Arduino 与 MicroPython 基础入门：PWM、GPIO、ADC、串口、Socket 与计时基础

这篇笔记整理了 Arduino UNO 与 ESP32-C3 MicroPython 开发里最常用的基础知识，包括 PWM、时间函数、GPIO、ADC、多线程、串口、Socket 以及 Arduino 常见数值类型。内容尽量保持“短、准、方便查阅”，适合作为入门和速查参考。

一、PWM 输出基础：

Arduino analogWrite() 与 MicroPython PWM

PWM（脉宽调制）通过周期性切换高低电平来调节平均输出效果，本质上不是真正的模拟电压。

核心思想（面积等效原理）：在具有惯性的负载（如电机、电感、LED）上，快速开关的高频脉冲会因为惯性而“平滑”成平均值。脉冲宽度越宽，平均能量越大，等效于连续的模拟电压。

数学上，平均电压约等于：电源电压 × 占空比。

pwm占空比有效值

1.1 Arduino PWM 函数原型

analogWrite() - Arduino 官方文档

void analogWrite(uint8_t pin, int value);

• pin：要输出 PWM 的引脚编号
• value：占空比设定值，通常为 0~255
• 官方说明：在支持的引脚上输出 PWM 波

典型写法：

pinMode(pin, OUTPUT);
analogWrite(pin, value);

• value 范围通常为 0~255
• 0 表示始终低电平
• 255 表示始终高电平
• 128 约等于 50% 占空比

支持 PWM 的引脚在开发板丝印上通常带有 ~ 标记。
analogWrite() 输出的是 PWM 波形，不是真正 DAC 模拟输出。

1.2 MicroPython PWM 构造原型

PWM 类 – 脉宽调制 — MicroPython 中文文档

machine.PWM(dest, *, freq, duty_u16, duty_ns)

• dest：要绑定为 PWM 输出的引脚对象，通常是 Pin 对象
• freq：PWM 频率，单位 Hz
• duty_u16：16 位占空比，范围通常为 0~65535，数值越细，调节越平滑
• duty_ns：以纳秒表示的高电平持续时间

典型写法：

from machine import Pin, PWM

pin = Pin(2, Pin.OUT)
pwm = PWM(pin, freq=1000, duty_u16=32768)

• freq 用于设置 PWM 频率
• duty_u16 用于设置占空比

PWM 输出只有高电平和低电平两种状态，但某些负载或电路会对其进行“平均化”处理：

• LED 依赖人眼视觉暂留，表现为亮度变化
• 电机因机械惯性，表现为转速变化
• 经过 RC 滤波后，可得到较平滑的平均电压

1.3 PWM 常见概念：周期、频率、占空比、分辨率

• 周期 T：一个完整 PWM 循环所需时间
• 频率 f：每秒重复的次数，公式：f = 1 / T
• 高频率通常更不容易让电机、LED 等负载出现明显抖动或可闻噪声
• 占空比：高电平时间占整个周期的比例，公式：Duty = t_high / T × 100%
• 例如：f = 1kHz 时，周期 T = 1ms；若高电平持续 0.25ms，则占空比为 25%
• 分辨率：占空比可调的离散档位数
  • Arduino UNO 的 analogWrite() 常见为 8 位，即 0~255，共 256 级
  • MicroPython 的 duty_u16 常见为 16 位，即 0~65535，共 65536 级
• 分辨率越高，占空比步进越细，调光、调速通常越平滑
• PWM 生成方式通常可理解为比较器比较：一个输入是锯齿波/三角波（载波），另一个是调制信号（目标值）。当调制信号高于载波时输出高电平，否则输出低电平，从而形成不同宽度的脉冲
• Arduino UNO 默认 PWM 频率会随引脚和定时器不同而变化，常见约为 490Hz 或 980Hz
• 在很多芯片里，PWM 频率和分辨率往往互相制约：频率调得越高，可用于细分占空比的计数空间可能越小

二、时间函数与延时：

millis()、micros()、ticks_us()

时间函数的原理，本质上是读取芯片内部定时器累计的计数值。程序运行后，计数会按固定节拍不断增加，因此可以换算成毫秒或微秒来做计时；延时函数则是持续等待，直到计数达到设定时长。

2.1 Arduino 计时函数

micros() | Arduino Documentation

unsigned long millis(void);
unsigned long micros(void);

