常用传感器

传感器是 Arduino 感知外部世界的"感官"。本章将介绍最常用传感器的原理和使用方法。

温湿度传感器 DHT11/DHT22

DHT 系列传感器是最常用的温湿度传感器，价格低廉，使用简单。

DHT11 vs DHT22

特性	DHT11	DHT22
温度范围	0-50°C	-40-80°C
温度精度	±2°C	±0.5°C
湿度范围	20-80%	0-100%
湿度精度	±5%	±2-5%
采样间隔	1秒	2秒
价格	便宜	稍贵

硬件连接

DHT 引脚 1 (VCC) ── 5V
DHT 引脚 2 (DATA) ── D2（数据引脚）
DHT 引脚 3 (NC)   ── 悬空
DHT 引脚 4 (GND)  ── GND

DHT 引脚 2 和 5V 之间连接 10kΩ 上拉电阻（部分模块已集成）

代码示例

首先需要安装 DHT 库：项目 → 加载库 → 管理库 → 搜索 "DHT sensor library"

#include <DHT.h>

#define DHT_PIN 2
#define DHT_TYPE DHT22  // 或 DHT11

DHT dht(DHT_PIN, DHT_TYPE);

void setup() {
  Serial.begin(9600);
  dht.begin();
  Serial.println("DHT 传感器测试");
}

void loop() {
  // 读取温湿度
  float humidity = dht.readHumidity();
  float temperature = dht.readTemperature();
  
  // 检查读取是否成功
  if (isnan(humidity) || isnan(temperature)) {
    Serial.println("读取失败！");
    return;
  }
  
  // 计算体感温度
  float heatIndex = dht.computeHeatIndex(temperature, humidity, false);
  
  Serial.print("湿度: ");
  Serial.print(humidity);
  Serial.print("% | 温度: ");
  Serial.print(temperature);
  Serial.print("°C | 体感: ");
  Serial.print(heatIndex);
  Serial.println("°C");
  
  delay(2000);  // DHT22 需要 2 秒采样间隔
}

超声波测距传感器 HC-SR04

HC-SR04 通过发射超声波并接收回波来测量距离，范围 2cm-400cm。

工作原理

触发引脚发送 10μs 高电平脉冲
模块发射 8 个 40kHz 超声波脉冲
接收引脚收到回波后输出高电平
高电平持续时间 = 声波往返时间
距离 = (时间 × 声速) / 2

硬件连接

HC-SR04 VCC  ── 5V
HC-SR04 GND  ── GND
HC-SR04 Trig ── D9（触发）
HC-SR04 Echo ── D10（接收）

代码示例

const int TRIG_PIN = 9;
const int ECHO_PIN = 10;

void setup() {
  Serial.begin(9600);
  pinMode(TRIG_PIN, OUTPUT);
  pinMode(ECHO_PIN, INPUT);
}

void loop() {
  float distance = measureDistance();
  
  Serial.print("距离: ");
  Serial.print(distance);
  Serial.println(" cm");
  
  delay(500);
}

float measureDistance() {
  // 发送触发信号
  digitalWrite(TRIG_PIN, LOW);
  delayMicroseconds(2);
  digitalWrite(TRIG_PIN, HIGH);
  delayMicroseconds(10);
  digitalWrite(TRIG_PIN, LOW);
  
  // 读取回波时间（微秒）
  long duration = pulseIn(ECHO_PIN, HIGH);
  
  // 计算距离（声速 343m/s = 0.0343cm/μs）
  float distance = duration * 0.0343 / 2;
  
  return distance;
}

改进版本（带滤波）

const int TRIG_PIN = 9;
const int ECHO_PIN = 10;
const int NUM_SAMPLES = 5;

void setup() {
  Serial.begin(9600);
  pinMode(TRIG_PIN, OUTPUT);
  pinMode(ECHO_PIN, INPUT);
}

void loop() {
  float distance = getFilteredDistance();
  
  if (distance > 0) {
    Serial.print("距离: ");
    Serial.print(distance);
    Serial.println(" cm");
  } else {
    Serial.println("测量失败");
  }
  
