2026.09.30

8 分钟阅读

Arduino 与 ATmega328P 入门笔记

Uno/Nano 常用功能速查

Arduino Uno 与经典 Nano 常以 ATmega328P 为核心。它们适合作为学习微控制器的入门平台：开发板把供电、时钟、复位和 USB 串口下载等电路集成起来，Arduino IDE 则提供了简化的程序框架和常用外设接口。

本文以 16 MHz、5 V 的经典 ATmega328P Uno/Nano 为例，整理开发板规格、GPIO、PWM、ADC、中断、串口，以及 OLED、DHT11 和 WS2812 的常用操作。不同版本的开发板和模块可能存在引脚、供电或库配置差异，接线前应以具体板卡资料为准。

1. 开发板与芯片概览

ATmega328P 是 8 位 AVR 微控制器。常见的经典 Uno 与 Nano 开发板主要规格如下：

项目	经典 Uno/Nano 常见规格
工作电压	5 V
时钟频率	16 MHz
数字 I/O	14 路（D0–D13）
模拟输入	Uno：A0–A5；经典 Nano 通常还引出 A6、A7（仅模拟输入）
PWM 输出	D3、D5、D6、D9、D10、D11
硬件 UART	1 路（D0/RX、D1/TX）
ADC	10 位，读数通常为 0–1023

以上是常见板卡的概览，不代表所有采用 ATmega328P 的兼容板都完全相同。尤其要注意：Nano 的 A6/A7 通常不能作为数字 I/O 使用；D0、D1 与 USB 串口共用，连接其他电路可能影响下载和串口通信。

ATmega328P 开发板原理图

开发板尺寸图

编译与下载

在 Arduino IDE 中选择对应的开发板型号和串口端口，编译后通过 USB 下载程序。不同 Nano 克隆板使用的 USB 转串口芯片和 bootloader 可能不同；若上传失败，检查板型、处理器/bootloader 选项、端口和数据线，并参考板卡说明。

板卡连接示意

编译与下载示意

2. Arduino 程序的基本结构

Arduino 草图通常包含 setup() 和 loop()：setup() 在上电或复位后执行一次，用于初始化；loop() 随后不断重复执行。

1void setup() {
2  // 初始化代码：配置引脚、串口、传感器等
3}
4
5void loop() {
6  // 主循环：反复执行任务
7}

3. GPIO：数字输入与输出

常用函数

1pinMode(pin, mode);           // 配置 INPUT、OUTPUT 或 INPUT_PULLUP
2 digitalWrite(pin, HIGH);     // 输出高电平；也可写 LOW
3int state = digitalRead(pin); // 读取 HIGH 或 LOW

INPUT_PULLUP 会启用芯片内部上拉电阻。使用它连接按钮时，常见接法是按钮一端接输入引脚、另一端接 GND：未按下读到 HIGH，按下读到 LOW。外部电路仍需遵守芯片引脚电压和电流限制。

LED 闪烁

下面使用 D13（经典 Uno/Nano 的板载 LED 通常连接在该引脚；也可使用限流电阻和外接 LED）。不要把 D0、D1 当作普通 LED 引脚，以免干扰串口。

 1const int ledPin = 13;
 2
 3void setup() {
 4  pinMode(ledPin, OUTPUT);
 5}
 6
 7void loop() {
 8  digitalWrite(ledPin, HIGH);
 9  delay(1000);
10  digitalWrite(ledPin, LOW);
11  delay(1000);
12}

按钮控制 LED

 1const int buttonPin = 2;
 2const int ledPin = 13;
 3
 4void setup() {
 5  pinMode(buttonPin, INPUT_PULLUP);
 6  pinMode(ledPin, OUTPUT);
 7}
 8
 9void loop() {
10  // 内部上拉接法：按下为 LOW
11  const bool pressed = (digitalRead(buttonPin) == LOW);
12  digitalWrite(ledPin, pressed ? HIGH : LOW);
13}

机械按钮会抖动；简单状态控制通常可以先直接读取，若需要可靠的单次按键事件或精确计数，应增加软件消抖或硬件消抖。

时间函数

1delay(1000);                  // 阻塞等待 1000 ms
2unsigned long ms = millis();  // Arduino 启动以来经过的毫秒数
3unsigned long us = micros();  // Arduino 启动以来经过的微秒数

millis() 返回无符号计数值，约 49.7 天后会回绕；micros() 也会回绕（在经典 16 MHz AVR 板上约每 70 分钟）。用无符号差值判断时间间隔可安全处理回绕：

