【CanMV K210】传感器实验烟雾传感器 AO/DO 双路检测与蜂鸣器报警

智能硬件项目中的传感器实验，核心价值并不只是"读到一个数值"。更重要的是让程序具备感知环境变化的能力，并根据检测结果驱动外部设备做出反馈。烟雾检测就是一个非常典型的场景：传感器负责感知空气状态，开发板负责读取信号，程序负责判断是否异常，蜂鸣器负责把异常状态转化成可听见的报警提示。

本实验使用 CanMV K210 开发板读取烟雾传感器的 AO 和 DO 两种输出信号。DO 数字量输出直接接入 GPIO，用来判断是否达到报警阈值；AO 模拟量输出接入 PCF8591 模数转换模块，用来观察烟雾浓度变化趋势。程序运行后，会循环读取烟雾传感器状态，当 DO 触发烟雾报警条件时，蜂鸣器会按照设定节奏间歇鸣叫；环境恢复正常时，蜂鸣器关闭，串口持续输出当前检测状态。

学习目标	说明
理解 AO/DO 双路输出	区分烟雾传感器模拟量输出和数字量输出的作用
掌握 GPIO 输入检测	使用 GPIO 读取 DO 数字触发信号
掌握 ADC 模拟量采集	通过 PCF8591 读取 AO 模拟量变化
理解报警输出控制	使用 GPIO 控制有源蜂鸣器进行间歇报警
建立环境监测思路	将传感器输入、状态判断和外设反馈组合成完整检测流程

本实验用于课程学习和传感器原理演示，不能替代专业消防报警设备。实验时应保持通风，避免使用明火或危险气体进行测试。

理论基础

烟雾传感器模块常见输出方式包括 AO 和 DO。AO 是模拟量输出，会随着气体浓度或烟雾状态变化而连续变化，适合观察趋势；DO 是数字量输出，由模块上的比较器和电位器决定触发阈值，适合快速判断是否达到报警条件。AO 更适合"看变化"，DO 更适合"做判断"。

普通 GPIO 只能稳定读取高低电平，适合读取 DO 这种数字信号。AO 属于模拟电压信号，不能直接通过普通 GPIO 精确读取，因此本实验使用 PCF8591 模数转换模块把 AO 转换成数字值。程序通过 I2C 访问 PCF8591，再读取 AIN0 通道得到烟雾传感器的模拟量参考值。

蜂鸣器属于报警输出设备。当前代码使用的是有源蜂鸣器，不需要程序输出 PWM 音调，只需要通过 GPIO 输出触发电平即可控制响与停。代码中 BUZZER_ACTIVE_LEVEL = 0、BUZZER_SILENT_LEVEL = 1，表示当前蜂鸣器按低电平触发方式编写。

下面这张流程图从电路控制链路理解本实验。烟雾传感器同时输出 AO 和 DO，DO 进入 GPIO 做报警判断，AO 经过 PCF8591 转换后用于观察变化趋势，最终由程序决定是否启动蜂鸣器报警。
空气环境

烟雾 / 气体变化
烟雾传感器模块

AO / DO 双路输出
DO 数字输出

达到阈值后电平变化
CanMV K210

物理引脚 8
GPIOHS0 输入

read_gas_do()
报警判断

is_gas_detected()
AO 模拟输出

浓度变化趋势
PCF8591 AIN0

ADC 模数转换
I2C 通信

SCL=6 / SDA=7
AO 数值读取

read_gas_adc()
状态逻辑

环境安全 / 检测到烟雾
蜂鸣器控制

alarm_beep()
有源蜂鸣器

间歇报警
模块供电

VCC
公共地线

GND

从这条链路可以看出，本实验不是单纯读取一个传感器值，而是同时使用了数字量输入、模拟量采集和声音输出。DO 用于判断是否报警，AO 用于观察环境变化，蜂鸣器用于把异常状态反馈给使用者。这种结构很接近真实环境监测设备的基本工作方式。

