Sensors Actuators

传感器与执行器工程师手册

面向嵌入式/机器人/物联网工程师的实用参考。每个条目包含：原理 → 参数 → 接口 → 选型 → 代码。

一、环境传感器

1. 温湿度传感器

DHT11 / DHT22

原理： 湿度元件为高分子湿度电阻（电容式），温度为 NTC 热敏电阻。单总线数字输出。

关键参数：

接口： 单总线（需上拉电阻 4.7kΩ），GPIO 模拟时序。

选型： DHT11 适合入门/低成本场景；DHT22 精度高，适合大多数项目。两者都不适合电池供电（持续上电耗电大）。

代码 (Arduino)：

#include <DHT.h>
#define DHTPIN 2
#define DHTTYPE DHT22
DHT dht(DHTPIN, DHTTYPE);

void setup() {
  Serial.begin(9600);
  dht.begin();
}
void loop() {
  delay(2000);
  float h = dht.readHumidity();
  float t = dht.readTemperature();
  if (isnan(h) || isnan(t)) { Serial.println("Read error"); return; }
  Serial.printf("T=%.1f°C H=%.1f%%\n", t, h);
}

SHT3x / SHT4x (Sensirion)

原理： 电容式湿度 + 带隙温度传感器，I2C 数字输出，内部 ADC。

关键参数：

接口： I2C（最高 1MHz）。SHT3x 有报警引脚。

选型： 工业级首选 SHT3x；SHT4x 更低功耗、更小封装，适合可穿戴/电池供电。

代码 (Arduino)：

#include <Adafruit_SHT31.h>
Adafruit_SHT31 sht31 = Adafruit_SHT31();

void setup() {
  Serial.begin(9600);
  if (!sht31.begin(0x44)) Serial.println("SHT31 not found");
}
void loop() {
  float t = sht31.readTemperature();
  float h = sht31.readHumidity();
  Serial.printf("T=%.2f H=%.2f\n", t, h);
  delay(1000);
}

BME280 / BME680 (Bosch)

原理： BME280 = 温度 + 湿度 + 气压。BME680 额外集成金属氧化物气体传感器（VOC/IAQ）。

关键参数：

接口： I2C / SPI（CS 引脚选择）。

选型： 气象站、无人机高度计、室内空气质量监测首选。BME680 IAQ 需要运行 Bosch BSEC 库。

代码 (Arduino)：

#include <Adafruit_BME280.h>
Adafruit_BME280 bme;

void setup() {
  if (!bme.begin(0x76)) Serial.println("BME280 not found");
}
void loop() {
  Serial.printf("T=%.1f H=%.1f P=%.0f Alt=%.1f\n",
    bme.readTemperature(), bme.readHumidity(),
    bme.readPressure() / 100.0F,
    bme.readAltitude(1013.25));
  delay(1000);
}

AHT20 (ASAIR)

原理： 电容式湿度 + ASIC 温度补偿，I2C 接口，国产低成本方案。

关键参数：

• 温度：-40~85°C，精度 ±0.3°C
• 湿度：0~100%RH，精度 ±2%RH
• I2C 地址：0x38
• 供电：2.0~5.5V

选型： 性价比极高，DHT22 的替代升级。常见于国产开发板。

代码 (Arduino)：

#include <Adafruit_AHTX0.h>
Adafruit_AHTX0 aht;

void setup() {
  if (!aht.begin()) Serial.println("AHT20 not found");
}
void loop() {
  sensors_event_t h, t;
  aht.getEvent(&h, &t);
  Serial.printf("T=%.1f H=%.1f\n", t.temperature, h.relative_humidity);
  delay(1000);
}

2. 气压传感器

BMP280 / BMP388 (Bosch)

原理： 压电电阻式（MEMS 压力传感器），配合温度补偿和 ADC。

关键参数：

接口： I2C / SPI。

选型： BMP280 性价比高，适合高度计、气象站。BMP388 精度更高、噪声更低，适合无人机/精密应用。

代码 (Arduino)：

#include <Adafruit_BMP280.h>
Adafruit_BMP280 bmp;
void setup() {
  bmp.begin(0x76);
  bmp.setSampling(Adafruit_BMP280::MODE_NORMAL,
    Adafruit_BMP280::SAMPLING_X2, Adafruit_BMP280::SAMPLING_X16,
    Adafruit_BMP280::FILTER_X16, Adafruit_BMP280::STANDBY_MS_500);
}
void loop() {
  Serial.printf("P=%.2fhPa Alt=%.1fm\n", bmp.readPressure()/100, bmp.readAltitude(1013.25));
  delay(500);
}

MS5611 (Measurement Specialties)

