使用Raspberry Pi Pico的内置ADC转换模拟输入，并读取其内部温度传感器

在前面的章节中，我们一直在使用Raspberry Pi Pico上的数字输入。数字输入只有打开(on)或关闭(off)两种状态，当按下按钮开关时，它会将引脚从低（关）到高（开）改变；当被动红外传感器检测到运动时，它也一样。

不过，我们的Pico可以接受另一种类型的输入信号：模拟输入, 数字信号是只有打开或关闭两种状态，而模拟信号可以是从完全关闭到完全打开的任何值 - 一系列可能的值。模拟输入用于从音量控制到气体、湿度和温度传感器的所有内容，它们通过称为模数转换器 (ADC)的硬件工作。

在本章中，我们将学习如何在Pico上使用ADC，以及如何利用其内部温度传感器来构建数据记录热量测量小工具, 我们还将学习一种创建类似模拟输出的技术。

Raspberry Pi Pico的RP2040微控制器是一种数字设备，就像所有主流微控制器一样, 它由数千个晶体管、类似开关的微型设备组成，这些设备可以打开或关闭。因此，我们的Pico无法真正理解模拟信号 - 可以是完全关闭和完全打开之间的任何数值 - 不依赖额外的硬件：模数转换器（ADC ）。

顾名思义，模数转换器将模拟信号转换为数字信号。不过Pico的ADC在板上找不到，因为它是内置于RP2040芯片内部的，其实许多微控制器都有自己的ADC，就像RP2040一样，而那些没有的可以使用连接到一个或多个数字输入的外部ADC上。

ADC有几个关键的技术指标：

• 以数字位为单位的分辨率；
• 以sps为单位的转换率
• 通道数 - 它可以同时接受和转换多少路模拟信号；

Pico中的ADC具有12位的分辨率，这意味着它能够将输入端的模拟信号转换为从0到4095的数字信号，尽管在MicroPython中的处理范围为16位 - 从0到65,535，因此它的行为与其它 MicroPython微控制器上的ADC相同。RP2040具有4个连接到GPIO引脚的通道：GP26、GP27、GP28和GP29，对应于模拟通道0、1、2和3，它们也被称为GP26ADC0、GP27ADC1、GP28ADC2、GP29ADC3。其实还有第5个ADC通道，它连接到RP2040内置温度传感器，在树莓派Pico核心板/硬禾Pico核心板上GP26、GP27和GP28被引出到外扩的管脚上，GP29则被用于监测板上电压，不能用户扩展使用。

连接到Pico模数转换器的每个引脚既可以用作简单的数字输入、输出，也可以将其用作模拟输入，这时候我们需要一个模拟信号，比较简单的方式就是用电位器/电位计制作一个。

可以使用的电位计有多种，例如我们在第7章中使用的HC-SR501被动红外传感器上的电位器，它被设计为可以用螺丝刀调节；其它的通常用于音量控制和其它输入可以用旋钮或滑块来调节。 最常见的类型有一个小的、通常是塑料的，从顶部或前面伸出的旋钮来调节，这种电位计被称为旋转电位计。

打开Thonny并开始一个新程序：

import machine 
import utime

与数字通用输入/输出 (GPIO) 引脚一样，模拟输入引脚由machine库处理, 就像数字引脚一样，在使用之前需要设置它们。 继续我们的程序：

potentiometer = machine.ADC(26)

这将引脚GP26_ADC0配置为模数转换器上的第一个通道ADC0。 要从引脚读取，请设置一个循环：

while True: 
    print(potentiometer.read_u16()) 
    utime.sleep(2)

在这个循环中，读取引脚的值并将其打印在一行上。

读取模拟输入几乎与读取数字输入相同，除了一件事：读取数字输入时使用read()，但使用read_u16()读取该模拟输入。最后一部分u16只是告诉我们将收到一个16位无符号的整数，即0到65,535之间的整数，而不是二进制0或1结果。

单击运行图标并将我们的程序保存为Potentiometer.py。

观看Shell部分：我们会看到程序打印出大量数字，可能超过60,000。尝试将电位计一直朝一个方向旋转：根据我们转动旋钮的方向和我们在电路中使用的外部引脚，数字会上升或下降；反过来：该值将向相反的方向变化。但是，无论我们朝哪个方向转动，它都不会接近0。这是因为只有两条腿连接，电位计充当称为可变电阻器或变阻器的器件。

压敏电阻是一个可以改变值的电阻器， 在10kΩ电位计的情况下，介于0Ω和10,000Ω之间。电阻越高，来自3V3引脚的电压到达我们的模拟输入端的电压就越低——因此数字会下降。电阻越低，到达我们的模拟输入的电压就越大，因此数字会增加。