硬件设施

本实验真正使用到的硬件包括 CanMV K210 开发板、烟雾传感器、PCF8591 模数转换模块和有源蜂鸣器。烟雾传感器的 DO 直接由 GPIO 读取，AO 不能直接被普通 GPIO 读取，需要借助 PCF8591 转换成数字值。蜂鸣器作为报警输出设备，由 GPIO 控制高低电平实现开启和关闭。

接线关系可以先通过下面这张图建立整体印象。烟雾传感器 DO 接入 CanMV K210 的物理引脚 8，AO 接入 PCF8591 的 AIN0，PCF8591 通过 SCL 和 SDA 与开发板通信，蜂鸣器接入物理引脚 10 用于报警输出。

硬件 / 软件	作用	说明
CanMV K210 开发板	实验运行平台	负责执行 MicroPython 程序，读取传感器信号并控制蜂鸣器
烟雾传感器	环境检测模块	提供 DO 数字输出和 AO 模拟输出，DO 用于报警判断，AO 用于观察浓度趋势
PCF8591 模数转换模块	模拟量采集模块	将烟雾传感器 AO 模拟信号转换成程序可读取的数字值
有源蜂鸣器	报警提示设备	当检测到烟雾时，由 GPIO 输出控制蜂鸣器间歇报警
`maix.GPIO`	GPIO 控制模块	用于创建数字输入对象和蜂鸣器输出对象
`machine.I2C`	I2C 通信模块	用于建立 CanMV 与 PCF8591 之间的软件 I2C 通信
`fpioa_manager.fm`	引脚功能映射模块	用于将物理引脚绑定到 GPIOHS 功能
`pcf8591`	ADC 驱动模块	用于读取 PCF8591 指定通道的模拟量数据
`time`	延时控制模块	用于控制采样间隔和蜂鸣器鸣叫节奏

实验中用到的核心模块如下。烟雾传感器负责感知环境变化，PCF8591 负责读取 AO 模拟量，有源蜂鸣器负责报警提示。接线时要区分 AO、DO、VCC、GND，避免把模拟输出和数字输出接反。

接线关系可以根据代码中的硬件配置区和初始化函数进行整理。当前程序已经明确标注烟雾传感器 DO、蜂鸣器、I2C SCL、I2C SDA 和 PCF8591 ADC 通道，因此下表按照代码配置进行说明。

物理引脚 / 接口	功能信号	代码变量	对应硬件	说明
物理引脚 8	GPIOHS0	`GAS_DO_PIN` / `gas_do`	烟雾传感器 DO	用于读取烟雾传感器数字触发信号，代码中启用上拉输入
物理引脚 10	GPIOHS3	`BUZZER_PIN` / `buzzer`	有源蜂鸣器	用于输出控制信号，低电平时蜂鸣器发声
物理引脚 6	I2C SCL	`I2C_SCL_PIN`	PCF8591 SCL	软件 I2C 时钟线，用于 ADC 模块通信
物理引脚 7	I2C SDA	`I2C_SDA_PIN`	PCF8591 SDA	软件 I2C 数据线，用于 ADC 模块通信
PCF8591 AIN0	ADC 通道 0	`ADC_CHANNEL`	烟雾传感器 AO	读取烟雾传感器模拟量输出，用于观察浓度变化
VCC	模块供电	未在代码中体现	烟雾传感器、PCF8591、蜂鸣器	根据模块标识连接对应电源
GND	公共地线	未在代码中体现	所有模块地线	CanMV、传感器、PCF8591 和蜂鸣器需要共地

完成接线后的整体效果如下。检查时重点关注四组连接：烟雾传感器 DO 是否接到物理引脚 8，AO 是否接到 PCF8591 AIN0，PCF8591 的 SCL/SDA 是否接到物理引脚 6/7，蜂鸣器信号线是否接到物理引脚 10。