  delay(200);
}

float getFilteredDistance() {
  float sum = 0;
  int validSamples = 0;
  
  for (int i = 0; i < NUM_SAMPLES; i++) {
    float d = measureDistance();
    if (d > 2 && d < 400) {  // 过滤无效值
      sum += d;
      validSamples++;
    }
    delay(20);
  }
  
  return validSamples > 0 ? sum / validSamples : -1;
}

float measureDistance() {
  digitalWrite(TRIG_PIN, LOW);
  delayMicroseconds(2);
  digitalWrite(TRIG_PIN, HIGH);
  delayMicroseconds(10);
  digitalWrite(TRIG_PIN, LOW);
  
  long duration = pulseIn(ECHO_PIN, HIGH, 30000);  // 30ms 超时
  return duration * 0.0343 / 2;
}

人体红外传感器 HC-SR501

HC-SR501 是一种热释电红外传感器，用于检测人体移动。

硬件连接

HC-SR501 VCC  ── 5V
HC-SR501 GND  ── GND
HC-SR501 OUT  ── D2

调节说明

时间延迟调节：检测触发后持续高电平的时间（0.3秒-5分钟）
灵敏度调节：检测距离（3-7米）
触发模式选择：
- H（可重复触发）：持续检测期间保持高电平
- L（不可重复触发）：检测后进入锁定状态

代码示例

const int PIR_PIN = 2;
const int LED_PIN = 13;

void setup() {
  Serial.begin(9600);
  pinMode(PIR_PIN, INPUT);
  pinMode(LED_PIN, OUTPUT);
  
  Serial.println("等待传感器稳定...");
  delay(10000);  // PIR 需要 10-60 秒稳定
  Serial.println("系统就绪");
}

void loop() {
  int motionDetected = digitalRead(PIR_PIN);
  
  if (motionDetected == HIGH) {
    digitalWrite(LED_PIN, HIGH);
    Serial.println("检测到人体移动！");
  } else {
    digitalWrite(LED_PIN, LOW);
  }
  
  delay(100);
}

光线传感器

光敏电阻（LDR）

最简单的光线传感器，阻值随光照强度变化。

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);
  
  // 映射为百分比（根据实际校准）
  int brightness = map(lightValue, 0, 1023, 100, 0);
  
  Serial.print("光线强度: ");
  Serial.print(brightness);
  Serial.println("%");
  
  delay(500);
}

BH1750 数字光强传感器

I2C 接口的数字光强传感器，精度更高。

硬件连接：

BH1750 VCC  ── 5V
BH1750 GND  ── GND
BH1750 SCL  ── A5（Uno）
BH1750 SDA  ── A4（Uno）
BH1750 ADDR ── GND（设置地址 0x23）

代码：需要安装 BH1750 库

#include <Wire.h>
#include <BH1750.h>

BH1750 lightMeter;

void setup() {
  Serial.begin(9600);
  Wire.begin();
  lightMeter.begin();
  Serial.println("BH1750 测试");
}

void loop() {
  float lux = lightMeter.readLightLevel();
  
  Serial.print("光照强度: ");
  Serial.print(lux);
  Serial.println(" lx");
  
  delay(1000);
}

烟雾/气体传感器 MQ-2

MQ-2 可检测烟雾、液化气、丁烷、丙烷、甲烷、酒精、氢气等。

硬件连接

MQ-2 VCC  ── 5V
MQ-2 GND  ── GND
MQ-2 A0   ── A0（模拟输出）
MQ-2 D0   ── D2（数字输出，可选）

代码示例

const int MQ_PIN = A0;
const int LED_PIN = 13;
const int BUZZER_PIN = 8;

// 报警阈值（根据实际校准）
const int SMOKE_THRESHOLD = 300;

void setup() {
  Serial.begin(9600);
  pinMode(LED_PIN, OUTPUT);
  pinMode(BUZZER_PIN, OUTPUT);
  
