串口通信

串口通信（Serial Communication）是 Arduino 与电脑、其他微控制器或外部设备交互的重要方式。本章将详细介绍串口通信的原理和应用。

什么是串口通信

串口通信是一种逐位传输数据的通信方式，数据一位一位顺序传送。Arduino 使用 UART（通用异步收发传输器）实现串口通信。

串口通信参数

配置串口通信时需要指定以下参数：

参数	说明	常用值
波特率	每秒传输的比特数	9600, 115200
数据位	每个数据包的位数	8 位
停止位	数据包结束标志	1 位
校验位	错误检测	无

Arduino 串口引脚

• D0 (RX)：接收数据
• D1 (TX)：发送数据

注意

使用串口通信时，D0 和 D1 不能用于其他功能。上传程序时也需要断开这两脚的外部连接。

基础串口操作

初始化串口

在 setup() 中使用 Serial.begin() 初始化串口：

void setup() {
  Serial.begin(9600);  // 设置波特率为 9600
}

发送数据

发送字符串

Serial.print("Hello World");     // 不换行
Serial.println("Hello World");   // 换行

发送变量值

int count = 42;
float temp = 23.5;

Serial.print("计数: ");
Serial.println(count);

Serial.print("温度: ");
Serial.print(temp);
Serial.println(" °C");

格式化输出

int value = 255;

Serial.print("十进制: ");
Serial.println(value, DEC);     // 255

Serial.print("十六进制: ");
Serial.println(value, HEX);     // ff

Serial.print("二进制: ");
Serial.println(value, BIN);     // 11111111

Serial.print("八进制: ");
Serial.println(value, OCT);     // 377

完整发送示例

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

void loop() {
  static int counter = 0;
  counter++;
  
  // 多种输出方式
  Serial.print("计数: ");
  Serial.print(counter);
  Serial.print(" | 时间: ");
  Serial.print(millis() / 1000);
  Serial.println(" 秒");
  
  delay(1000);
}

接收数据

检查可用数据

void loop() {
  if (Serial.available() > 0) {  // 检查是否有数据可读
    // 有数据到达，进行读取
  }
}

读取数据

void loop() {
  if (Serial.available() > 0) {
    char incomingByte = Serial.read();  // 读取一个字节
    Serial.print("收到: ");
    Serial.println(incomingByte);
  }
}

读取字符串

String inputString = "";
bool stringComplete = false;

void setup() {
  Serial.begin(9600);
  inputString.reserve(200);  // 预分配内存，提高性能
}

void loop() {
  if (stringComplete) {
    Serial.print("收到命令: ");
    Serial.println(inputString);
    
    // 处理命令
    processCommand(inputString);
    
    // 清空字符串
    inputString = "";
    stringComplete = false;
  }
}

void serialEvent() {
  while (Serial.available()) {
    char inChar = (char)Serial.read();
    
    if (inChar == '\n') {
      stringComplete = true;
    } else {
      inputString += inChar;
    }
  }
}

void processCommand(String cmd) {
  cmd.trim();  // 去除首尾空白
  cmd.toLowerCase();  // 转为小写
  
  if (cmd == "on") {
    Serial.println("开启设备");
  } else if (cmd == "off") {
    Serial.println("关闭设备");
  } else {
    Serial.println("未知命令");
  }
}

串口调试技巧

调试输出宏

// 定义调试开关
#define DEBUG 1

#if DEBUG
  #define DEBUG_PRINT(x) Serial.print(x)
  #define DEBUG_PRINTLN(x) Serial.println(x)
#else
  #define DEBUG_PRINT(x)
  #define DEBUG_PRINTLN(x)
#endif

void setup() {
  Serial.begin(9600);
  DEBUG_PRINTLN("调试模式已启动");
}

void loop() {
  int sensorValue = analogRead(A0);
  DEBUG_PRINT("传感器值: ");
  DEBUG_PRINTLN(sensorValue);
  
  delay(1000);
}

数据可视化

使用串口绘图器（Serial Plotter）可视化数据：

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

void loop() {
  int sensor1 = analogRead(A0);
  int sensor2 = analogRead(A1);
  
  // 格式：值1,值2（用逗号分隔）
  Serial.print(sensor1);
  Serial.print(",");
  Serial.println(sensor2);
  
  delay(50);
}

在 Arduino IDE 中点击 工具 → 串口绘图器 即可看到实时波形。

综合示例：串口控制系统

通过串口命令控制 LED 和读取传感器：

const int LED_PIN = 13;
const int SENSOR_PIN = A0;

bool ledState = false;
bool autoReport = false;
unsigned long lastReportTime = 0;

void setup() {
  Serial.begin(9600);
  pinMode(LED_PIN, OUTPUT);
  
  Serial.println("=== Arduino 控制系统 ===");
  Serial.println("命令列表:");
  Serial.println("  on     - 开启 LED");
  Serial.println("  off    - 关闭 LED");
  Serial.println("  toggle - 切换 LED 状态");
  Serial.println("  read   - 读取传感器");
  Serial.println("  auto   - 开启/关闭自动上报");
  Serial.println("  help   - 显示帮助");
  Serial.println("========================");
}

void loop() {
  // 处理串口命令
  handleSerialCommands();
  
  // 自动上报传感器数据
  if (autoReport && millis() - lastReportTime > 1000) {
    reportSensorData();
    lastReportTime = millis();
  }
}

void handleSerialCommands() {
  if (Serial.available() == 0) return;
  