实验现象	正常表现	异常提示
程序启动	串口输出初始化完成，蜂鸣器默认关闭	如果蜂鸣器上电一直响，检查触发电平或蜂鸣器接线
环境正常	串口显示环境安全，蜂鸣器保持关闭	如果一直报警，检查烟雾传感器电位器和 DO 触发电平
AO 数值变化	串口中的 AO 模拟值随环境变化而变化	如果 AO 不变，检查 AO 到 AIN0、SCL、SDA 和 PCF8591 供电
DO 触发	串口显示检测到烟雾，蜂鸣器间歇鸣叫	如果 DO 触发但蜂鸣器不响，单独检查蜂鸣器控制
环境恢复	蜂鸣器停止，状态回到环境安全	如果不恢复，调整传感器阈值或等待传感器恢复
停止程序	蜂鸣器关闭，串口输出停止提示	如果停止后仍响，需要确认异常退出时是否执行 `buzzer_off()`

软件代码

本实验代码围绕烟雾检测和蜂鸣器报警展开。程序结构可以分成硬件配置、对象初始化、蜂鸣器控制、传感器读取、状态显示和主循环检测几个部分。DO 负责判断是否报警，AO 负责提供辅助观察值，蜂鸣器负责把异常状态转化成声音提醒。

软件环境	作用	检查重点
CanMV IDE	编辑、运行和调试 K210 程序	能识别开发板串口，并能运行基础 `print()` 测试
CanMV 固件	提供 `maix.GPIO`、`machine.I2C`、`fpioa_manager` 等模块	固件环境需要支持 GPIO、I2C 和 FPIOA 写法
USB 串口驱动	让电脑识别开发板串口	串口工具或 IDE 中能看到对应端口
`pcf8591.py`	PCF8591 驱动文件	需要能够正常 `import pcf8591`
串口终端	查看检测状态和 AO 数值	能看到环境安全、检测到烟雾、报警提示等输出
有源蜂鸣器	输出报警声音	检测到烟雾时能够按节奏间歇鸣叫

python 复制代码

#!/usr/bin/env python3
# -*- coding: utf-8 -*-

"""
CanMV K210 烟雾传感器实验 Demo

实验说明：
烟雾传感器通常同时提供 AO 和 DO 两种输出。

AO：模拟量输出，需要通过 PCF8591 读取，可观察烟雾浓度变化趋势。
DO：数字量输出，可直接通过 GPIO 读取，由模块电位器决定触发阈值。

本 Demo 以 DO 作为报警判断依据，以 AO 作为辅助观察数据。
当检测到烟雾时，蜂鸣器会间歇报警。
"""

import time
from maix import GPIO
from machine import I2C
from fpioa_manager import fm
import pcf8591


# =========================
# 硬件配置区
# =========================

GAS_DO_PIN = 8                  # 烟雾传感器 DO 接开发板物理引脚 8
BUZZER_PIN = 10                 # 有源蜂鸣器接开发板物理引脚 10

I2C_SCL_PIN = 6                 # PCF8591 SCL
I2C_SDA_PIN = 7                 # PCF8591 SDA
ADC_CHANNEL = 0                 # 烟雾传感器 AO 接 PCF8591 的 AIN0

GAS_ACTIVE_LEVEL = 0            # 烟雾传感器 DO 低电平表示触发
BUZZER_ACTIVE_LEVEL = 0         # 有源蜂鸣器低电平发声
BUZZER_SILENT_LEVEL = 1         # 有源蜂鸣器高电平关闭