原理： 压阻式压力传感器 + 24bit ADC，高精度。

关键参数：

• 范围：10~1200mbar
• 精度：±1.5mbar（高分辨率模式）
• 分辨率：0.01mbar（24bit）
• 接口：I2C / SPI

选型： 无人机定高、精密气象站首选之一。比 BMP280 精度更高。

3. 气体传感器

MQ 系列 (MQ-2/MQ-3/MQ-4/MQ-7/MQ-135)

原理： 金属氧化物半导体（SnO₂），目标气体在加热表面发生氧化还原反应，改变电阻值。

关键参数（通用）：

接口： 模拟输出（需 ADC）+ 数字阈值输出。

选型： 成本极低（<¥5），但需要预热（1-5min）、需要标定、非线性输出。适合教学/原型验证，不适合精密场景。

代码 (Arduino)：

const int mqPin = A0;
void setup() {
  Serial.begin(9600);
  // 预热 2 分钟
  Serial.println("Warming up...");
  delay(120000);
}
void loop() {
  int val = analogRead(mqPin);
  float ppm = map(val, 0, 1023, 0, 1000); // 需根据实际标定曲线修改
  Serial.printf("Raw=%d Approx=%.1fppm\n", val, ppm);
  delay(1000);
}

⚠️ MQ 系列实际使用需要先在洁净空气中获取 Ro（基线电阻），再用 Rs/Ro 比值查数据手册曲线换算 ppm。简单 map() 不准确。

SGP30 (Sensirion)

原理： 金属氧化物热板传感器，通过多脉冲加热循环精确测量 CO₂ 和 TVOC。

关键参数：

• CO₂ 等效：0~60000ppm，精度 ±(30ppm + 3%)
• TVOC：0~60000ppb
• 接口：I2C，地址 0x58
• 内置自校准算法

选型： 比 MQ 系列精度高很多，适合室内空气质量监测。无需手动标定。

代码 (Arduino)：

#include <Adafruit_SGP30.h>
Adafruit_SGP30 sgp;

void setup() {
  if (!sgp.begin()) Serial.println("SGP30 not found");
}
void loop() {
  if (!sgp.IAQmeasure()) return;
  Serial.printf("eCO2=%d TVOC=%d\n", sgp.eCO2, sgp.TVOC);
  delay(1000);
}

CCS811 (ams/ScioSense)

原理： 金属氧化物气体传感器 + MCU，直接输出 eCO₂ 和 TVOC 数字值。

关键参数：

• eCO₂：400~8192ppm
• TVOC：0~1187ppb
• 接口：I2C，地址 0x5A/0x5B
• 有 WAKE 和 INTn 引脚

选型： 类似 SGP30 但更便宜，功耗稍高。适合空气质量检测器。

4. 粉尘传感器

PMS5003 / PM7003 (攀藤 Plantower)

原理： 激光散射法。气泵抽气通过激光照射区，光电二极管检测散射光强度换算颗粒物浓度。

关键参数：

• 检测粒径：0.3~10µm（PM1.0/PM2.5/PM10）
• PM2.5 分辨率：1µg/m³
• 接口：UART (9600bps)，3.3V
• 工作电流：≤100mA

接口： UART 串口，32 字节固定帧格式。

选型： 空气净化器/空气质量站标准方案。PMS5003 是经典款，PM7003 更小。需要主动抽气（有风扇噪声）。

代码 (Arduino)：

#include <SoftwareSerial.h>
SoftwareSerial pmsSerial(2, 3); // RX, TX

struct PMS5003Data {
  uint16_t pm1_0, pm2_5, pm10;
  uint16_t pm1_0a, pm2_5a, pm10a; // 大气环境
} pms;

bool readPMS() {
  uint8_t buf[32];
  if (pmsSerial.available() < 32) return false;
  pmsSerial.readBytes(buf, 32);
  // 校验帧头 0x42 0x4D
  if (buf[0] != 0x42 || buf[1] != 0x4D) return false;
  // 校验和
  uint16_t sum = 0;
  for (int i = 0; i < 30; i++) sum += buf[i];
  if ((buf[30] << 8 | buf[31]) != sum) return false;
  pms.pm1_0  = buf[4]<<8 | buf[5];
  pms.pm2_5  = buf[6]<<8 | buf[7];
  pms.pm10   = buf[8]<<8 | buf[9];
  return true;
}

void setup() {
  Serial.begin(9600);
  pmsSerial.begin(9600);
}
void loop() {
  if (readPMS())
    Serial.printf("PM1.0=%d PM2.5=%d PM10=%d\n", pms.pm1_0, pms.pm2_5, pms.pm10);
}

SDS011 (Nova Fitness)

原理： 激光散射，UART 输出。

关键参数：

• 检测范围：0~999µg/m³
• 分辨率：10µg/m³
• 接口：UART 9600bps
• 工作周期可配置（连续/1分钟周期）

选型： 成本低，适合个人空气检测项目。精度不如 PMS5003。

5. 光照传感器

BH1750 (Rohm)