• micros()：返回自 Arduino 主板开始运行当前程序以来的微秒数
• millis()：返回自主板开始运行当前程序以来的毫秒数
• micros() 达到上限后会回绕：大约 70 分钟后溢出归零，2^32 / 1000000 / 60 ≈ 71.58 分钟
• millis() 达到上限后会回绕：约 49.7 天

循环耗时示例：

unsigned long start = micros();
// 循环中的代码
unsigned long elapsed = micros() - start;

Arduino 没有像 ticks_diff() 这样的专门函数，但通常可直接用无符号减法计算时间差，即用“当前值 - 起始值”来处理回绕后的计时。

例如：1 - 4294967290 = 7（按 2^32 取模）

static inline unsigned long ticks_diff(unsigned long t1, unsigned long t0) {
    return t1 - t0;
}
// 注意传入顺序：当前时刻 - 起始时刻

• 适用于 millis() / micros() 返回值的差值计算
• 依赖 unsigned long 的回绕特性：无符号减法天然按 模 2^32 运算

2.2 MicroPython 计时函数

time – 时间相关功能 — MicroPython 中文文档

time.time()
time.ticks_ms()
time.ticks_us()
time.ticks_diff(t1, t0)

• time()：获取当前时间戳，表示自 EPOCH 起点开始累计的秒数
• EPOCH 可理解为时间系统约定的“零点”
• 若 RTC 未正确设置，则 time() 返回的可能是自上次上电、复位或其他硬件参考点开始累计的秒数
• ticks_ms()：返回毫秒计数，更适合程序运行计时
• ticks_us()：返回微秒计数，更适合更精细的程序运行计时
• ticks_ms() / ticks_us() 不是无限增大，该计数器达到上限后会回绕
• ticks_diff()：用于处理回绕后的差值计算，因此不建议直接相减

循环耗时示例：

import time

start = time.ticks_us()
# 循环中的代码
elapsed = time.ticks_diff(time.ticks_us(), start)

2.3 Arduino 与 MicroPython 延时函数

Arduino：

delay() | Arduino Documentation

void delay(unsigned long ms);
void delayMicroseconds(unsigned int us);

• delay(ms)：延时指定毫秒
• delayMicroseconds(us)：延时指定微秒

MicroPython：

time.sleep(seconds)
time.sleep_ms(ms)
time.sleep_us(us)

• sleep(seconds)：延时指定秒
• sleep_ms(ms)：延时指定毫秒
• sleep_us(us)：延时指定微秒

三、数字引脚与 GPIO：输入输出最常用的基础

GPIO（General Purpose Input/Output）即通用输入输出引脚，可用于读取高低电平，或输出高低电平控制外设。

3.1 Arduino 数字引脚函数

pinMode() - Arduino 官方文档

digitalWrite() - Arduino 官方文档

digitalRead() - Arduino 官方文档

void pinMode(uint8_t pin, uint8_t mode);
void digitalWrite(uint8_t pin, uint8_t val);
int digitalRead(uint8_t pin);

• pin：引脚编号
• mode：引脚模式，常用 INPUT、OUTPUT、INPUT_PULLUP
• val：输出电平，常用 LOW、HIGH

典型写法：

pinMode(13, OUTPUT);
digitalWrite(13, HIGH);

pinMode(2, INPUT_PULLUP);
int state = digitalRead(2);

• digitalWrite()：输出高低电平
• digitalRead()：读取引脚电平状态

3.2 MicroPython GPIO

Pin 类 – 控制 I/O 引脚 — MicroPython 中文文档

machine.Pin(id, mode=-1, pull=-1, *, value, drive, alt)
pin.value([x])

• id：引脚编号，ESP32 上通常直接写 GPIO 号
• mode：引脚模式，常用 Pin.IN、Pin.OUT
• pull：上下拉设置，常用 Pin.PULL_UP、Pin.PULL_DOWN
• value([x])：不带参数时读取电平，带参数时设置输出电平

典型写法：

from machine import Pin

led = Pin(2, Pin.OUT)
led.value(1)

key = Pin(4, Pin.IN, Pin.PULL_UP)
state = key.value()

• Arduino 常用板级引脚号
• MicroPython 在 ESP32 上通常直接使用 GPIO 编号

四、模拟输入 ADC：把电压读成数字

ADC（Analog to Digital Converter）用于把模拟电压转换为数字量，便于程序读取。

4.1 Arduino 模拟输入

analogRead() - Arduino 官方文档

int analogRead(uint8_t pin);