电位计的工作原理是在内部有一个导电条，连接到两个外部引脚，以及一个雨刷或刷子连接到内部引脚。当我们转动旋钮时，雨刷器会靠近条带的一端而远离另一端。雨刮器离我们连接到Pico 3V3引脚的条带末端越远，电阻越高；离得越近，电阻越小。

压敏电阻是非常有用的器件，但有一个缺点：无论我们将旋钮向任一方向旋转多远，都无法获得0值， 或接近它的任何值。这是因为10kΩ电阻器的强度不足以将3V3引脚的输出降至0V。我们可以寻找具有更高最大电阻的更大电位器，或者可以简单地将现有电位器连接起来作为分压器。

电位器上未使用的引脚不是用来展示的：在电路中添加到该引脚的连接完全改变了电位器的工作方式。单击停止图标以停止您的程序，并抓住两根公对公 (M2M) 跳线。如图 8-3 所示，使用一个将电位计未使用的引脚连接到面包板的接地轨。取另一个并将接地轨连接到Pico上的GND引脚。

单击运行图标以重新启动程序。 再次转动电位计旋钮，从一个方向一直旋转到另一个方向。 观察打印到 Shell区域的值：与以前不同，它们现在从接近零变为接近完整的65,535——但为什么呢？将接地连接添加到电位计导电条的另一端创建了一个分压器：而在电位计之前只是充当3V3引脚和模拟输入引脚之间的电阻器，它现在将3.3 V输出之间的电压分压为3V3引脚和GND引脚的0V。 将旋钮完全旋转一个方向，您将获得3.3V的100%； 完全反过来，0%。

您在Shell上看到的数字是模数转换器原始输出的十进制表示——但这并不是最友好的查看方式，尤其是当您忘记65,535表示“全电压”时。不过，有一个简单的方法可以解决这个问题：一个简单的数学方程。 返回您的程序，并在循环上方添加以下内容：

conversion_factor = 3.3/(65535)

这建立了一种数学方法，可以将模数转换器提供给您的数字转换为它所代表的实际电压的近似值。 第一个数字是引脚可以预期的最大可能电压：3.3V，来自Pico的3V3引脚；第二个数字是模拟输入读数的最大值 - 65,535。 总而言之，转换因子是由“3.3 除以65,535”创建的数字 - 最大可能电压除以模数转换器报告的值范围，这反过来又是其分辨率的特征（以位为单位）。 设置转换系数后，您只需在程序中使用它即可。 回到你的循环，编辑它以阅读：

while True:
    voltage = potentiometer.read_u16() * conversion_factor 
    print(voltage)
    utime.sleep(2)

循环内的第一行通过模拟输入引脚从电位计读取读数，并将其（* 符号）乘以您之前在程序中设置的转换因子，将结果存储为可变电压。 然后将该变量打印到Shell，代替您之前使用的原始读数。 您完成的程序将如下所示：

import machine 
import utime
potentiometer = machine.ADC(26)
conversion_factor = 3.3/(65535)
while True:
    voltage = potentiometer.read_u16() * conversion_factor 
    print(voltage)
    utime.sleep(2)

单击运行图标。将电位计一直朝一个方向转动，然后再朝另一个方向转动。观察打印到Shell区域的数字：您会看到，当电位器一直处于单向位置时，数字非常接近于零；当完全相反时，它们非常接近3.3。这些数字代表引脚读取的实际电压——当你转动电位器的旋钮时，你正在最小和最大之间平滑地划分电压，0V到3.3V。 恭喜：您现在知道如何将电位计连接为压敏电阻和分压器，以及如何将模拟输入读取为原始值和电压！

Raspberry Pi Pico 的RP2040微控制器有一个内部温度传感器，可在第四个模数转换器通道上读取。与电位计一样，传感器的输出是可变电压：随着温度的变化，电压也会发生变化。 启动一个新程序，并导入 machine 和 utime 库：

import machine 
import utime

再次设置模数转换器，但这次不是使用引脚编号，而是使用连接到温度传感器的通道编号：

sensor_temp = machine.ADC(4)

您将再次需要转换系数，将传感器的原始读数更改为电压值，因此添加：

conversion_factor = 3.3/(65535)

然后设置一个循环从模拟输入读取读数，应用转换因子，然后 将它们存储在一个变量中：

while True:
    reading = sensor_temp.read_u16() * conversion_factor

但是，您不需要直接打印读数，而是需要进行第二次转换 - 将模数转换器报告的电压转换为摄氏度：

temperature = 27 - (reading - 0.706)/0.001721

这是另一个数学方程，并且特定于RP2040中的温度传感器。这些值取自称为数据表或数据手册的技术文件：所有电子元件都有数据表，通常应制造商的要求提供。 您可以在 rptl.io/rp2040-get-started 的 Pico 文档中查看 RP2040 的数据表——它包含了关于微控制器如何工作的完整信息，尽管它是针对工程师的，因此具有很强的技术性。