原理： 光电二极管 + 集成 ADC，直接输出光照度数字值（lx）。

关键参数：

• 范围：1~65535 lx
• 分辨率：1 lx（高分辨率模式）
• 接口：I2C，地址 0x23/0x5C
• 供电：3~5V

选型： 环境光感知、自动亮度调节首选。输出已经是 lx，无需换算。

代码 (Arduino)：

#include <BH1750.h>
#include <Wire.h>
BH1750 lightMeter;
void setup() {
  Wire.begin();
  lightMeter.begin();
}
void loop() {
  float lux = lightMeter.readLightLevel();
  Serial.printf("Light: %.0f lx\n", lux);
  delay(1000);
}

MAX44009 (Maxim)

原理： 集成环境光传感器，I2C 接口，超低功耗。

关键参数：

• 范围：0.045~188000 lx
• 功耗：0.65µA
• I2C 地址：0x4A/0x4B

选型： 电池供电场景首选（极低功耗）。

光敏电阻 (LDR)

原理： 硫化镉光敏电阻，光照越强电阻越小。

关键参数：

• 亮电阻：~5kΩ（10lx）
• 暗电阻：~200kΩ
• 响应时间：20-30ms（上升），秒级（下降）

接口： 分压电路 + ADC。

选型： 最简单的光照检测，但非线性、响应慢、有老化和温度漂移。适合简单的明暗检测。

代码 (Arduino)：

const int ldrPin = A0;
void setup() { Serial.begin(9600); }
void loop() {
  int val = analogRead(ldrPin);
  Serial.printf("Light level: %d\n", val);
  delay(500);
}

6. 声音传感器

MAX4466 / MAX9814

原理： 电容式驻极体麦克风 + 可变增益运放，模拟输出（音频波形）。

关键参数：

• MAX4466：增益可调（外接电阻），功耗仅 24µA
• MAX9814：固定增益 60dB，自动增益控制(AGC)，输出音频质量更好

接口： 模拟输出 → ADC 或比较器。

选型： MAX4466 做声音检测（clap 检测等）；MAX9814 做音频采集（录音等）。需要 ADC 采样率足够高。

代码 (Arduino) — 声音检测：

const int micPin = A0;
const int threshold = 512 + 100; // 基于静默电平
void setup() { Serial.begin(9600); }
void loop() {
  int val = analogRead(micPin);
  if (abs(val - 512) > 100) {
    Serial.println("Sound detected!");
    delay(200); // 消抖
  }
}

7. 紫外线传感器

VEML6070 (Vishay)

原理： 硅光电二极管，UVA 波段（320-410nm）检测。

关键参数：

• UVA 检测范围：0~11 (UV Index 1-11+)
• 分辨率：0.05
• 接口：I2C

代码 (Arduino)：

#include <Adafruit_VEML6070.h>
Adafruit_VEML6070 uv = Adafruit_VEML6070();
void setup() { uv.begin(VEML6070_1_T); }
void loop() {
  Serial.printf("UV: %d\n", uv.readUV());
  delay(500);
}

二、运动与姿态传感器

8. 加速度计 / 陀螺仪 / IMU

MPU6050 (InvenSense)

原理： 3 轴 MEMS 加速度计 + 3 轴 MEMS 陀螺仪，片上 DMP（数字运动处理器）可做传感器融合。

关键参数：

• 加速度：±2/4/8/16g，16bit
• 陀螺仪：±250/500/1000/2000°/s，16bit
• 接口：I2C，地址 0x68/0x69
• 自带 FIFO 和 DMP

选型： 最经典的 6 轴 IMU，资料多、社区活跃。适合平衡车、无人机、运动检测。

代码 (Arduino)：

#include <MPU6050_light.h>
MPU6050 mpu(Wire);

void setup() {
  Wire.begin();
  mpu.begin();
  mpu.calcOffsets(); // 自动校准
}
void loop() {
  mpu.update();
  Serial.printf("A: %.2f %.2f %.2f G: %.2f %.2f %.2f\n",
    mpu.getAccX(), mpu.getAccY(), mpu.getAccZ(),
    mpu.getGyroX(), mpu.getGyroY(), mpu.getGyroZ());
  delay(50);
}

MPU9250 / ICM-20948 (9 轴)

原理： MPU9250 = 3 轴加速度 + 3 轴陀螺 + AK8963 3 轴磁力计。ICM-20948 是其继任者。

选型： 需要 9 轴数据（含航向角）时使用。ICM-20948 更新、更省电。

ADXL345

原理： 3 轴数字加速度计，支持自由落体、敲击、活动检测。

关键参数：

• 范围：±2/4/8/16g
• 分辨率：13bit（4mg/LSB @ ±16g）
• 接口：SPI / I2C
• 中断：支持双击/自由落体/活动检测

选型： 适合低功耗场景（检测运动/倾斜），自带运动检测中断可唤醒 MCU。

BMI160 (Bosch)