1if ((unsigned long)(millis() - previousMs) >= intervalMs) {
2  previousMs = millis();
3  // 执行周期任务
4}

4. PWM：模拟效果输出

ATmega328P 的指定引脚可通过 analogWrite() 输出 PWM（脉宽调制）信号。经典 Uno/Nano 的 PWM 引脚为 D3、D5、D6、D9、D10、D11，常用取值为 0–255：0 对应持续低电平，255 对应持续高电平，中间值表示不同占空比。它不是 DAC，不会直接产生稳定的中间模拟电压。

1const int pwmPin = 9;
2
3void setup() {
4  pinMode(pwmPin, OUTPUT);
5  analogWrite(pwmPin, 128);  // 约 50% 占空比
6}
7
8void loop() {
9}

经典 Uno 上 D9 的 PWM 频率约为 490 Hz，具体频率因引脚和定时器配置而异。若程序或库重新配置了相关定时器，频率也可能改变。可用示波器或逻辑分析仪在引脚与 GND 间测量。

PWM 波形测量示意

5. ADC：读取模拟量

analogRead(pin) 将模拟输入转换为数字读数。在经典 Uno/Nano 的默认配置下，ADC 为 10 位，读数范围是 0–1023。可测电压范围由模拟参考电压决定；默认参考通常与板卡的 DEFAULT 参考相关，不能不加确认地假设一定精确为 5.000 V。输入电压不得超出芯片和开发板允许范围。

 1const int analogPin = A0;
 2
 3void setup() {
 4  Serial.begin(9600);
 5}
 6
 7void loop() {
 8  const int rawValue = analogRead(analogPin);
 9
10  // 示例假定实际参考电压为 5.0 V；更准确换算应使用实测 Vref
11  const float referenceVoltage = 5.0f;
12  const float voltage = rawValue * (referenceVoltage / 1023.0f);
13
14  Serial.print("ADC: ");
15  Serial.print(rawValue);
16  Serial.print(" | Voltage: ");
17  Serial.print(voltage, 3);
18  Serial.println(" V");
19
20  delay(200);
21}

换算公式为：

V_{in} \approx \frac{N}{1023} V_{ref}

其中 N 是 ADC 读数，Vref 是实际参考电压。实际精度还受参考源误差、噪声、输入源阻抗和 ADC 特性影响。

串口监视器查看 ADC 结果

6. 外部中断

经典 Uno/Nano 的 ATmega328P 通常在 D2、D3 提供外部中断，对应 Arduino 中断号 0、1。推荐用 digitalPinToInterrupt(pin) 将引脚号转换为中断号：

1attachInterrupt(digitalPinToInterrupt(pin), isr, mode);

常见触发模式包括 LOW、CHANGE、RISING 和 FALLING。电平触发的 LOW 在引脚保持低电平时可能持续进入中断，按钮场景通常考虑边沿触发。

中断服务函数（ISR）应尽量短：不要在其中调用 delay()、做串口输出或执行耗时操作。与主循环共享的变量通常声明为 volatile；ISR 中只设置标志，实际工作放到 loop() 中完成。

 1const int buttonPin = 2;
 2const int ledPin = 13;
 3
 4volatile bool buttonPressed = false;
 5bool ledState = false;
 6
 7void handleInterrupt() {
 8  buttonPressed = true;
 9}
10
11void setup() {
12  pinMode(buttonPin, INPUT_PULLUP);
13  pinMode(ledPin, OUTPUT);
14  attachInterrupt(digitalPinToInterrupt(buttonPin), handleInterrupt, FALLING);
15}
16
17void loop() {
18  if (buttonPressed) {
19    buttonPressed = false;
20    ledState = !ledState;
21    digitalWrite(ledPin, ledState ? HIGH : LOW);
22  }
23}

volatile 只要求编译器每次从内存读取变量，并不保证复合操作或多字节访问的原子性。上例中的 bool 标志在 ATmega328P 上通常可通过简单读写使用；共享多字节数据时，需要额外考虑原子访问和临界区。按钮抖动也可能产生多个边沿，实际项目仍需消抖。

