在智能硬件项目中，很多真实世界的数据并不是一开始就以数字形式存在。光照强弱、电位器旋转角度、模拟传感器电压、声音强度变化，这些信号通常表现为连续变化的模拟电压。开发板想要读取这些信息，就需要借助模数转换器把模拟量转换成程序可以处理的数字值。
本实验围绕 PCF8591 模数转换模块展开，通过 CanMV K210 的软件 I2C 接口与 PCF8591 通信，读取 AIN0 通道的模拟输入值，并在串口终端持续打印采集结果。程序运行后，如果 AIN0 接入电位器、光敏电阻模块或其他模拟信号源，终端中的数值会随着输入电压变化而变化。这个过程可以直观看到"外部电压变化如何变成 Python 程序中的数字"。
| 学习目标 | 说明 |
|---|---|
| 理解模拟量采集 | 认识模拟电压、ADC 转换和数字采样值之间的关系 |
| 掌握 PCF8591 基础用法 | 使用 PCF8591 读取 AIN0 模拟输入通道数据 |
| 理解 I2C 通信链路 | 明确 SCL、SDA、设备地址和控制字在采集过程中的作用 |
| 建立驱动封装思路 | 将 PCF8591 的底层读写封装成类，让主程序只关注采样结果 |
| 扩展传感器采集能力 | 为电位器、光敏传感器、声音传感器和多路模拟输入实验打基础 |
当前代码包含 PCF8591 驱动文件和主程序两部分。驱动文件负责封装控制字、I2C 写入、I2C 读取、通道选择和模拟输出配置；主程序负责创建 I2C 对象、实例化 PCF8591 对象，并在循环中每隔 1 秒读取一次 AIN0 数据。这个实验的重点不只是读取一个数字，而是理解 I2C 总线、ADC 通道、控制字和循环采样之间的关系。
文章目录
理论基础
PCF8591 可以理解成连接模拟世界和程序世界的转换模块。外部传感器或电位器输出的是连续变化的电压，程序无法直接把这种连续电压当成变量使用，需要 ADC 把电压变化转换成数字值。PCF8591 就承担这个转换任务，它把 AIN0、AIN1、AIN2、AIN3 等模拟输入通道的电压转换成数字数据，再通过 I2C 总线交给 CanMV K210。
普通 GPIO 更适合读取开关量，例如按键是否按下、LED 是否点亮、模块输出是否为高低电平。PCF8591 面向的是模拟量，例如电位器旋转到某个角度、光照逐渐增强、声音强度发生变化、模拟传感器输出电压波动。这类信号不是简单的 0 或 1，而是会在一定范围内连续变化，因此采集结果通常表现为一组不断变化的数字。
本实验中，外部模拟信号接入 PCF8591 的 AIN0 通道，CanMV K210 通过物理引脚 6 和物理引脚 7 连接 PCF8591 的 SCL 与 SDA。程序通过 I2C 地址 0x48 访问 PCF8591，发送控制字选择采样通道，再读取转换后的数字值。串口中打印出来的 adc0 就是 AIN0 当前采样结果。
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电位器 / 光敏模块 / 模拟传感器
PCF8591 AIN0
模拟输入通道
ADC 转换
模拟电压转数字值
I2C 通信
SCL / SDA
CanMV K210
引脚 6 / 引脚 7
Python 程序
pcf.read(0)
串口输出
adc0 数值变化
模块供电
VCC
公共地线
GND
这张流程图展示的是电路和数据之间的关系。外部模拟信号进入 AIN0，PCF8591 完成模数转换，I2C 总线负责传输数据，CanMV K210 运行 Python 程序并读取采样值。这个链路打通后，后续读取电位器、光敏传感器、声音传感器和其他模拟模块时，只需要更换输入源或切换通道，整体采集思路保持一致。
控制字是 PCF8591 实验中比较重要的概念。程序不是直接发送"读取 AIN0"这样的文字命令，而是通过二进制位组合告诉 PCF8591 当前输入模式、是否启用模拟输出、是否自动递增通道、当前读取哪个 ADC 通道。驱动类中的 AOUTFLG、AINPRG0、AUTOINC、ACHNNL0 等常量，就是为了让这些二进制配置更容易阅读和维护。
硬件设施
本实验真正使用到的核心硬件是 CanMV K210 开发板和 PCF8591 模数转换模块。程序没有使用 LCD、按键、蜂鸣器、摄像头或其他传感器模块，因此硬件重点集中在 I2C 通信线、模块供电、公共地线和 AIN0 模拟输入通道。
接线关系可以先通过下面这张图建立整体印象。CanMV K210 使用物理引脚 6 作为 SCL，物理引脚 7 作为 SDA，PCF8591 通过 I2C 与开发板通信，外部模拟信号接入 AIN0 通道后由程序读取。