原理： 3 轴加速度 + 3 轴陀螺，超低功耗。

关键参数：

• 加速度噪声：1.3mg/√Hz
• 功耗：正常模式 < 1mA，低功耗模式 < 0.5mA
• 接口：I2C / SPI

选型： 可穿戴设备首选（低功耗 + 小封装）。

9. 磁力计

HMC5883L / QMC5883L

原理： 各向异性磁阻（AMR）传感器，检测地磁场方向。

关键参数：

• 范围：±1.3~8.3 Gauss
• 精度：1~2°
• 接口：I2C

选型： 电子罗盘/指南针。HMC5883L 已停产，QMC5883L 是国产替代。

⚠️ 磁力计需要硬铁校准（八字校准法）才能准确。

10. GPS / 北斗

u-blox NEO-6M / NEO-M8N

原理： 接收 GPS/GNSS 卫星信号，解算位置、速度、时间。

关键参数：

选型： NEO-M8N 支持多星座，搜星更快。两者都通过 NMEA 协议输出。

代码 (Arduino)：

#include <TinyGPS++.h>
#include <SoftwareSerial.h>
TinyGPSPlus gps;
SoftwareSerial ss(4, 3); // RX, TX

void setup() {
  ss.begin(9600);
  Serial.begin(9600);
}
void loop() {
  while (ss.available() > 0)
    gps.encode(ss.read());
  if (gps.location.isUpdated())
    Serial.printf("Lat=%.6f Lon=%.6f\n",
      gps.location.lat(), gps.location.lng());
}

ATGM336H (中科微)

原理： 国产北斗/GPS 双模模块。

选型： 国产替代，成本低，支持北斗 B1I + GPS L1，性能与 NEO-6M 相当。

三、距离与位置传感器

11. 超声波测距

HC-SR04 / JSN-SR04T

原理： 发射 40kHz 超声波脉冲，测量回波时间计算距离。

关键参数：

• 范围：2cm400cm（HC-SR04），2cm450cm（JSN-SR04T）
• 精度：±3mm
• 接口：Trig(触发) + Echo(回波)，GPIO

选型： HC-SR04 最便宜但非防水。JSN-SR04T 探头可外置、防水，适合户外/水下。

代码 (Arduino)：

const int trigPin = 9, echoPin = 10;
void setup() {
  pinMode(trigPin, OUTPUT); pinMode(echoPin, INPUT);
  Serial.begin(9600);
}
void loop() {
  digitalWrite(trigPin, LOW); delayMicroseconds(2);
  digitalWrite(trigPin, HIGH); delayMicroseconds(10);
  digitalWrite(trigPin, LOW);
  long duration = pulseIn(echoPin, HIGH);
  float dist = duration * 0.034 / 2; // 声速 340m/s
  Serial.printf("Distance: %.1f cm\n", dist);
  delay(100);
}

12. 激光测距

VL53L0X / VL53L1X (ST ToF)

原理： 飞行时间(ToF) 测距，发射 940nm 红外激光，测量光子往返时间。

关键参数：

选型： 短距离精密测距首选。VL53L1X 范围更远、有区域可编程。用于避障、手势检测。

代码 (Arduino)：

#include <Adafruit_VL53L0X.h>
Adafruit_VL53L0X lox = Adafruit_VL53L0X();
void setup() {
  if (!lox.begin()) Serial.println("VL53L0X not found");
}
void loop() {
  VL53L0X_RangingMeasurementData_t measure;
  lox.rangingTest(&measure, false);
  if (measure.RangeStatus != 4)
    Serial.printf("Distance: %d mm\n", measure.RangeMilliMeter);
  delay(100);
}

TFmini (北醒 Benewake)

原理： ToF 测距，UART/I2C 输出。

关键参数：

• 范围：10cm~12m
• 精度：±5cm（@6m 内 ±1cm）
• 帧率：100Hz
• 接口：UART 115200bps

选型： 无人机定高、中距离测距。比 VL53L 系列远得多。

13. 红外测距

Sharp GP2Y0A21YK / GP2Y0A02YK

原理： 三角测量法。红外 LED 发射，PSD 位置敏感检测器接收，角度换算距离。

关键参数：

接口： 模拟输出（0.4~3.1V）→ ADC。

选型： 非接触距离检测，适合避障。输出非线性，需要查表/拟合曲线。

14. 接近传感器

VCNL4010 / APDS-9960

原理： VCNL4010 = 红外 LED + 光电二极管，检测反射光强。APDS-9960 = 红外接近 + RGB + 手势。

选型： VCNL4010 做物体接近检测（3-200mm）。APDS-9960 额外支持手势识别（上/下/左/右）。

四、力与压力传感器

15. HX711 称重模块

原理： 24bit 高精度 ADC，专用于桥式称重传感器（应变片）。

关键参数：

• 通道：2 通道（A/B），A 通道 128 增益，B 通道 64 增益
• 速率：10/80 SPS
• 接口：4 线（DOUT/ PD_SCK/ VCC/ GND），GPIO 模拟时序

