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第4章：IO 扩展板与传感器接线规范

本章介绍 Keyes Raspberry Pi Pico IO 扩展板的功能、接口定义以及传感器模块的标准接线规范。

4.1 IO 扩展板概述

4.1.1 设计目的

Keyes Raspberry Pi Pico IO 扩展板专为 Pico 开发设计：

  • 免焊接：直接插拔 Pico 主板
  • 标准接口：2.54mm 排针/排母，适配各种传感器
  • 丝印标注：清晰的引脚标识
  • 电源扩展：支持 6.5-12V DC 输入

4.1.2 规格参数

参数 数值
输入电压 6.5 - 12V DC
输出电压 3.3V / 5V
最大输出电流 500mA
尺寸 45.3mm × 83.6mm
排针间距 2.54mm

4.2 扩展板接口分布

4.2.1 接口布局图

        DC 电源输入
           │
    ┌──────┴──────────────────────────────────────┐
    │   [DC 6.5-12V]        [PWR LED]  [RST BTN]  │
    │                                              │
    │   ┌─────────────────────────────────────┐   │
    │   │                                     │   │
    │   │        Pico 插槽区域                │   │
    │   │                                     │   │
    │   └─────────────────────────────────────┘   │
    │                                              │
    │  [3Pin 数字接口区]                           │
    │  G V S  G V S  G V S  G V S  G V S  G V S  │
    │  GP0   GP1   GP2   GP3   GP4   GP5        │
    │                                              │
    │  [3Pin/4Pin 模拟接口区]                      │
    │  G V S     G V D S                          │
    │  ADC0      ADC1/ADC2                        │
    │                                              │
    │  [I2C 接口]  [SPI 接口]  [UART 接口]         │
    │   G V SDA SCL                               │
    │                                              │
    └──────────────────────────────────────────────┘

4.2.2 接口类型说明

接口类型 引脚数 标识 用途
数字接口 3 Pin G V S LED、按键、数字传感器
模拟接口 3 Pin G V S 模拟传感器
复合接口 4 Pin G V D S 数字+模拟传感器
I2C 接口 4 Pin G V SDA SCL I2C 设备
SPI 接口 6 Pin G V SCK MOSI MISO CS SPI 设备
UART 接口 4 Pin G V TX RX 串口设备

4.3 接口丝印含义

4.3.1 3Pin 接口

┌─────────┐
│  G V S  │
└─────────┘
│  │  │
│  │  └── S (Signal): 信号线，连接 GPIO
│  └───── V (VCC): 电源正极，3.3V
└──────── G (GND): 电源负极，地线

4.3.2 4Pin 接口

┌───────────┐
│  G V D S  │  (数字+模拟复合)
└───────────┘
│  │  │  │
│  │  │  └── S (Signal): 模拟信号
│  │  └───── D (Digital): 数字信号
│  └──────── V (VCC): 电源
└─────────── G (GND): 地线

4.3.3 I2C 接口

┌───────────────┐
│  G V SDA SCL  │
└───────────────┘
│  │   │    │
│  │   │    └── SCL: I2C 时钟线
│  │   └─────── SDA: I2C 数据线
│  └─────────── V: 电源
└────────────── G: 地线

4.4 防反插连接线

4.4.1 设计特点

套件中的杜邦线采用防反插设计：

  • 色彩编码：红色=VCC，黑色=GND，其他=信号
  • 插头方向：只能按正确方向插入
  • 错位防护：插槽有物理限位

4.4.2 常见线缆

线缆类型 用途
3Pin 防反插线 数字/模拟传感器
4Pin 防反插线 复合传感器、I2C 设备
5Pin 防反插线 摇杆、交通灯模块
6Pin 防反插线 SPI 设备

4.5 传感器模块分类

4.5.1 按输出类型分类

数字输出传感器（开关量）：

模块 输出逻辑
按键模块 按下=低电平，松开=高电平
触摸模块 触摸=高电平，松开=低电平
避障传感器 检测到=低电平，未检测=高电平
霍尔传感器 南极=低电平，北极/无=高电平