最后，完成你的循环：

print(temperature) 
utime.sleep(2)

Your program will now look like this:

import machine 
import utime
sensor_temp = machine.ADC(4)
conversion_factor = 3.3 / (65535)
while True:
    reading = sensor_temp.read_u16() * conversion_factor 
    temperature = 27 - (reading - 0.706)/0.001721 
    print(temperature)
    utime.sleep(2)

单击运行图标并将您的程序保存为Temperature.py。 观察外壳区域：您会看到打印的数字代表传感器报告的温度（以摄氏度为单位）。

尝试将指尖轻轻按在Pico中间最大的黑色芯片RP2040上，保持一段时间，手指的温暖应该会使芯片变暖，温度会升高。将手指从芯片上移开，温度会再次下降。

恭喜 - 我们已经将Pico变成了温度计！

Pico中的模数转换器仅以一种方式工作：它将模拟信号转换为微控制器可以理解的数字信号。如果我们想通过数字微控制器得到一个模拟量输出，我们通常需要一个数模转换器(DAC)， 但一般的微控制器中没有内置的DAC，不过有一种方法可以“伪造”模拟信号，使用一种叫做脉宽调制或PWM的技术。

微控制器的数字输出只能是0或1，打开和关闭数字输出称为脉冲，通过改变引脚打开和关闭的速度，我们可以改变或调制这些输出的脉冲宽度， 因此称之为“脉宽调制”。

Pico上的每个GPIO引脚都能够进行脉宽调制，但RP2040微控制器的脉宽调制块由八个切片（slice）组成，每个切片有两个输出。看图 8-4：你会看到每个引脚都有一个字母和一个数字。数字代表连接到该引脚的PWM片；字母表示使用切片的哪个输出。

是不是听起来很晕？不要担心：这意味着我们需要确保跟踪正在使用的PWM切片和输出，确保仅连接到带有字母和数字组合的引脚已经使用。如果我们在GP0针脚上使用PWMA[0]并在针脚GP1上使用PWMB[0]，则一切正常，如果我们在管脚GP2上添加PWMA[1]，是没有问题的。但是，如果我们尝试在引脚GP0和引脚GP16上使用PWM通道，则会遇到问题，因为它们在芯片的内部都连接到PWMA[0]。

单击Thonny工具栏下方的选项卡，返回我们的第一个程序；

如果已经关闭它，请单击“打开”图标并从我们的Pico中加载Potentiometer.py。

将电位计设置为模数输入的位置下方，键入：

led = machine.PWM(machine.Pin(15))

这会在引脚GP15上创建一个LED对象，但有一个区别：它激活引脚上的脉宽调制输出，通道B[7]——第八个切片的第二个输出，从零开始计数。

我们还需要设置PWM的频率，是我们可以更改的，用以控制或调制脉冲宽度的两个值之一。 在读数下方立即添加另一行：

led.freq(1000)

这将设置频率为1000赫兹 - 每秒一千个周期。 接下来，转到程序的底部并在添加以下内容之前删除print(voltage)和utime.sleep(2)行，记住将其缩进4个空格，使其成为循环中嵌套代码的一部分：

led.duty_u16(potentiometer.read_u16())

这条线从连接到电位计的模拟输入中获取原始读数，然后将其用作脉宽调制的第二个参数：占空比。占空比控制引脚的输出：0%的占空比使引脚在每秒1000个脉冲时关闭，并有效地关闭引脚； 100%的占空比使引脚在每秒1000个脉冲时都处于开启状态，并且在功能上等同于仅将引脚作为固定数字输出开启；占空比为50%时，引脚打开一半脉冲，关闭一半脉冲。

为了能够正确控制LED的亮度，我们需要将模拟输入的值映射到PWM片可以理解的范围。执行此操作的最佳方法是告诉MicroPython我们将占空比值作为无符号16位整数传递，与我们从Pico的模拟输入引脚接收到的数字格式相同。这是通过使用led.duty_u16实现的。

最后的程序将如下所示：

import machine 
import utime
potentiometer = machine.ADC(28) 
led = machine.PWM(machine.Pin(25)) 
led.freq(1000)
while True: 
    led.duty_u16(potentiometer.read_u16())

单击“运行”图标并尝试将电位计一直转动到一个方向，然后再转动到另一个方向。

观察LED：这一次，除非我们使用对数电位器，否则我们会看到LED的亮度从电位器旋钮限制的一端完全关闭到另一端完全点亮。

到此，我们不仅掌握了模拟输入，而且现在可以使用脉宽调制创建等效于模拟输出的内容！