GPIO, UART, SPI, I2C, ADC, PWM 分别的例子

1. GPIO 例子：智能台灯

• 场景：一个用单片机控制的智能台灯。

• 硬件：

  • GPIO (输出) → 连接一个继电器模块，继电器控制台灯电源线的通断。

  • GPIO (输入) → 连接一个触摸开关或物理按键。

• 工作流程：

  1. 用户触摸开关（输入引脚被拉高/拉低）。

  2. 单片机检测到输入引脚的电平变化。

  3. 单片机控制输出引脚的电平：

     • 如果当前灯是关的，则输出高电平 → 继电器吸合 → 台灯亮起。

     • 如果当前灯是开的，则输出低电平 → 继电器断开 → 台灯熄灭。

• 核心：GPIO完成了最基础的“检测”和“控制”任务。

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2. ADC 例子：智能花园浇水系统

• 场景：自动监测花盆土壤湿度，干了就自动浇水。

• 硬件：

  • 土壤湿度传感器 → 输出模拟电压（越干电压越高/越低，取决于传感器）。

  • ADC 引脚 → 读取传感器的模拟电压值。

  • GPIO (输出) → 控制一个小型水泵或电磁阀。

• 工作流程：

  1. ADC引脚读取湿度传感器的电压值（例如，读到一个12位的数值：2500）。

  2. 单片机在程序里判断：if (adc_value > 2000) { ... } // 假设大于2000表示土壤太干了

  3. 如果条件满足，单片机通过GPIO打开水泵浇水5秒钟。

  4. 浇水后再次读取ADC值，直到湿度足够。

• 核心：ADC将现实的“干湿程度”这个模拟量，转换成了单片机可以理解和判断的数字量。

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3. PWM 例子：电脑风扇调速 & 呼吸灯

• 场景：PC机箱内的CPU风扇，根据温度自动调节转速。

• 硬件：

  • 温度传感器 (可能是ADC读取)

  • PWM 引脚 → 连接到风扇的PWM控制线（通常是4线风扇）。

• 工作流程：

  1. 单片机读取CPU温度。

  2. 根据温度计算出一个目标占空比（例如：40°C时占空比20%，80°C时占空比100%）。

  3. 单片机配置PWM硬件，输出对应占空比的方波信号给风扇。

  4. 风扇内部的IC会根据收到的PWM信号比例来调整自身的功率，从而改变转速。占空比越高，转速越快，散热效果越好，但噪音也越大。

• 另一个经典例子：呼吸灯

  • 程序循环让占空比从0%逐渐增加到100%，再逐渐减少到0%。

  • LED灯就会实现从暗 -> 亮 -> 暗的平滑过渡效果，像呼吸一样。

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4. UART 例子：GPS定位器 & 串口调试

• 场景：做一个车辆追踪器，获取GPS位置并上传。

• 硬件：

  • GPS模块 (如ATGM336H) → 其TXD引脚连接到单片机的RXD引脚。

  • 4G模块 (如SIM7600) → 其RXD引脚连接到单片机的TXD引脚。

• 工作流程：

  1. GPS模块会不停地通过它的UART（TXD引脚）向外发送遵循NMEA协议的字符串数据，例如：$GPRMC,123519,A,4807.038,N,01131.000,E,022.4,084.4,230394,003.1,W*6A\r\n

  2. 单片机的UART（通过RXD引脚）接收这些字符串，并在程序中解析出经纬度、时间、速度等信息。

  3. 单片机再将处理好的位置信息，通过另一个UART（TXD引脚）发送给4G模块。

  4. 4G模块将数据通过移动网络发送到服务器。

• 核心：UART实现了两个设备间的“字符串对话”。串口调试助手 也是利用UART和电脑通信来打印调试信息。

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5. I2C 例子：环境监测站

• 场景：用一块单片机同时读取多个环境传感器数据。

• 硬件：

  • 所有设备的 SDA 和 SCL 引脚分别并联在一起，接到单片机的I2C总线上。

  • 温湿度传感器 (如SHT30, 地址0x44)

  • 大气压强传感器 (如BMP280, 地址0x76)

  • 光强度传感器 (如BH1750, 地址0x23)

• 工作流程：

  1. 单片机在SDA和SCL线上发起一个起始信号。

  2. 单片机先发送SHT30的地址0x44 + 写位，告诉SHT30：“我要给你下命令了”。

  3. 单片机发送一个命令字节，告诉SHT30：“开始测量”。

  4. 延时后，单片机再次发起起始信号，发送SHT30的地址0x44 + 读位，说：“把数据给我”。

  5. SHT30将温湿度数据通过SDA线发送给单片机。

  6. 单片机收到后，发送停止信号，结束这次通信。

  7. 重复2-6步骤，但这次发送BMP280的地址0x76，来读取气压值。仅用2根线就轮询了所有传感器！

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6. SPI 例子：LCD显示屏 & SD卡读写

• 场景：在屏幕上显示一张存储在SD卡里的图片。

• 硬件：

  • SD卡模块 → 连接单片机的一组SPI引脚（MOSI, MISO, SCK, CS_SD）。

  • LCD显示屏 (如ILI9341) → 连接单片机的另一组SPI引脚（MOSI, MISO, SCK, CS_LCD）。(注意：LCD的DC/RS引脚通常用普通GPIO控制)

• 工作流程：

  1. 单片机想读取SD卡里的图片数据。

  2. 单片机先拉低 SD卡的CS片选引脚，激活SD卡。

  3. 单片机通过SPI总线（MOSI线）发送SD卡的读命令和地址。

  4. SD卡通过MISO线将图片数据流高速地发送给单片机。

  5. 单片机收到数据后，拉高 SD卡的CS引脚，结束通信。

  6. 单片机现在要往LCD写数据了。它拉低 LCD的CS片选引脚，激活LCD。

  7. 单片机用一个GPIO设置LCD为“数据模式”，然后通过SPI总线（MOSI线）将刚刚收到的图片数据高速地发送给LCD控制器。

  8. LCD控制器收到数据后，将其显示在屏幕上。

• 核心：SPI实现了与需要高速数据传输的外设之间的通信。两个设备共享数据线和时钟线，但通过独立的片选线（CS） 来区分。