| 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，并通过 I2C 与 PCF8591 通信 |
| PCF8591 模数转换模块 | 模拟量采集模块 | 将 AIN0 等模拟输入通道的电压变化转换成数字数据 |
| AIN0 模拟输入通道 | 当前采样通道 | 主循环中通过 pcf.read(0) 读取该通道数据 |
| I2C 软件总线 | 通信接口 | 代码使用 I2C.I2C_SOFT 创建软件 I2C |
| SCL 引脚 6 | I2C 时钟线 | 连接 PCF8591 的 SCL |
| SDA 引脚 7 | I2C 数据线 | 连接 PCF8591 的 SDA |
machine.I2C |
I2C 通信模块 | 用于创建 I2C 对象并完成读写操作 |
fpioa_manager.fm |
引脚功能映射模块 | 用于给软件 I2C 指定 GPIOHS 功能 |
time |
延时模块 | 用于程序启动等待和循环采样间隔控制 |
pcf8591 |
PCF8591 驱动模块 | 封装 PCF8591 的控制字、通道读取和模拟输出 |
实验中用到的核心模块如下。PCF8591 模块负责完成模拟量采集，CanMV K210 负责运行程序和读取数据，连接线负责建立 SCL、SDA、VCC、GND 和 AIN0 通道之间的硬件关系。
接线关系可以根据代码中的 I2C() 参数确认。当前程序使用软件 I2C，SCL 指定为物理引脚 6，SDA 指定为物理引脚 7，并分别绑定到 GPIOHS1 和 GPIOHS2。PCF8591 的默认 I2C 地址设置为 0x48，主程序通过这个地址访问模块。
| 接口 / 通道 | 代码参数 | 对应硬件 | 说明 |
|---|---|---|---|
| 物理引脚 6 | scl=6 |
PCF8591 SCL | 作为 I2C 时钟线使用 |
| 物理引脚 7 | sda=7 |
PCF8591 SDA | 作为 I2C 数据线使用 |
| GPIOHS1 | gscl=fm.fpioa.GPIOHS1 |
软件 I2C 时钟功能 | 用于支持软件 I2C 时钟输出 |
| GPIOHS2 | gsda=fm.fpioa.GPIOHS2 |
软件 I2C 数据功能 | 用于支持软件 I2C 数据传输 |
| AIN0 | pcf.read(0) |
外部模拟信号输入 | 当前循环读取的模拟采样通道 |
0x48 |
addr=0x48 |
PCF8591 模块地址 | 当前程序使用的 I2C 通信地址 |
| VCC | 模块供电 | PCF8591 VCC | 根据模块标识连接对应供电端 |
| GND | 公共地线 | CanMV 与 PCF8591 GND | 保证通信和采样具有统一参考电平 |
完成接线后的整体效果如下。检查时重点关注四类连接：SCL 是否接到物理引脚 6，SDA 是否接到物理引脚 7，PCF8591 是否正常供电并与 CanMV 共地，外部模拟信号是否接入 AIN0。只要 I2C 通信正常，串口就能持续打印采样结果。
| 实验现象 | 正常表现 | 异常提示 |
|---|---|---|
| 程序启动 | 串口每隔约 1 秒打印一次数字 | 没有输出时检查脚本运行状态和串口连接 |
| AIN0 输入变化 | 打印值随输入电压变化而变化 | 数值不变化时检查 AIN0 是否接入有效模拟信号 |
| AIN0 输入悬空 | 打印值可能不稳定波动 | 悬空输入没有明确参考电压，不适合判断模块是否正常 |
| 接入电位器 | 旋转电位器时数值连续变化 | 数值方向与预期不同属于正常现象，取决于接线端顺序 |
| 接入光敏模块 | 光照变化时数值发生变化 | 变化幅度小可检查模块供电和输出端连接 |
| I2C 接线错误 | 程序可能报通信错误或无法读取 | 核对 SCL、SDA、VCC、GND 和地址配置 |
软件代码
本实验代码围绕 PCF8591 的 I2C 通信和模拟输入采集展开。为了避免驱动类和主程序混在一起，建议将代码拆成两个文件保存。pcf8591.py 用于保存 PCF8591 驱动类，主程序文件用于创建 I2C 对象并循环读取 AIN0 通道。两个文件放在同一运行目录下，主程序才能正常执行 import pcf8591。
| 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 machine.I2C、fpioa_manager 等模块 |
固件环境需要支持当前 I2C 与 FPIOA 写法 |
| USB 串口驱动 | 让电脑识别开发板串口 | 串口工具中能看到对应端口 |
pcf8591.py |
PCF8591 驱动文件 | 需要与主程序放在同一运行目录下 |