选型： 电子秤、称重系统必备。配合 5kg/10kg/50kg 称重传感器使用。

代码 (Arduino)：

#include <HX711.h>
HX711 scale;
#define DOUT 3
#define CLK  2

void setup() {
  scale.begin(DOUT, CLK);
  scale.set_scale(2280.f); // 需要标定后填入
  scale.tare(); //去皮
}
void loop() {
  Serial.printf("Weight: %.1f g\n", scale.get_units(5));
  delay(200);
}

标定方法：放已知重量砝码，计算 scale_value = raw_value / known_weight。

FSR 力敏电阻 (FSR-402)

原理： 导电聚合物薄膜，压力越大电阻越小。

关键参数：

• 力范围：0~20N（FSR-402）
• 接口：分压电路 + ADC

选型： 抓握检测、交互式装置、简单力传感。非线性、有滞后，不适合精密测量。

Flex Sensor (弯曲传感器)

原理： 导电碳墨层，弯曲时电阻增大。

关键参数：

• 平直电阻：~10kΩ
• 弯曲 90° 电阻：3040kΩ
• 寿命：>100万次

选型： 手套控制器、角度检测、交互装置。

16. 水位传感器

电容式水位传感器

原理： 两个电极板，水位变化改变电容值。

选型： 相比电阻式，电容式不腐蚀电极，寿命更长。输出模拟电压 → ADC。

五、生物与化学传感器

17. MAX30102 (PPG / 心率 / 血氧)

原理： 光电容积脉搏波描记法(PPG)。红光 LED(660nm) + 红外 LED(880nm) + 光电二极管。

关键参数：

• LED 电流：可编程 0~50mA
• ADC：18bit
• 采样率：50~3200 SPS
• 接口：I2C，地址 0x57

选型： 心率 + SpO₂ 测量。算法需要自己实现或使用开源库（如 MAX30105 库的算法）。

代码 (Arduino)：

#include <MAX30105.h>
#include "heartRate.h"
MAX30105 particleSensor;

void setup() {
  particleSensor.begin(Wire, I2C_SPEED_FAST);
  particleSensor.setup();
  particleSensor.setPulseAmplitudeRed(0x0A);
}
void loop() {
  long irValue = particleSensor.getIR();
  if (checkForBeat(irValue)) {
    // 使用 heartRate 库处理
  }
}

18. 土壤湿度传感器

电容式土壤湿度传感器

原理： 电极间电容随土壤介电常数变化（含水量越高介电常数越大）。

关键参数：

• 输出：模拟电压 0~3.3V
• 供电：3.3~5.5V

选型： 相比电阻式，电容式不腐蚀电极、长期稳定。强烈推荐。

代码 (Arduino)：

const int soilPin = A0;
const int airValue = 3200;  // 干燥时 ADC 值（需标定）
const int waterValue = 1300; // 浸水时 ADC 值
void setup() { Serial.begin(9600); }
void loop() {
  int val = analogRead(soilPin);
  int moisture = map(val, airValue, waterValue, 0, 100);
  moisture = constrain(moisture, 0, 100);
  Serial.printf("Soil moisture: %d%%\n", moisture);
  delay(1000);
}

19. pH 传感器

模拟 pH 传感器模块

原理： pH 玻璃电极产生毫伏级电压（~59mV/pH），模块放大后输出。

关键参数：

• 范围：pH 0~14
• 精度：±0.1pH
• 输出：模拟电压

选型： 水质监测、水培系统。需要定期校准（pH 4.0/7.0/10.0 标准液）。

六、电流电压传感器

20. ACS712 电流传感器

原理： 霍尔效应。电流流过铜导体产生的磁场被霍尔元件检测。

关键参数：

接口： 模拟输出（Vcc/2 = 0A），需 ADC。

代码 (Arduino)：

const int acsPin = A0;
const float sensitivity = 0.185; // 5A 型
const float vRef = 5.0;
void setup() { Serial.begin(9600); }
void loop() {
  float voltage = analogRead(acsPin) * vRef / 1024.0;
  float current = (voltage - vRef / 2) / sensitivity;
  Serial.printf("Current: %.2f A\n", current);
  delay(500);
}

INA219 高精度电流/电压传感器

原理： 高边电流检测 + 12bit ADC，I2C 数字输出。

关键参数：

• 电压范围：0~26V
• 电流范围：取决于分流电阻（默认 ±3.2A）
• 分辨率：0.1mA（电流）、4mV（电压）
• 接口：I2C，地址 0x40~0x4F（A0/A1 地址引脚）

