HIGH;
unsigned long lastDebounceTime = 0;
const unsigned long debounceDelay = 50;  // 消抖延时 50ms

void setup() {
  pinMode(BUTTON_PIN, INPUT_PULLUP);
  pinMode(LED_PIN, OUTPUT);
}

void loop() {
  int reading = digitalRead(BUTTON_PIN);
  
  // 如果按钮状态发生变化，重置消抖计时器
  if (reading != lastButtonState) {
    lastDebounceTime = millis();
  }
  
  // 超过消抖时间后，确认状态变化
  if ((millis() - lastDebounceTime) > debounceDelay) {
    // 如果按钮被按下（上拉模式下 LOW 表示按下）
    if (reading == LOW && lastButtonState == HIGH) {
      ledState = !ledState;  // 切换 LED 状态
      digitalWrite(LED_PIN, ledState);
    }
  }
  
  lastButtonState = reading;
}

综合示例：交通灯

模拟交通信号灯的工作流程：

硬件连接：

• 红灯 → D10
• 黄灯 → D9
• 绿灯 → D8

// 引脚定义
const int RED_PIN = 10;
const int YELLOW_PIN = 9;
const int GREEN_PIN = 8;

// 时间设置（毫秒）
const int RED_TIME = 5000;    // 红灯 5 秒
const int YELLOW_TIME = 2000; // 黄灯 2 秒
const int GREEN_TIME = 5000;  // 绿灯 5 秒

void setup() {
  // 初始化引脚
  pinMode(RED_PIN, OUTPUT);
  pinMode(YELLOW_PIN, OUTPUT);
  pinMode(GREEN_PIN, OUTPUT);
  
  // 初始状态：全部熄灭
  allOff();
}

void loop() {
  // 绿灯亮（通行）
  digitalWrite(GREEN_PIN, HIGH);
  delay(GREEN_TIME);
  digitalWrite(GREEN_PIN, LOW);
  
  // 黄灯亮（警示）
  digitalWrite(YELLOW_PIN, HIGH);
  delay(YELLOW_TIME);
  digitalWrite(YELLOW_PIN, LOW);
  
  // 红灯亮（停止）
  digitalWrite(RED_PIN, HIGH);
  delay(RED_TIME);
  digitalWrite(RED_PIN, LOW);
}

// 辅助函数：关闭所有灯
void allOff() {
  digitalWrite(RED_PIN, LOW);
  digitalWrite(YELLOW_PIN, LOW);
  digitalWrite(GREEN_PIN, LOW);
}

按键控制 LED

实现按下按钮切换 LED 开关状态：

const int BUTTON_PIN = 2;
const int LED_PIN = 13;

bool ledState = false;      // LED 当前状态
bool buttonPressed = false; // 按钮是否已被处理

void setup() {
  pinMode(BUTTON_PIN, INPUT_PULLUP);
  pinMode(LED_PIN, OUTPUT);
}

void loop() {
  int buttonState = digitalRead(BUTTON_PIN);
  
  // 检测按钮按下（上拉模式下 LOW 为按下）
  if (buttonState == LOW && !buttonPressed) {
    ledState = !ledState;           // 切换状态
    digitalWrite(LED_PIN, ledState); // 更新 LED
    buttonPressed = true;            // 标记已处理
    delay(200);                      // 简单消抖
  }
  
  // 检测按钮释放
  if (buttonState == HIGH) {
    buttonPressed = false;
  }
}

多位数码管显示

使用 74HC595 移位寄存器控制数码管（节省引脚）：

// 74HC595 引脚连接
const int DATA_PIN = 11;   // DS (数据)
const int LATCH_PIN = 12;  // ST_CP (锁存)
const int CLOCK_PIN = 13;  // SH_CP (时钟)

// 数码管段码（共阴极，0-9）
const byte segmentPatterns[] = {
  0x3F, // 0
  0x06, // 1
  0x5B, // 2
  0x4F, // 3
  0x66, // 4
  0x6D, // 5
  0x7D, // 6
  0x07, // 7
  0x7F, // 8
  0x6F  // 9
};

void setup() {
  pinMode(DATA_PIN, OUTPUT);
  pinMode(LATCH_PIN, OUTPUT);
  pinMode(CLOCK_PIN, OUTPUT);
}

void loop() {
  // 循环显示 0-9
  for (int i = 0; i <= 9; i++) {
    displayNumber(i);
    delay(1000);
  }
}

// 显示单个数字
void displayNumber(int num) {
  digitalWrite(LATCH_PIN, LOW);
  shiftOut(DATA_PIN, CLOCK_PIN, MSBFIRST, segmentPatterns[num]);
  digitalWrite(LATCH_PIN, HIGH);
}

常见问题

1. LED 不亮

检查清单：

• LED 极性是否正确（长脚接正极）
• 电阻是否正确连接（220Ω-1kΩ）
• 引脚号是否与代码一致
• 是否设置了 pinMode(pin, OUTPUT)

2. 按钮读取不稳定

解决方法：

• 添加消抖延时（硬件或软件）
• 使用 INPUT_PULLUP 模式简化接线
• 检查按钮接线是否松动

3. 引脚冲突

注意：

• D0、D1 用于串口通信，使用时无法上传程序
• D13 连接板载 LED，同时使用时可能互相影响
• PWM 引脚（带 ~）才能使用 analogWrite()

下一步

掌握了数字 I/O 后，我们将学习模拟 I/O，包括读取模拟传感器和使用 PWM 实现更精细的控制。