# =========================
# 全局对象
# =========================

gas_do = None
buzzer = None
gas_adc = None


# =========================
# 初始化函数
# =========================

def setup():
    """初始化 GPIO、I2C、PCF8591 和蜂鸣器"""
    global gas_do, buzzer, gas_adc

    fm.register(GAS_DO_PIN, fm.fpioa.GPIOHS0, force=True)
    fm.register(BUZZER_PIN, fm.fpioa.GPIOHS3, force=True)

    i2c = I2C(
        I2C.I2C_SOFT,
        freq=400000,
        scl=I2C_SCL_PIN,
        sda=I2C_SDA_PIN,
        gscl=fm.fpioa.GPIOHS1,
        gsda=fm.fpioa.GPIOHS2
    )

    gas_do = GPIO(GPIO.GPIOHS0, GPIO.IN, GPIO.PULL_UP)
    buzzer = GPIO(GPIO.GPIOHS3, GPIO.OUT)
    gas_adc = pcf8591.PCF8591(i2c)

    buzzer_off()

    print("烟雾传感器初始化完成")
    print("DO 用于报警判断，AO 用于观察浓度变化")


# =========================
# 基础控制函数
# =========================

def buzzer_on():
    """打开蜂鸣器"""
    buzzer.value(BUZZER_ACTIVE_LEVEL)


def buzzer_off():
    """关闭蜂鸣器"""
    buzzer.value(BUZZER_SILENT_LEVEL)


def beep(on_ms=100, off_ms=100, repeat=1):
    """蜂鸣器按指定节奏鸣叫"""
    for _ in range(repeat):
        buzzer_on()
        time.sleep_ms(on_ms)
        buzzer_off()
        time.sleep_ms(off_ms)


def alarm_beep():
    """烟雾报警提示音"""
    beep(120, 120, 2)


# =========================
# 传感器读取函数
# =========================

def read_gas_do():
    """读取烟雾传感器数字信号"""
    return gas_do.value()


def read_gas_adc(samples=5):
    """
    多次读取 AO 模拟量并取平均值
    可以减少单次采样抖动
    """
    total = 0

    for _ in range(samples):
        total += gas_adc.read(ADC_CHANNEL)
        time.sleep_ms(10)

    return total // samples


def is_gas_detected(do_value):
    """根据 DO 电平判断是否检测到烟雾"""
    return do_value == GAS_ACTIVE_LEVEL


# =========================
# 状态显示函数
# =========================

def show_status(gas_detected, adc_value):
    """打印当前烟雾检测状态"""
    if gas_detected:
        print("状态：检测到烟雾 | AO模拟值：{}".format(adc_value))
    else:
        print("状态：环境安全 | AO模拟值：{}".format(adc_value))


# =========================
# 主循环
# =========================

def loop():
    """
    循环检测烟雾状态
    状态变化时打印提醒
    检测到烟雾时启动蜂鸣器报警
    """
    last_status = None

    while True:
        adc_value = read_gas_adc()
        do_value = read_gas_do()

        gas_detected = is_gas_detected(do_value)

        if gas_detected != last_status:
            show_status(gas_detected, adc_value)
            last_status = gas_detected

        if gas_detected:
            print("报警中：烟雾浓度异常，蜂鸣器提示")
            alarm_beep()
        else:
            buzzer_off()
            time.sleep_ms(500)


# =========================
# 程序入口
# =========================

if __name__ == '__main__':
    try:
        setup()
        loop()
    except KeyboardInterrupt:
        buzzer_off()
        print("程序已停止，蜂鸣器已关闭")

这段代码的配置区把硬件连接关系集中放在开头，例如 GAS_DO_PIN 表示烟雾传感器 DO 所连接的物理引脚，BUZZER_PIN 表示蜂鸣器控制引脚，I2C_SCL_PIN 和 I2C_SDA_PIN 表示 PCF8591 的 I2C 通信线。后续更换接线时，只需要修改配置区，不需要在函数内部到处查找引脚编号。

setup() 是整个程序的初始化入口。它通过 fm.register() 把物理引脚 8 和物理引脚 10 分别绑定到 GPIOHS0 和 GPIOHS3。烟雾传感器 DO 使用 GPIO.IN 输入模式，并开启 GPIO.PULL_UP 上拉；蜂鸣器使用 GPIO.OUT 输出模式，由程序主动控制电平。PCF8591 通过软件 I2C 初始化，程序通过 SCL 和 SDA 两根线与 ADC 模块通信。