7. UART 串口

经典 Uno/Nano 的硬件 UART 使用 D0/RX 和 D1/TX，并通常经 USB 转串口芯片连接电脑。板载串口与外部设备连接时，注意 TX/RX 交叉连接、共地和电平兼容；不要让 5 V 信号直接进入不耐 5 V 的设备。

 1void setup() {
 2  Serial.begin(9600);
 3}
 4
 5void loop() {
 6  Serial.println("Hello, world!");
 7
 8  if (Serial.available() > 0) {
 9    const char received = Serial.read();
10    Serial.print("Received: ");
11    Serial.println(received);
12  }
13
14  delay(1000);
15}

Serial.print() 输出内容但不自动换行。
Serial.println() 输出内容并追加换行符。
Serial.available() 返回接收缓冲区中可读取的字节数。
Serial.read() 读取一个字节；文本协议需自行定义分隔符和完整帧的处理方式。

需要按行接收时，可以使用 Serial.readStringUntil('\n')，但该调用会等待换行或超时；对时序敏感的程序，更适合用非阻塞方式逐字节组帧。

Arduino IDE 串口监视器

串口监视器中的波特率应与程序的 Serial.begin() 一致。发送一行文本时，应确认监视器的行结束符设置与程序读取方式匹配。

8. I²C OLED（SSD1306）

常见 0.96 英寸 SSD1306 OLED 模块可通过 I²C 与开发板通信。经典 Uno/Nano 的硬件 I²C 引脚通常是 A4/SDA、A5/SCL；若板上标有 SDA/SCL 专用引脚，也可按板卡标注连接。模块供电电压、逻辑电平和 I²C 地址需以模块规格为准，常见地址为 0x3C，也有 0x3D。

在 Arduino IDE 的库管理器中安装 Adafruit SSD1306 和 Adafruit GFX Library。

 1#include <Wire.h>
 2#include <Adafruit_GFX.h>
 3#include <Adafruit_SSD1306.h>
 4
 5#define SCREEN_WIDTH 128
 6#define SCREEN_HEIGHT 64
 7
 8Adafruit_SSD1306 display(SCREEN_WIDTH, SCREEN_HEIGHT, &Wire, -1);
 9
10void setup() {
11  Serial.begin(9600);
12
13  if (!display.begin(SSD1306_SWITCHCAPVCC, 0x3C)) {
14    Serial.println(F("SSD1306 初始化失败，请检查接线和 I2C 地址。"));
15    while (true) {
16    }
17  }
18
19  display.clearDisplay();
20  display.setTextSize(1);
21  display.setTextColor(SSD1306_WHITE);
22  display.setCursor(0, 0);
23  display.println(F("Hello, world!"));
24
25  display.setTextSize(2);
26  display.setCursor(0, 16);
27  display.println(F("SSD1306"));
28  display.display();  // 将缓冲区内容写入屏幕
29}
30
31void loop() {
32}

Adafruit SSD1306 库先在 MCU 内存缓冲区绘图，调用 display.display() 后才会把内容传输到屏幕。128×64 单色帧缓冲约占 1024 字节 SRAM；ATmega328P 只有 2 KB SRAM，因此同时使用较多库或较大的缓冲区时要留意内存占用。

9. DHT11 温湿度传感器

安装 Adafruit 的 DHT sensor library（若 IDE 提示依赖，也安装 Adafruit Unified Sensor）。裸 DHT11 通常需要数据线上拉电阻；带 PCB 的三针模块可能已集成上拉电阻。供电电压应按模块规格选择。

 1#include <DHT.h>
 2
 3#define DHTPIN 2
 4#define DHTTYPE DHT11
 5
 6DHT dht(DHTPIN, DHTTYPE);
 7
 8void setup() {
 9  Serial.begin(9600);
10  dht.begin();
11}
12
13void loop() {
14  delay(2000);  // DHT11 采样间隔较长，遵循传感器/库要求
15
16  const float humidity = dht.readHumidity();
17  const float temperature = dht.readTemperature();
18
19  if (isnan(humidity) || isnan(temperature)) {
20    Serial.println(F("读取 DHT11 失败，请检查接线。"));
21    return;
22  }
23
24  Serial.print(F("Humidity: "));
25  Serial.print(humidity, 1);
26  Serial.print(F(" % | Temperature: "));
27  Serial.print(temperature, 1);
28  Serial.println(F(" C"));
29}