模拟输出传感器（连续量）：

模块 输出范围
光敏传感器 0-65535（亮度越高值越小）
声音传感器 0-65535
电位器 0-65535
温度传感器 与温度成比例

4.5.2 按通信协议分类

协议 传感器示例
数字 IO LED、按键、蜂鸣器
ADC 光敏、烟雾、温度传感器
PWM 舵机、RGB LED
I2C ADXL345、DS1307、LCD
单总线 DS18B20、DHT11
红外 红外接收模块

4.6 接线注意事项

4.6.1 基本原则

  1. 确认电源极性：VCC 和 GND 绝不能接反
  2. 确认电压等级：3.3V 传感器不能接 5V
  3. 确认信号线：对照原理图接线
  4. 带电操作谨慎：建议断电接线

4.6.2 常见错误

❌ 错误 1：电源接反
症状：传感器发热、不工作、可能损坏

❌ 错误 2：信号线接错
症状：无输出或输出异常

❌ 错误 3：多个设备共用 ADC
症状：读数相互干扰

❌ 错误 4：I2C 地址冲突
症状：只有一个设备工作

4.6.3 调试建议

# 1. 检查接线
import machine
i2c = machine.I2C(0, sda=machine.Pin(20), scl=machine.Pin(21))
print("I2C 设备:", [hex(d) for d in i2c.scan()])

# 2. 测试单个引脚
from machine import Pin
pin = Pin(0, Pin.IN)
print(f"GP0 状态: {pin.value()}")

# 3. 测试 ADC
from machine import ADC
adc = ADC(26)
print(f"ADC0 值: {adc.read_u16()}")

4.7 电源管理

4.7.1 电源来源

来源 电压 电流能力
USB 5V 500mA
DC 输入 6.5-12V 取决于电源

4.7.2 功耗计算

总功耗 = Pico 功耗 + 传感器功耗

典型值：
- Pico 运行: ~50mA
- LED 模块: ~20mA
- 舵机: ~100-500mA
- 电机: ~100-300mA

4.7.3 外部供电

当连接多个功耗较大的模块（如舵机、电机）时，建议：

  1. 使用 DC 输入供电
  2. 或为大功率模块单独供电

4.8 模块编号对照

4.8.1 套件模块清单

编号 模块名称 类型 接口
1 白色 LED 模块 数字输出 3Pin
2 交通灯模块 数字输出 5Pin
3 激光模块 数字输出 3Pin
4 按键传感器 数字输入 3Pin
5 电容触摸模块 数字输入 3Pin
6 避障传感器 数字输入 3Pin
7 循线传感器 数字输入 3Pin
8 光折断模块 数字输入 3Pin
9 倾斜传感器 数字输入 3Pin
10 碰撞传感器 数字输入 3Pin
… … … …

4.8.2 引脚分配建议

# 推荐引脚分配
PINS = {
    # 数字输出
    'LED_WHITE': 0,
    'LASER': 2,
    'BUZZER_ACTIVE': 20,
    
    # 数字输入
    'BUTTON': 15,
    'TOUCH': 3,
    'OBSTACLE': 16,
    
    # 模拟输入
    'LIGHT': 26,     # ADC0
    'SOUND': 27,     # ADC1
    'POTENTIOMETER': 28,  # ADC2
    
    # I2C
    'I2C_SDA': 20,
    'I2C_SCL': 21,
    
    # PWM
    'SERVO': 16,
    'RGB': 17,
}

4.9 安全须知

4.9.1 电气安全

  • 避免短路：金属物品远离电路板
  • 防止静电：触摸前先释放静电
  • 正确供电：使用标称电压电源

4.9.2 使用安全

  • 激光模块：勿对眼睛照射
  • 蜂鸣器：避免长时间大音量
  • 电机：小心旋转部件
  • 加热元件：避免烫伤

4.10 本章小结

本章介绍了 IO 扩展板的使用方法：

  1. 扩展板提供标准化接口，简化接线
  2. 3Pin/4Pin/6Pin 接口分别用于不同类型传感器
  3. 防反插线缆减少接线错误
  4. 注意电源极性和电压等级
  5. 大功率设备需要外部供电

下一章将开始学习 LED 模块与数字输出控制。

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