传感器读取部分把 DO 和 AO 分开处理。read_gas_do() 读取数字电平，适合做是否报警的判断；read_gas_adc() 多次读取 PCF8591 的 AIN0 通道并取平均值，用来减少单次采样抖动。is_gas_detected() 把电平值和触发规则隔离出来，当前代码中 GAS_ACTIVE_LEVEL = 0，表示 DO 低电平时认为检测到烟雾。

蜂鸣器控制部分使用了三个层次的封装。buzzer_on() 和 buzzer_off() 分别控制蜂鸣器发声和静音，beep() 在此基础上加入延时和重复次数，alarm_beep() 再把报警声音固定为 120 毫秒响、120 毫秒停、重复 2 次。这样的结构比在主循环中直接写高低电平更清晰，也方便后续调整报警节奏。

函数名	功能	对应现象
`setup()`	初始化 GPIO、I2C、PCF8591 和蜂鸣器	程序完成硬件准备，蜂鸣器默认关闭
`buzzer_on()`	打开蜂鸣器	有源蜂鸣器发声
`buzzer_off()`	关闭蜂鸣器	有源蜂鸣器停止发声
`beep()`	按指定节奏控制蜂鸣器鸣叫	蜂鸣器按照响停节奏间歇提示
`alarm_beep()`	封装烟雾报警提示音	检测到烟雾时发出固定报警声
`read_gas_do()`	读取烟雾传感器数字输出	获取是否达到阈值的触发信号
`read_gas_adc()`	多次读取 AO 模拟量并取平均	串口显示相对稳定的烟雾浓度参考值
`is_gas_detected()`	根据 DO 电平判断是否检测到烟雾	将低电平触发转换成布尔判断结果
`show_status()`	打印检测状态和 AO 数值	串口显示环境安全或检测到烟雾
`loop()`	循环读取传感器并控制报警	环境异常时蜂鸣器报警，正常时保持关闭

主循环中的 last_status 用于记录上一次烟雾检测状态。程序只有在状态发生变化时才调用 show_status() 输出状态提醒，避免串口被重复信息刷屏。检测到烟雾时，程序打印报警信息并调用 alarm_beep()；未检测到烟雾时，蜂鸣器关闭，并延时 500 毫秒进入下一轮检测。这种写法把"持续采集""状态变化提示"和"异常动作执行"分成了清晰的层次。

扩展应用

烟雾传感器实验涉及数字输入、模拟量采集、I2C 通信和蜂鸣器输出，问题排查需要结合电源、接线、电平触发方式和 ADC 通道逐步确认。DO 和 AO 的作用不同，DO 不触发不代表 AO 没有变化，AO 有变化也不一定代表 DO 已经达到报警阈值。

问题现象	可能原因	处理思路
程序运行后无任何输出	脚本未执行、串口未连接、初始化阶段报错	检查 CanMV IDE 或串口终端输出，确认 `setup()` 是否正常执行
蜂鸣器一直响	蜂鸣器触发电平设置相反、DO 一直处于触发状态	核对 `BUZZER_ACTIVE_LEVEL` 和 `BUZZER_SILENT_LEVEL`，观察 DO 实际电平
检测到烟雾但蜂鸣器不响	蜂鸣器接线错误、蜂鸣器类型不匹配、GPIO 输出电平不符合模块要求	单独调用 `buzzer_on()` 测试蜂鸣器，确认是否为有源蜂鸣器
环境正常却一直报警	烟雾传感器阈值过低、模块电位器调节不合适、DO 触发电平设置错误	调节烟雾传感器电位器，并确认 `GAS_ACTIVE_LEVEL` 是否符合实际模块输出
AO 数值一直不变	AO 未接入 PCF8591 AIN0、I2C 接线错误、ADC 通道配置错误	检查 AO 到 AIN0 的连接，确认 SCL/SDA 是否对应物理引脚 6 和 7
程序卡在初始化附近	PCF8591 驱动异常、I2C 设备未连接或地址不匹配	检查 `pcf8591.py` 是否存在，确认 PCF8591 供电和 I2C 接线
AO 数值抖动明显	模拟量本身存在波动、采样次数偏少、传感器预热不足	适当增大 `read_gas_adc(samples=5)` 的采样次数，并给传感器预热时间
按 Ctrl+C 停止后蜂鸣器仍响	程序异常退出前没有关闭蜂鸣器	当前代码已在 `KeyboardInterrupt` 中调用 `buzzer_off()`，其他异常场景可增加更完整的异常保护
DO 不触发但 AO 有明显变化	模块阈值设置较高，AO 变化尚未达到 DO 比较器触发点	调节模块电位器，或在程序中增加基于 AO 的软件阈值判断