  Serial.println("MQ-2 传感器预热中...");
  delay(20000);  // 预热 20 秒
  Serial.println("系统就绪");
}

void loop() {
  int smokeValue = analogRead(MQ_PIN);
  
  Serial.print("烟雾值: ");
  Serial.println(smokeValue);
  
  if (smokeValue > SMOKE_THRESHOLD) {
    // 触发报警
    digitalWrite(LED_PIN, HIGH);
    tone(BUZZER_PIN, 1000, 200);
    Serial.println("警告：检测到烟雾！");
  } else {
    digitalWrite(LED_PIN, LOW);
    noTone(BUZZER_PIN);
  }
  
  delay(500);
}

土壤湿度传感器

用于检测土壤湿度，常用于自动浇花系统。

硬件连接

传感器 VCC  ── 5V
传感器 GND  ── GND
传感器 A0   ── A0

代码示例

const int SOIL_PIN = A0;
const int PUMP_PIN = 8;

// 阈值（需根据实际校准）
const int DRY_THRESHOLD = 800;   // 干燥阈值
const int WET_THRESHOLD = 400;   // 湿润阈值

void setup() {
  Serial.begin(9600);
  pinMode(PUMP_PIN, OUTPUT);
}

void loop() {
  int soilValue = analogRead(SOIL_PIN);
  
  // 映射为湿度百分比（值越小越湿）
  int moisture = map(soilValue, 1023, 0, 0, 100);
  moisture = constrain(moisture, 0, 100);
  
  Serial.print("土壤湿度: ");
  Serial.print(moisture);
  Serial.println("%");
  
  // 自动浇水逻辑
  if (soilValue > DRY_THRESHOLD) {
    Serial.println("土壤干燥，开始浇水");
    digitalWrite(PUMP_PIN, HIGH);
    delay(3000);  // 浇水 3 秒
    digitalWrite(PUMP_PIN, LOW);
  }
  
  delay(5000);  // 每 5 秒检测一次
}

声音传感器

声音检测模块

简单的声音检测，输出高低电平。

const int SOUND_PIN = 2;
const int LED_PIN = 13;

void setup() {
  Serial.begin(9600);
  pinMode(SOUND_PIN, INPUT);
  pinMode(LED_PIN, OUTPUT);
}

void loop() {
  int soundDetected = digitalRead(SOUND_PIN);
  
  if (soundDetected == LOW) {  // 通常低电平有效
    digitalWrite(LED_PIN, HIGH);
    Serial.println("检测到声音！");
    delay(200);  // 消抖
  } else {
    digitalWrite(LED_PIN, LOW);
  }
}

麦克风模块（模拟输出）

const int MIC_PIN = A0;

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

void loop() {
  int soundLevel = analogRead(MIC_PIN);
  
  Serial.print("声音强度: ");
  Serial.println(soundLevel);
  
  delay(50);
}

综合示例：环境监测站

整合多个传感器的环境监测系统：

#include <DHT.h>

#define DHT_PIN 2
#define DHT_TYPE DHT22

DHT dht(DHT_PIN, DHT_TYPE);

const int LDR_PIN = A0;
const int SOIL_PIN = A1;
const int MQ_PIN = A2;
const int TRIG_PIN = 9;
const int ECHO_PIN = 10;

void setup() {
  Serial.begin(9600);
  dht.begin();
  
  pinMode(TRIG_PIN, OUTPUT);
  pinMode(ECHO_PIN, INPUT);
  
  Serial.println("=== 环境监测站 ===");
}

void loop() {
  // 读取温湿度
  float temp = dht.readTemperature();
  float humidity = dht.readHumidity();
  
  // 读取光线
  int light = analogRead(LDR_PIN);
  
  // 读取土壤湿度
  int soil = analogRead(SOIL_PIN);
  
  // 读取空气质量
  int airQuality = analogRead(MQ_PIN);
  
  // 读取距离
  float distance = measureDistance();
  