  String command = Serial.readStringUntil('\n');
  command.trim();
  command.toLowerCase();
  
  if (command == "on") {
    ledState = true;
    digitalWrite(LED_PIN, HIGH);
    Serial.println("LED 已开启");
  }
  else if (command == "off") {
    ledState = false;
    digitalWrite(LED_PIN, LOW);
    Serial.println("LED 已关闭");
  }
  else if (command == "toggle") {
    ledState = !ledState;
    digitalWrite(LED_PIN, ledState ? HIGH : LOW);
    Serial.println(ledState ? "LED 已开启" : "LED 已关闭");
  }
  else if (command == "read") {
    reportSensorData();
  }
  else if (command == "auto") {
    autoReport = !autoReport;
    Serial.println(autoReport ? "自动上报已开启" : "自动上报已关闭");
  }
  else if (command == "help") {
    printHelp();
  }
  else if (command.length() > 0) {
    Serial.println("未知命令，输入 help 查看帮助");
  }
}

void reportSensorData() {
  int value = analogRead(SENSOR_PIN);
  float voltage = value * 5.0 / 1023.0;
  
  Serial.print("传感器值: ");
  Serial.print(value);
  Serial.print(" (");
  Serial.print(voltage, 2);
  Serial.println(" V)");
}

void printHelp() {
  Serial.println("命令列表:");
  Serial.println("  on     - 开启 LED");
  Serial.println("  off    - 关闭 LED");
  Serial.println("  toggle - 切换 LED 状态");
  Serial.println("  read   - 读取传感器");
  Serial.println("  auto   - 开启/关闭自动上报");
  Serial.println("  help   - 显示帮助");
}

软件串口

Arduino Uno 只有一个硬件串口。如需更多串口，可使用 SoftwareSerial 库：

#include <SoftwareSerial.h>

// 创建软串口，RX=10, TX=11
SoftwareSerial mySerial(10, 11);

void setup() {
  // 硬件串口用于与电脑通信
  Serial.begin(9600);
  
  // 软串口用于与其他设备通信
  mySerial.begin(9600);
  
  Serial.println("软串口测试");
}

void loop() {
  // 从软串口读取，转发到硬件串口
  if (mySerial.available()) {
    char c = mySerial.read();
    Serial.write(c);
  }
  
  // 从硬件串口读取，转发到软串口
  if (Serial.available()) {
    char c = Serial.read();
    mySerial.write(c);
  }
}

软串口限制

• 不能同时收发高速数据
• 某些引脚可能不支持（取决于板子）
• 会占用更多 CPU 资源

与其他设备通信

与 ESP8266 WiFi 模块通信

#include <SoftwareSerial.h>

SoftwareSerial esp8266(10, 11);  // RX, TX

void setup() {
  Serial.begin(9600);
  esp8266.begin(115200);
  
  delay(2000);
  
  // 发送 AT 指令测试通信
  sendCommand("AT");
  sendCommand("AT+CWMODE=1");  // 设置为 Station 模式
  sendCommand("AT+CWJAP=\"SSID\",\"PASSWORD\"");  // 连接 WiFi
}

void loop() {
  // 转发数据
  if (esp8266.available()) {
    Serial.write(esp8266.read());
  }
  if (Serial.available()) {
    esp8266.write(Serial.read());
  }
}

void sendCommand(String cmd) {
  esp8266.println(cmd);
  delay(1000);
  
  while (esp8266.available()) {
    Serial.write(esp8266.read());
  }
}

两个 Arduino 通信

发送端：

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

void loop() {
  Serial.print("TIME:");
  Serial.println(millis());
  delay(1000);
}

接收端：

#include <SoftwareSerial.h>
SoftwareSerial receiver(10, 11);

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

void loop() {
  if (receiver.available()) {
    String data = receiver.readStringUntil('\n');
    
    if (data.startsWith("TIME:")) {
      String timeStr = data.substring(5);
      Serial.print("收到时间: ");
      Serial.println(timeStr);
    }
  }
}

串口监视器使用

Arduino IDE 内置串口监视器，用于查看串口输出：

1. 点击工具栏的放大镜图标，或按 Ctrl+Shift+M
2. 选择正确的波特率（必须与代码中一致）
3. 选择换行符格式（通常选"换行和回车"）

常用串口工具

工具	平台	特点
Arduino IDE 串口监视器	全平台	简单，集成在 IDE 中
串口调试助手	Windows	功能丰富，支持多种编码
CoolTerm	全平台	专业，支持数据记录
PuTTY	全平台	功能强大，支持多种协议
Serial Monitor (VS Code)	全平台	PlatformIO 集成

常见问题

1. 串口输出乱码

原因：波特率不匹配

解决：确保串口监视器波特率与代码中 Serial.begin() 一致

2. 无法上传程序

原因：D0/D1 被占用

解决：断开 D0/D1 上的外部连接，上传完成后再连接

3. 数据丢失

原因：缓冲区溢出

解决：

• 提高波特率
• 减少发送频率
• 增加接收端处理速度

4. 软串口不稳定

原因：引脚不支持或波特率过高

解决：

• 更换软串口引脚
• 降低波特率
• 使用硬件串口（如果可用）

下一步

掌握了串口通信后，我们将学习如何使用各种常用传感器，如温湿度传感器、超声波传感器等。