选型： 电池监测、功耗分析首选。比 ACS712 精度高、无零漂问题。

代码 (Arduino)：

#include <Adafruit_INA219.h>
Adafruit_INA219 ina219;
void setup() {
  ina219.begin();
  ina219.setCalibration_32V_2A(); // 根据量程选择
}
void loop() {
  float shuntV = ina219.getShuntVoltage_mV();
  float busV   = ina219.getBusVoltage_V();
  float current = ina219.getCurrent_mA();
  float power  = busV * current / 1000;
  Serial.printf("V=%.2f I=%.0fmA P=%.2fW\n", busV, current, power);
  delay(1000);
}

SCT-013 非接触电流互感器

原理： 穿心式电流互感器（CT），被测导线穿过磁环。

关键参数：

• SCT-013-000：100A:50mA（需接负载电阻 + ADC）
• SCT-013-030：30A/1V（内置采样电阻，直接 ADC）

接口： 模拟输出，需要整流/偏置电路。

选型： 家用电力监测。需配合整流电路或有效值转换芯片（如 AD736）。

七、其他传感器

21. PIR 人体红外

HC-SR501 / AM312

原理： 热释电红外传感器(PIR)，检测人体红外辐射变化。

关键参数：

• HC-SR501：检测范围 ~7m/120°，可调灵敏度和延时
• AM312：更小，固定参数，~3m/100°
• 接口：单 GPIO 数字输出

选型： HC-SR501 可调参数多，适合安防。AM312 小体积，适合低功耗。

代码 (Arduino)：

const int pirPin = 2;
void setup() {
  pinMode(pirPin, INPUT);
  Serial.begin(9600);
}
void loop() {
  if (digitalRead(pirPin) == HIGH)
    Serial.println("Motion detected!");
  delay(500);
}

22. 霍尔传感器

A3144（开关型） / 49E（线性型） / AS5048A（编码器）

原理： 霍尔效应，磁场变化产生电压。

关键参数：

• A3144：数字开关输出，检测磁场极性，需磁铁配合
• 49E：模拟线性输出，灵敏度 ~2.5mV/G
• AS5048A：14bit 角度编码器，I2C/SPI

选型： A3144 做限位/转速检测。49E 做磁场/电流检测。AS5048A 做电机角度反馈。

23. RFID / NFC

RC522 (SPI) / PN532 (I2C/SPI/UART)

原理： 13.56MHz RFID 读写，RC522 用 SPI，PN532 支持多种接口。

关键参数：

• 支持：MIFARE 1K/4K、NTAG213/215/216 等
• 读取距离：~5cm（取决于天线）
• RC522：SPI 接口
• PN532：I2C(0x24) / SPI / UART

选型： RC522 资料多、便宜。PN532 支持 P2P 模式（NFC），功能更强。

代码 (Arduino) — RC522：

#include <MFRC522.h>
#define SS_PIN 10
#define RST_PIN 9
MFRC522 rfid(SS_PIN, RST_PIN);
void setup() {
  SPI.begin();
  rfid.PCD_Init();
  Serial.begin(9600);
}
void loop() {
  if (!rfid.PICC_IsNewCardPresent()) return;
  if (!rfid.PICC_ReadCardSerial()) return;
  Serial.print("UID:");
  for (byte i = 0; i < rfid.uid.size; i++)
    Serial.printf(" %02X", rfid.uid.uidByte[i]);
  Serial.println();
  rfid.PICC_HaltA();
}

24. 水流量传感器

YF-S201

原理： 水流推动叶轮旋转，霍尔传感器输出脉冲。

关键参数：

• 流量范围：1~30 L/min
• 精度：±10%
• 脉冲系数：约 450 脉冲/升（1Hz = 1L/450s）
• 接口：GPIO 中断计数

代码 (Arduino)：

const int flowPin = 2;
volatile int pulseCount = 0;
float flowRate;
void pulse() { pulseCount++; }
void setup() {
  pinMode(flowPin, INPUT_PULLUP);
  attachInterrupt(digitalPinToInterrupt(flowPin), pulse, RISING);
  Serial.begin(9600);
}
void loop() {
  cli(); pulseCount = 0; sei();
  delay(1000);
  cli();
  flowRate = pulseCount * 1000.0 / 450.0; // mL/min
  sei();
  Serial.printf("Flow: %.0f mL/min\n", flowRate);
}

八、执行器 — 电机

25. 直流有刷电机 + L298N

原理： H 桥驱动，通过 PWM 控制转速和方向。

关键参数（L298N）：

• 电压：5~35V
• 每通道电流：2A（峰值 3A）
• 逻辑电压：5V
• 控制信号：ENA/PWM + IN1/IN2

选型： L298N 最经典但效率低（压降~2V）。替代方案：TB6612FNG（效率高、体积小）、DRV8833。

代码 (Arduino)：

#define ENA 5
#define IN1 6
#define IN2 7
void setup() {
  pinMode(ENA, OUTPUT); pinMode(IN1, OUTPUT); pinMode(IN2, OUTPUT);
}
// speed: 0~255, dir: 1=正转 -1=反转
void motorRun(int speed, int dir) {
  if (dir > 0) { digitalWrite(IN1, HIGH); digitalWrite(IN2, LOW); }
  else         { digitalWrite(IN1, LOW);  digitalWrite(IN2, HIGH); }
  analogWrite(ENA, abs(speed));
}
void motorStop() {
  digitalWrite(IN1, LOW); digitalWrite(IN2, LOW); analogWrite(ENA, 0);
}