  // 输出报告
  Serial.println("\n----- 环境报告 -----");
  Serial.print("温度: "); Serial.print(temp); Serial.println("°C");
  Serial.print("湿度: "); Serial.print(humidity); Serial.println("%");
  Serial.print("光线: "); Serial.println(light);
  Serial.print("土壤: "); Serial.println(soil);
  Serial.print("空气质量: "); Serial.println(airQuality);
  Serial.print("距离: "); Serial.print(distance); Serial.println("cm");
  Serial.println("-------------------");
  
  delay(3000);
}

float measureDistance() {
  digitalWrite(TRIG_PIN, LOW);
  delayMicroseconds(2);
  digitalWrite(TRIG_PIN, HIGH);
  delayMicroseconds(10);
  digitalWrite(TRIG_PIN, LOW);
  
  long duration = pulseIn(ECHO_PIN, HIGH, 30000);
  return duration * 0.0343 / 2;
}

BMP280 气压温度传感器

BMP280 是一款高精度气压和温度传感器，广泛用于气象监测、高度测量等应用。

主要特性

参数	规格
气压测量范围	300-1100 hPa
气压精度	±1 hPa
温度范围	-40°C ~ +85°C
温度精度	±0.5°C
接口	I2C / SPI
工作电压	1.8V - 3.6V

硬件连接（I2C 模式）

BMP280      Arduino Uno
────────────────────
VCC    →    3.3V（注意：不要接 5V！）
GND    →    GND
SCL    →    A5
SDA    →    A4

电压注意

BMP280 工作电压为 1.8V-3.6V，必须连接到 3.3V。如果使用 5V 供电可能损坏传感器。部分模块带有稳压器可以使用 5V，请检查模块说明。

安装库

在库管理器中搜索并安装 "Adafruit BMP280 Library"。

代码示例

#include <Wire.h>
#include <Adafruit_BMP280.h>

Adafruit_BMP280 bmp;

void setup() {
  Serial.begin(9600);
  
  if (!bmp.begin(0x76)) {  // 默认地址 0x76，部分模块可能是 0x77
    Serial.println("BMP280 未找到，请检查连接！");
    while (1);
  }
  
  // 配置传感器参数
  bmp.setSampling(Adafruit_BMP280::MODE_NORMAL,     // 工作模式
                  Adafruit_BMP280::SAMPLING_X2,     // 温度采样
                  Adafruit_BMP280::SAMPLING_X16,    // 气压采样
                  Adafruit_BMP280::FILTER_X16,      // 滤波
                  Adafruit_BMP280::STANDBY_MS_500); // 待机时间
  
  Serial.println("BMP280 气压温度传感器");
}

void loop() {
  // 读取温度
  float temperature = bmp.readTemperature();
  
  // 读取气压（hPa = 毫巴）
  float pressure = bmp.readPressure() / 100.0F;
  
  // 计算海拔高度（基于标准大气压 1013.25 hPa）
  float altitude = bmp.readAltitude(1013.25);
  
  Serial.print("温度: ");
  Serial.print(temperature);
  Serial.print(" °C | 气压: ");
  Serial.print(pressure);
  Serial.print(" hPa | 海拔: ");
  Serial.print(altitude);
  Serial.println(" m");
  
  delay(2000);
}

实际应用：简易高度计

利用气压计算高度变化：

#include <Wire.h>
#include <Adafruit_BMP280.h>

Adafruit_BMP280 bmp;
float baseAltitude;

void setup() {
  Serial.begin(9600);
  
  if (!bmp.begin(0x76)) {
    Serial.println("传感器初始化失败");
    while (1);
  }
  
  // 记录基准高度
  baseAltitude = bmp.readAltitude(1013.25);
  
  Serial.print("基准高度: ");
  Serial.print(baseAltitude);
  Serial.println(" m");
}

void loop() {
  float currentAltitude = bmp.readAltitude(1013.25);
  float relativeAltitude = currentAltitude - baseAltitude;
  