• pin：模拟输入引脚，UNO 常用 A0~A5
• 返回值在 UNO 上通常为 0~1023
• 默认参考电压常用 5V

典型写法：

int value = analogRead(A0);

• 0 表示接近 0V
• 1023 表示接近参考电压

4.2 MicroPython 模拟输入

ADC 类 – 模数转换 — MicroPython 中文文档

machine.ADC(id)
adc.read()

• id：ADC 引脚对象或通道
• read()：读取 ADC 数值
• 在 ESP32 上常见返回范围为 0~4095

典型写法：

from machine import ADC, Pin

adc = ADC(Pin(4))
value = adc.read()

• 0 表示输入电压较低
• 较大数值表示输入电压较高
• 不同芯片的 ADC 位数和参考范围可能不同

五、多线程与并发：Arduino UNO 和 ESP32-C3 有什么不同

多线程用于让程序同时处理多个任务。需要注意：同时做多件事不一定等于真正并行执行，还可能只是快速切换执行。

5.1 Arduino UNO 的并发思路

Arduino UNO 本身没有操作系统，也没有官方原生多线程机制，通常只有一个 loop() 主循环。

• UNO 一般是单线程、单核执行
• 常见做法不是开线程，而是用 millis() + 状态机 + 非阻塞写法来“并发”处理多个任务
• 中断可以处理突发事件，但中断不等于多线程

典型思路：

unsigned long t1 = 0;
unsigned long t2 = 0;

void loop() {
    unsigned long now = millis();

    if (now - t1 >= 100) {
        t1 = now;
        // 任务1
    }

    if (now - t2 >= 500) {
        t2 = now;
        // 任务2
    }
}

• 这种方式常叫“时间片轮询”或“非阻塞任务调度”
• 对 UNO 来说，这通常比强行做多线程更实用

5.2 ESP32-C3 MicroPython 多线程

ESP32-C3 是单核芯片，但 MicroPython 中通常可以使用 _thread 模块创建线程。

import _thread

• 可以创建多个线程并发执行任务
• 由于 ESP32-C3 是单核，多个线程通常是轮流调度执行，不是真正双核并行
• 线程之间共享变量时要注意同步问题
• 不同固件版本对 _thread 的支持程度可能略有差异

典型写法：

import _thread
import time

def task():
    # 子线程死循环
    while True:
        # 打印线程状态 + 时间戳（保留2位小数）
        print(f"[{time.time():.2f}] thread running")
        time.sleep_ms(500)

# 启动多线程
_thread.start_new_thread(task, ())

# 主循环
while True:
    # 打印主循环状态 + 时间戳
    print(f"[{time.time():.2f}] main loop")
    time.sleep(2)

micropython多线程运行截图

• _thread.start_new_thread(function, args)：启动新线程
• 更适合把网络、串口、传感器轮询等任务拆开处理
• 如果任务很简单，很多时候 uasyncio 也比多线程更常用

六、串口输入输出：Arduino Serial 与 MicroPython UART

串口通信常用于与电脑、传感器、模块或其他单片机交换数据。常见操作包括：初始化波特率、发送数据、判断是否收到数据、读取数据。

6.1 Arduino 串口

Serial | Arduino Documentation

Serial.begin(baud);
Serial.print(val);
Serial.println(val);
int Serial.available();
int Serial.read();

• Serial.begin(baud)：初始化串口，常见如 9600、115200
• print()：发送文本或数字，不自动换行
• println()：发送后自动换行
• available()：返回接收缓冲区中可读取的字节数
• read()：读取 1 个字节，没有数据时通常返回 -1

典型写法：

void setup() {
    Serial.begin(115200);
}

void loop() {
    if (Serial.available()) {
        int ch = Serial.read();
        Serial.print("recv: ");
        Serial.println(ch);
    }
}

• Arduino UNO 上硬件串口主要是 D0(RX) / D1(TX)
• 它通常和 USB 串口共用，因此下载程序、串口监视器、外设通信之间可能互相影响

6.2 MicroPython 串口

UART 类——双工串行通信总线 — MicroPython中文 1.17 文档

from machine import UART

machine.UART(id, baudrate=9600, tx=..., rx=...)
uart.write(data)
uart.any()
uart.read([n])

• UART(id, baudrate=..., tx=..., rx=...)：创建串口对象并指定波特率、TX、RX 引脚
• write(data)：发送数据
• any()：返回接收缓冲区中可读取的字节数
• read([n])：读取数据，不传参数时尽量读取当前全部可读数据