26. 步进电机 + A4988 / TMC2209

原理： 通过脉冲控制步进角度（1.8°/步），驱动细分提高精度。

关键参数：

选型： A4988 入门首选。TMC2209 近乎静音，适合 3D 打印机/CNC。

代码 (Arduino) — 步进电机：

#define STEP_PIN 2
#define DIR_PIN  3
const int stepsPerRev = 200;
void stepMotor(int steps, int rpm) {
  int delayUs = 60000000L / (stepsPerRev * rpm);
  digitalWrite(DIR_PIN, steps > 0 ? HIGH : LOW);
  steps = abs(steps);
  for (int i = 0; i < steps; i++) {
    digitalWrite(STEP_PIN, HIGH);
    delayMicroseconds(delayUs / 2);
    digitalWrite(STEP_PIN, LOW);
    delayMicroseconds(delayUs / 2);
  }
}
void setup() {
  pinMode(STEP_PIN, OUTPUT); pinMode(DIR_PIN, OUTPUT);
  stepMotor(1600, 60); // 转 8 圈（16 细分）, 60 RPM
}

27. 舵机 (SG90 / MG996R)

原理： PWM 信号控制角度。周期 20ms，脉宽 0.52.5ms 对应 0°180°。

关键参数：

选型： SG90 适合小型项目（机器人手臂/舵机云台）。MG996R 大扭矩，适合负载较大场景。

代码 (Arduino)：

#include <Servo.h>
Servo myServo;
void setup() {
  myServo.attach(9);
}
void loop() {
  myServo.write(0);   delay(1000);
  myServo.write(90);  delay(1000);
  myServo.write(180); delay(1000);
}

28. BLDC 无刷电机 + ESC 电调

原理： ESC（Electronic Speed Controller）接收 PWM/UART 信号，驱动三相无刷电机。

关键参数：

• PWM 信号：1000~2000µs 脉宽
• 电压：7.4V22.2V（2S6S 锂电）
• ESC 可选：有传感器/无传感器

选型： 无人机动力、电动滑板等。FOC 控制更精密（SimpleFOC 库）。

代码 (Arduino) — 简单 PWM 控制：

#include <Servo.h>
Servo esc;
void setup() {
  esc.attach(9, 1000, 2000);
  esc.writeMicroseconds(1000); // 最小油门
  delay(2000); // ESC 初始化等待
}
void loop() {
  // 1000 = 停止, 1500 = 50%, 2000 = 100%
  esc.writeMicroseconds(1200);
}

九、执行器 — 显示

29. OLED SSD1306

原理： I2C/SPI 驱动 OLED 显示屏。

关键参数：

• 尺寸：0.96" (128×64) / 1.3" (128×64)
• 接口：I2C (0x3C/0x3D) 或 SPI
• 驱动芯片：SSD1306

选型： 最常用的嵌入式小屏幕。1.3" SH1106 驱动也不错。

代码 (Arduino)：

#include <Wire.h>
#include <Adafruit_GFX.h>
#include <Adafruit_SSD1306.h>
Adafruit_SSD1306 display(128, 64, &Wire, -1);
void setup() {
  display.begin(SSD1306_SWITCHCAPVCC, 0x3C);
  display.clearDisplay();
  display.setTextSize(2);
  display.setTextColor(SSD1306_WHITE);
  display.setCursor(0, 0);
  display.println("Hello!");
  display.display();
}

30. WS2812 (NeoPixel) RGB LED

原理： 单线数字协议控制颜色和亮度，每个 LED 内置控制器。

关键参数：

• 电压：5V（WS2812B）
• 协议：800kHz 单线，NRZ
• 每帧 24bit（G-R-B 各 8bit）
• 级联：数据从 DIN→DOUT 串联

选型： 氛围灯、可穿戴、状态指示。3.3V 版本可用 SK6812。

代码 (Arduino)：

#include <Adafruit_NeoPixel.h>
#define PIN 6
#define NUMPIXELS 16
Adafruit_NeoPixel pixels(NUMPIXELS, PIN, NEO_GRB + NEO_KHZ800);
void setup() { pixels.begin(); }
void loop() {
  for (int i = 0; i < NUMPIXELS; i++) {
    pixels.setPixelColor(i, pixels.Color(0, 150, 0)); // 绿色
  }
  pixels.show();
  delay(500);
}