  Serial.print("相对高度变化: ");
  Serial.print(relativeAltitude);
  Serial.println(" m");
  
  delay(1000);
}

红外遥控接收

使用红外接收模块接收遥控器信号，实现无线控制。

工作原理

红外遥控通过发射特定频率（通常 38kHz）的红外脉冲来传输数据。不同厂商使用不同的编码协议，常见的有 NEC、Sony、RC5、RC6 等。

硬件连接

红外接收模块    Arduino Uno
─────────────────────
VCC        →    5V
GND        →    GND
OUT        →    D11（或其他数字引脚）

安装库

在库管理器中搜索并安装 "IRremote" 库。

接收遥控信号

#include <IRremote.h>

const int RECV_PIN = 11;
IRrecv irrecv(RECV_PIN);
decode_results results;

void setup() {
  Serial.begin(9600);
  irrecv.enableIRIn();  // 启动接收器
  Serial.println("红外接收器已启动");
}

void loop() {
  if (irrecv.decode(&results)) {
    // 打印接收到的原始数据
    Serial.print("编码: 0x");
    Serial.print(results.value, HEX);
    Serial.print(" | 协议: ");
    Serial.println(results.decode_type);
    
    // 根据编码执行不同动作
    switch (results.value) {
      case 0xFFA25D:  // 电源键（具体编码取决于遥控器）
        Serial.println("电源");
        break;
      case 0xFF629D:  // 模式键
        Serial.println("模式");
        break;
      case 0xFFE21D:  // 静音键
        Serial.println("静音");
        break;
    }
    
    irrecv.resume();  // 准备接收下一个信号
  }
}

获取遥控器编码

要使用未知遥控器，首先需要获取各按键的编码：

#include <IRremote.h>

const int RECV_PIN = 11;
IRrecv irrecv(RECV_PIN);
decode_results results;

void setup() {
  Serial.begin(9600);
  irrecv.enableIRIn();
  Serial.println("按下遥控器按键获取编码...");
}

void loop() {
  if (irrecv.decode(&results)) {
    Serial.print("编码: 0x");
    Serial.print(results.value, HEX);
    Serial.print(" (");
    Serial.print(results.value);
    Serial.println(")");
    
    irrecv.resume();
    delay(100);
  }
}

红外遥控控制 LED

#include <IRremote.h>

const int RECV_PIN = 11;
const int LED_PIN = 13;

IRrecv irrecv(RECV_PIN);
decode_results results;
bool ledState = false;

// 遥控器编码（根据实际遥控器修改）
const unsigned long CODE_POWER = 0xFFA25D;
const unsigned long CODE_UP = 0xFF629D;
const unsigned long CODE_DOWN = 0xFFA857;

void setup() {
  Serial.begin(9600);
  pinMode(LED_PIN, OUTPUT);
  irrecv.enableIRIn();
  
  Serial.println("红外遥控 LED 控制");
  Serial.println("电源键: 切换 LED");
}

void loop() {
  if (irrecv.decode(&results)) {
    if (results.value == CODE_POWER) {
      ledState = !ledState;
      digitalWrite(LED_PIN, ledState ? HIGH : LOW);
      Serial.println(ledState ? "LED 开启" : "LED 关闭");
    }
    
    irrecv.resume();
  }
}

MPU6050 六轴传感器

MPU6050 集成了三轴加速度计和三轴陀螺仪，常用于姿态检测、平衡车、无人机等项目。

主要特性

三轴加速度计：测量线性加速度
三轴陀螺仪：测量角速度
I2C 接口
内置温度传感器

硬件连接

MPU6050      Arduino Uno
────────────────────
VCC    →    3.3V 或 5V（取决于模块）
GND    →    GND
SCL    →    A5
SDA    →    A4

安装库

安装 "MPU6050_tockn" 或 "Adafruit MPU6050" 库。

代码示例

#include <Wire.h>
#include <MPU6050_tockn.h>

MPU6050 mpu6050(Wire);

void setup() {
  Serial.begin(9600);
  Wire.begin();
  
  mpu6050.begin();
  mpu6050.calcGyroOffsets(true);  // 校准陀螺仪
  
  Serial.println("MPU6050 已初始化");
}

void loop() {
  mpu6050.update();
  