| 串口终端 | 查看采样结果 | 能持续看到 AIN0 采样值输出 |
驱动文件保存为 pcf8591.py：
python
#********************************************
# －－－－湖南创乐博智能科技有限公司－－－－
# 文件名：pcf8591.py
# 版本：V2.0
# author: zhulin
# 说明：PCF8591 模数转换传感器驱动文件
#********************************************
AOUTFLG = 0b01000000
AINPRG0 = 0b00000000
AINPRG1 = 0b00010000
AINPRG2 = 0b00100000
AINPRG3 = 0b00110000
AUTOINC = 0b00000100
ACHNNL0 = 0b00000000
ACHNNL1 = 0b00000001
ACHNNL2 = 0b00000010
ACHNNL3 = 0b00000011
class PCF8591:
def __init__(self, i2c, addr=0x48, enable_out=True, in_program=AINPRG0):
self.i2c = i2c
self.addr = addr
self._aout = self.set_out(enable_out)
self._ainprg = self.set_program(in_program)
self._last_ctl = None
def _make_control(self, auto_increment=False, channel=ACHNNL0):
return 0 | self._aout | self._ainprg | (AUTOINC if auto_increment else 0) | channel
def _write_control(self, control):
if control != self._last_ctl:
self.i2c.writeto(self.addr, bytes([control]))
self.i2c.readfrom(self.addr, 1)
self._last_ctl = control
def _read_raw(self):
return self.i2c.readfrom(self.addr, 4)
def set_out(self, enable_out):
self._aout = AOUTFLG if enable_out else 0
return self._aout
def set_program(self, in_program):
self._ainprg = in_program
return self._ainprg
def read(self, channel=-1):
if channel == -1:
self.set_out(True)
self._write_control(self._make_control(auto_increment=True))
return self._read_raw()
else:
self._write_control(self._make_control(channel=channel))
return int(self._read_raw()[0])
def write(self, value):
self.set_out(True)
control = self._make_control()
self._last_ctl = control
self.i2c.writeto(self.addr, bytes([control, value]))主程序保存为 main.py 或直接在 CanMV IDE 中运行：
python
#********************************************
# －－－－湖南创乐博智能科技有限公司－－－－
# 文件名：main.py
# 版本：V2.0
# 说明：CanMV K210 通过 PCF8591 读取 AIN0 模拟量数据
#********************************************
from machine import I2C
from fpioa_manager import fm
import pcf8591
import time
# =========================
# I2C 初始化
# =========================
i2c = I2C(
I2C.I2C_SOFT,