传感器读数可能因型号、模块和环境而有误差。发生 NaN 时，优先检查供电、数据引脚、上拉电阻、库依赖和采样间隔。

10. 串口绘图仪

串口绘图仪适合观察随时间变化的数值。每次采样输出一行数值，多个通道之间使用逗号或制表符分隔，并以换行结束。不要把解释性文字、单位符号混进数值数据行。

 1#include <DHT.h>
 2
 3#define DHTPIN 2
 4#define DHTTYPE DHT11
 5
 6DHT dht(DHTPIN, DHTTYPE);
 7
 8void setup() {
 9  Serial.begin(9600);
10  dht.begin();
11}
12
13void loop() {
14  delay(2000);
15
16  const float humidity = dht.readHumidity();
17  const float temperature = dht.readTemperature();
18  if (isnan(humidity) || isnan(temperature)) {
19    return;
20  }
21
22  // 每行一帧；具体标签解析格式可能随 Arduino IDE 版本而异
23  Serial.print("Temperature:");
24  Serial.print(temperature, 1);
25  Serial.print(",Humidity:");
26  Serial.println(humidity, 1);
27}

绘图仪的标签语法和界面会因 Arduino IDE 版本不同而有差异。如果键值对标签没有被识别，可先改为仅输出 温度,湿度 两列数值，并查看对应 IDE 版本的串口绘图仪说明。

串口绘图仪示意

11. WS2812 / NeoPixel 灯带

WS2812 通过单线时序数据级联控制。MCU 的数据输出连接第一颗灯的 DIN（有些资料标为 DI），灯珠的 DOUT/DO 再连接下一颗的 DIN。还需连接共地，并按灯带规格提供足够的电源；多颗灯珠不应由 MCU GPIO 直接供电。

在库管理器中安装 Adafruit NeoPixel。以下例子假设数据线连接 D12、灯珠顺序为 GRB、时序为 800 kHz；具体芯片版本和灯带配置不同时应调整参数。

 1#include <Adafruit_NeoPixel.h>
 2
 3#define LED_PIN 12
 4#define NUM_LEDS 3
 5
 6Adafruit_NeoPixel pixels(NUM_LEDS, LED_PIN, NEO_GRB + NEO_KHZ800);
 7
 8void setup() {
 9  pixels.begin();
10  pixels.setPixelColor(0, pixels.Color(80, 0, 0));  // 红
11  pixels.setPixelColor(1, pixels.Color(0, 80, 0));  // 绿
12  pixels.setPixelColor(2, pixels.Color(0, 0, 80));  // 蓝
13  pixels.show();
14}
15
16void loop() {
17}

WS2812 实物连接示意

12. 实践中的几个注意点

确认板型与引脚映射：Uno、Nano 及兼容板的引脚引出和 USB 转串口电路可能不同。
注意电源与逻辑电平：传感器、显示屏和灯带的供电范围不尽相同；共地不等于信号电平兼容。
为 SRAM 留余量：ATmega328P 的 SRAM 只有 2 KB。避免不必要的大型 String、过多缓冲区和动态内存分配；固定文本可考虑 F() 宏。
串口占用 D0/D1：下载或使用 USB 串口时，尽量不要让外部电路同时驱动这两个引脚。
中断保持简短：ISR 中只做必要标记，耗时处理放回主循环，并为机械按键考虑消抖。
核对模块资料：I²C 地址、OLED 分辨率、NeoPixel 色彩顺序以及供电要求都可能因模块而异。

参考资料

Arduino 官方语言参考：查看 pinMode()、digitalRead()、analogRead()、attachInterrupt() 等 API。
Arduino Uno Rev3 官方规格：查看开发板接口和规格。
太极创客：Arduino 中文教程与实践资料。
立创开发板文档：开发板与外设参考。
W3Cschool Arduino 教程：Arduino 入门资料。

GitHub Discussions

评论区

使用 GitHub 登录，欢迎友好交流。