典型写法：

from machine import UART, Pin

uart = UART(1, baudrate=115200, tx=Pin(0), rx=Pin(1))
uart.write("hello\n")

if uart.any():
    data = uart.read()
    print(data)

• 在 ESP32-C3 上，串口号和默认引脚会因固件或板卡而异，实际项目里常手动指定 tx / rx
• read() 返回的通常是 bytes，如需文本可再做解码

七、MicroPython Socket 基础：联网后怎么收发数据

Socket 可理解为网络通信的“接口端点”，常用于 TCP / UDP 通信。在 MicroPython 里，通常先联网，再通过 socket 模块创建套接字。

7.1 常见导入方式

import socket

7.2 常见流程

import network
import socket

wlan = network.WLAN(network.STA_IF)
wlan.active(True)
wlan.connect("WiFi名", "密码")

addr = socket.getaddrinfo("example.com", 80)[0][-1]
s = socket.socket()
s.connect(addr)
s.send(b"GET / HTTP/1.0\r\nHost: example.com\r\n\r\n")
data = s.recv(1024)
s.close()

• socket.getaddrinfo(host, port)：把域名和端口解析成可连接地址
• socket.socket()：创建 socket 对象
• connect(addr)：连接远端主机
• send() / recv()：发送和接收数据
• close()：关闭连接
• 如果是网页请求，常见是 TCP；如果是局域网广播、简单数据包，也可能用 UDP

7.3 常见说明

• Socket 更像底层网络接口，HTTP、MQTT 等协议通常都建立在它之上
• recv(n) 不一定一次返回完整数据，实际项目中常需要循环接收
• 不同固件版本提供的方法可能略有差异
• 如果网络不稳定，建议配合超时、异常处理一起使用

八、Arduino UNO 常见数值类型：范围、字节大小与区别

下表以 Arduino UNO / ATmega328P 为参考，不同架构开发板（如 ESP32、ARM）上的大小可能不同。

• int 在 UNO 上是 16 位，不像 32 位电脑环境里是 32 位
• unsigned long 常用于时间计数、位运算和较大范围数值
• float 与 double 在 UNO 上通常都是 4 字节

8.1 float 和 double 的区别

• 在很多电脑和高性能平台上，float 通常是 4 字节单精度，double 通常是 8 字节双精度
• 但在 Arduino UNO / ATmega328P 上，double 通常与 float 相同，都是 4 字节
• 因此在 UNO 上使用 double，通常不会比 float 获得更高精度
• 如果代码要移植到 ESP32、STM32、PC 等平台，double 的大小和精度可能会不同

九、常见误区与速查结论

• analogWrite() 输出的是 PWM 波形，不是严格意义上的模拟电压
• millis()、micros()、ticks_ms()、ticks_us() 都会回绕，做差值时要用正确方法
• Arduino UNO 没有官方原生多线程，常见做法是 主循环 + 非阻塞调度
• MicroPython 的 UART.read() 和 Socket 的 recv() 读到的通常是 bytes
• Arduino UNO 上 double 往往和 float 一样，别默认它一定更高精度

如果你只是想快速查用法，优先记住这几个关键词：PWM、GPIO、ADC、串口、Socket、计时回绕、float/double 差异。

如果你正在学习 Arduino UNO 或 ESP32-C3 MicroPython，那么上面这些 PWM、GPIO、ADC、串口、Socket 与计时函数，就是最值得优先掌握的一批基础能力。后续继续深入时，可以再从中断、定时器、I2C、SPI、滤波、PID 控制与网络协议逐步扩展。

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10.1 SEO 标题（Title）

Arduino 与 MicroPython 入门扫盲：PWM、GPIO、ADC、串口、Socket 与计时基础

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本文系统整理 Arduino UNO 与 ESP32-C3 MicroPython 的基础知识，包括 PWM、GPIO、ADC、串口、Socket、millis、micros、ticks_us 等核心内容，适合入门学习与开发速查。

10.3 文章摘要（Excerpt）

这是一篇面向入门与查阅场景的 Arduino / MicroPython 基础笔记，涵盖 PWM 输出、时间函数、GPIO、ADC、串口通信、Socket 网络通信、多线程以及 Arduino UNO 常见数值类型，适合作为 ESP32-C3 与 Arduino UNO 开发的基础速查表。

10.4 推荐 Slug

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10.5 推荐分类（Category）

• 嵌入式开发
• Arduino
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10.6 推荐标签（Tags）

• Arduino
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10.7 SEO 关键词参考

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