  // 获取加速度
  Serial.print("加速度: X=");
  Serial.print(mpu6050.getAccX());
  Serial.print(" Y=");
  Serial.print(mpu6050.getAccY());
  Serial.print(" Z=");
  Serial.print(mpu6050.getAccZ());
  
  // 获取角速度
  Serial.print(" | 陀螺仪: X=");
  Serial.print(mpu6050.getGyroX());
  Serial.print(" Y=");
  Serial.print(mpu6050.getGyroY());
  Serial.print(" Z=");
  Serial.print(mpu6050.getGyroZ());
  
  // 获取角度
  Serial.print(" | 角度: X=");
  Serial.print(mpu6050.getAngleX());
  Serial.print(" Y=");
  Serial.print(mpu6050.getAngleY());
  Serial.print(" Z=");
  Serial.println(mpu6050.getAngleZ());
  
  delay(100);
}

传感器使用技巧

1. 电源去耦

在传感器电源引脚附近添加 0.1μF 电容，减少电源噪声：

传感器 VCC ──┬── 5V
             └── 0.1μF ── GND

2. 数据滤波

传感器读数常有噪声，使用移动平均滤波：

int getSmoothedValue(int pin, int samples = 10) {
  long sum = 0;
  for (int i = 0; i < samples; i++) {
    sum += analogRead(pin);
    delayMicroseconds(100);
  }
  return sum / samples;
}

3. 校准

传感器需要校准才能获得准确读数：

// 在 setup 中进行校准
int baseline;

void setup() {
  // 采集 100 个样本求平均作为基准值
  long sum = 0;
  for (int i = 0; i < 100; i++) {
    sum += analogRead(A0);
    delay(10);
  }
  baseline = sum / 100;
}

下一步

掌握了常用传感器后，我们将学习如何控制各种电机，包括直流电机、舵机和步进电机。

温湿度传感器 DHT11/DHT22​

DHT11 vs DHT22​

硬件连接​

代码示例​

超声波测距传感器 HC-SR04​

工作原理​

硬件连接​

代码示例​

改进版本（带滤波）​

人体红外传感器 HC-SR501​

硬件连接​

调节说明​

代码示例​

光线传感器​

光敏电阻（LDR）​

BH1750 数字光强传感器​

烟雾/气体传感器 MQ-2​

硬件连接​

代码示例​

土壤湿度传感器​

硬件连接​

代码示例​

声音传感器​

声音检测模块​

麦克风模块（模拟输出）​

综合示例：环境监测站​

BMP280 气压温度传感器​

主要特性​

硬件连接（I2C 模式）​

安装库​

代码示例​

实际应用：简易高度计​

红外遥控接收​

工作原理​

硬件连接​

安装库​

接收遥控信号​

获取遥控器编码​

红外遥控控制 LED​

MPU6050 六轴传感器​

主要特性​

硬件连接​

安装库​

代码示例​

传感器使用技巧​

1. 电源去耦​

2. 数据滤波​

3. 校准​

下一步​

温湿度传感器 DHT11/DHT22

DHT11 vs DHT22

硬件连接

代码示例

超声波测距传感器 HC-SR04

工作原理

硬件连接

代码示例

改进版本（带滤波）

人体红外传感器 HC-SR501

硬件连接

调节说明

代码示例

光线传感器

光敏电阻（LDR）

BH1750 数字光强传感器

烟雾/气体传感器 MQ-2

硬件连接

代码示例

土壤湿度传感器

硬件连接

代码示例

声音传感器

声音检测模块

麦克风模块（模拟输出）

综合示例：环境监测站

BMP280 气压温度传感器

主要特性

硬件连接（I2C 模式）

安装库

代码示例

实际应用：简易高度计

红外遥控接收

工作原理

硬件连接

安装库

接收遥控信号

获取遥控器编码

红外遥控控制 LED

MPU6050 六轴传感器

主要特性

硬件连接

安装库

代码示例

传感器使用技巧

1. 电源去耦

2. 数据滤波

3. 校准

下一步