烟雾检测实验可以自然扩展到环境安全监测、智能家居告警和设备状态联动等场景。当前代码已经具备输入检测、模拟量读取、阈值判断、状态记录、报警输出和异常退出保护等基础结构。后续增加其他模块时，可以继续保留 DO 判断和 AO 观察的设计思路，把烟雾状态作为系统控制条件，驱动更多硬件或软件动作。

应用场景	实现思路	可扩展能力
烟雾报警器	使用 DO 判断是否触发阈值，检测到烟雾时控制蜂鸣器报警	可增加报警灯、继电器或远程通知
环境安全监测	使用 AO 数值观察烟雾浓度变化趋势，结合 DO 判断是否异常	可扩展数据记录功能，形成简单的环境变化曲线
智能家居联动	将烟雾检测结果作为自动控制条件	后续可扩展风扇、排气装置或网络消息推送
教学演示实验	通过 DO 和 AO 对比数字量与模拟量的区别	适合讲解传感器输出、电平触发、ADC 采样和阈值判断
设备自检反馈	程序启动后输出初始化状态，并保持蜂鸣器默认关闭	可扩展开机自检提示音或状态灯显示
多传感器安全系统	保留当前烟雾检测结构，再接入温湿度、火焰或人体感应模块	可扩展为多条件综合判断系统
按键消音功能	检测到报警后允许通过按键临时关闭蜂鸣器	可扩展为更接近真实产品的报警交互
LCD 状态显示	将 AO 数值、DO 状态和报警状态显示在屏幕上	可形成可视化环境监测面板

从工程角度看，当前代码已经具备比较清楚的分层结构。硬件连接集中在配置区，初始化逻辑集中在 setup()，蜂鸣器动作由独立函数管理，传感器读取和状态判断也被拆成独立函数。这样的结构方便后续增加 LCD 显示当前 AO 数值、增加按键手动静音、增加 LED 状态提示，或者把报警信息上传到 Web 服务。当前实验虽然只完成烟雾检测和蜂鸣器报警，但程序骨架已经接近一个小型环境监测项目。

总结

本实验通过 CanMV K210 开发板完成了烟雾传感器 AO/DO 双路检测与蜂鸣器报警控制。代码中涉及 FPIOA 引脚映射、GPIO 输入、GPIO 输出、软件 I2C、PCF8591 模拟量读取、低电平触发判断、函数封装、循环检测和异常退出保护等核心能力。DO 信号让程序能够快速判断是否触发报警阈值，AO 信号提供了更细的浓度变化参考，蜂鸣器则把程序判断转化成真实世界中的声音反馈。

这类实验非常适合作为传感器课程的入门案例。数字量输入体现了"是否触发"的判断逻辑，模拟量采集体现了"变化趋势"的观察方式，蜂鸣器控制体现了"检测结果驱动外设动作"的硬件控制思维。后续课程可以在此基础上继续扩展 LCD 显示、LED 状态灯、按键消音、数据记录、无线报警、AI 摄像头识别等方向，让单一传感器实验逐步演变成完整的智能安全监测系统。

【CanMV K210】传感器实验 烟雾传感器 AO/DO 双路检测与蜂鸣器报警