31. TFT 彩色屏 ILI9341 / ST7789

原理： SPI 并行接口驱动 TFT 液晶。

关键参数：

• ILI9341：2.4"/2.8" 320×240
• ST7789：1.3" 240×240, 1.54" 240×240
• 接口：SPI（~40MHz）

选型： ST7789 小尺寸圆形/方形屏首选。ILI9341 适合仪表盘/UI 界面。

32. 电子墨水 e-Paper (Waveshare)

原理： 电泳显示技术，双稳态（断电保持画面），阳光下可读。

关键参数：

• 刷新时间：23s（全刷新）
• 寿命：~100万次刷新
• 尺寸：1.54"/2.13"/2.9"/4.2"/7.5"

选型： 电子价签、低功耗显示、阅读器。不适合视频/动画。

十、执行器 — 声光与开关

33. 蜂鸣器

原理： 有源蜂鸣器内置振荡电路，给电就响；无源蜂鸣器需 PWM 驱动，可控制频率。

选型： 有源：报警/提示音。无源：播放音乐/自定义音调。

代码 (Arduino)：

#define BUZZER 8
// 无源蜂鸣器播放音符
void playTone(int freq, int duration) {
  tone(BUZZER, freq, duration);
  delay(duration);
}
void setup() {
  playTone(523, 200); // C5
  playTone(659, 200); // E5
  playTone(784, 200); // G5
}

34. 继电器 / MOSFET / 晶体管

继电器

原理： 电磁线圈吸合触点，隔离控制高电压/大电流。

关键参数：

• 电磁继电器：5V/12V 线圈，触点 10A/250VAC
• 固态继电器(SSR)：光耦隔离，零交叉触发，寿命更长

选型： 电磁继电器便宜、触点压降小。SSR 无机械磨损、响应快、无火花。

MOSFET (IRF540N)

原理： 电压控制型开关，栅极电压控制漏源导通。

关键参数：

• Vds：100V
• Id：33A
• Rds(on)：44mΩ
• Vgs(th)：2~4V

选型： 逻辑电平 MOSFET（如 IRLZ44N）可直接用 3.3V/5V 驱动。IRF540N 需 10V 栅压才能完全导通。

代码 (Arduino)：

#define MOSFET_PIN 9
void setup() {
  pinMode(MOSFET_PIN, OUTPUT);
}
void loop() {
  // PWM 控制负载（如 LED、电机、加热片）
  for (int i = 0; i <= 255; i++) {
    analogWrite(MOSFET_PIN, i);
    delay(10);
  }
}

晶体管 (S8050/S8550)

原理： 电流控制型开关。S8050 NPN，S8550 PNP。

选型： 驱动小电流负载（LED、蜂鸣器、小继电器）。基极电阻 1kΩ~10kΩ。

十一、其他执行器

35. 电磁阀

原理： 电磁线圈控制阀门开闭。

关键参数：

• 常闭型(NC)：断电关闭，通电打开
• 电压：12V/24V DC（直动式）/ AC
• 接口：常温水/气/油

选型： 自动浇水、气控系统。配合继电器/MOSFET 驱动。

36. 加热片 + PID 温控

原理： PTC 陶瓷加热片或电阻加热丝，配合温度传感器和 PID 算法控温。

选型： 3D 打印机热床、恒温箱、热饮杯。PID 参数需调试（Ziegler-Nichols 法）。

十二、信号调理

37. 运放电路

同相放大器

• 增益：Av = 1 + Rf/R1
• 输入阻抗高，适合传感器信号缓冲

仪表放大器 (INA128/AD620)

• 增益：G = 1 + 50kΩ/Rg
• 高 CMRR（共模抑制比），适合桥式传感器（应变片、称重）

差分放大器

• 抑制共模噪声，适合长线传输信号

38. 滤波电路

RC 低通滤波器

• 截止频率：fc = 1/(2π·R·C)
• 用途：ADC 输入端抗混叠、去高频噪声
• 典型值：R=10kΩ, C=0.1µF → fc≈160Hz

RC 高通滤波器

• 用途：去除直流偏移、低频噪声

有源滤波器 (Sallen-Key)

• 二阶低通/高通/带通，可用运放搭建

39. 电平转换

3.3V ↔ 5V 常用方案：

40. ADC 前端

• 抗混叠滤波： RC 低通，fc < fs/2（奈奎斯特）
• 采样保持： 高速 ADC 内置，低速可用电容保持
• 参考电压： 精度决定 ADC 精度，推荐稳压源（如 LM4040）

41. 隔离

选型： 光耦最便宜适合低速信号。磁/电容隔离适合高速信号（SPI/CAN）。

附录：选型速查表

常用库汇总

📌 使用提示： 本文档可作为嵌入式项目选型和代码快速参考。所有代码基于 Arduino 平台，移植到 ESP32/STM32/RP2040 时只需调整引脚和库。涉及精度要求高的场景，务必进行标定。