freq=400000,
scl=6,
sda=7,
gscl=fm.fpioa.GPIOHS1,
gsda=fm.fpioa.GPIOHS2
)
# =========================
# 创建 PCF8591 对象
# =========================
pcf = pcf8591.PCF8591(i2c)
time.sleep(1)
# =========================
# 循环读取 AIN0
# =========================
while True:
adc0 = pcf.read(0)
time.sleep(1)
print(adc0)这段代码的核心并不复杂。驱动文件负责把 PCF8591 的底层通信细节封装好，主程序只需要创建 I2C 对象，再调用 pcf.read(0) 读取 AIN0。这样写的好处是主循环非常清晰，后续切换到 AIN1、AIN2、AIN3 时，只需要修改通道编号，不需要反复编写 I2C 控制字。
驱动类中的 _make_control() 用来生成控制字，_write_control() 用来把控制字写入 PCF8591，_read_raw() 用来读取原始采样数据。read(0) 表示读取 AIN0，read(1) 表示读取 AIN1，read(-1) 表示按自动递增方式读取多通道数据。write(value) 则用于 PCF8591 的模拟输出能力，当前实验主要关注 ADC 输入，因此主程序没有使用它。
| 函数 / 语句 | 功能 | 对应现象 |
|---|---|---|
PCF8591(i2c) |
创建 PCF8591 对象 | 保存 I2C 总线和设备地址，准备后续采样 |
_make_control() |
生成控制字 | 决定读取通道、输入模式和自动递增状态 |
_write_control() |
写入控制字 | 通知 PCF8591 切换到指定采样配置 |
_read_raw() |
读取原始数据 | 从 PCF8591 获取采样结果 |
read(0) |
读取 AIN0 通道 | 返回当前模拟输入对应的数字值 |
read(-1) |
自动递增读取多通道 | 可用于一次读取多个模拟输入 |
write(value) |
写入模拟输出值 | 向 PCF8591 的 DAC 输出端写入数值 |
time.sleep(1) |
控制采样间隔 | 每隔 1 秒打印一次采样数据 |
print(adc0) |
输出采样结果 | 在终端显示 AIN0 的数字值 |
主循环结构适合入门理解模拟量采集。while True 让程序持续运行，adc0 = pcf.read(0) 负责读取当前模拟输入，time.sleep(1) 控制采样频率，print(adc0) 把采集结果输出到终端。如果 AIN0 接入电位器，旋转电位器时打印值会随电压变化而变化；如果接入光敏模拟模块，光照变化也会反映为不同的数字值。
扩展应用
PCF8591 实验常见问题集中在 I2C 接线、模块地址、驱动文件、模拟输入和采样结果理解几个方面。排查时应优先确认 SCL、SDA、供电和 GND，再检查程序中的模块导入方式和 I2C 地址是否正确。
| 问题现象 | 可能原因 | 处理思路 |
|---|---|---|
程序提示找不到 pcf8591 |
驱动文件没有保存为 pcf8591.py，或文件不在当前运行目录 |
将驱动类保存为 pcf8591.py，并与主程序放在同一运行目录 |
| 终端没有任何输出 | 程序没有正常运行、串口终端未打开、主循环未执行 | 确认脚本已经运行，检查串口工具是否连接到正确端口 |
| I2C 通信报错 | SCL / SDA 接线错误、模块未供电、GND 未共地 | 按代码检查引脚 6 和引脚 7 的连接，并确认 PCF8591 与开发板共地 |
| 读取值一直不变 | AIN0 输入悬空、外部模拟源没有变化、通道接错 | 给 AIN0 接入明确的模拟信号，例如电位器中间端或模拟传感器输出端 |
| 读取值波动较大 | 模拟输入不稳定、连线较长、输入端悬空 | 缩短连接线，确认模拟源稳定，避免 AIN0 无输入状态下直接采样 |
| 读取值与预期不一致 | PCF8591 切换通道后可能需要一次虚读 | 保留驱动中的切换后读取处理，必要时连续读取两次并使用后一次结果 |
| 地址通信失败 | PCF8591 模块地址不是 0x48 |
检查模块地址跳线，或使用 I2C 扫描程序确认实际地址 |
| 数值范围理解错误 | PCF8591 采样值通常按 8 位结果输出 | 采样结果通常在 0~255 范围内变化，数值越大代表输入电压越接近参考高电平 |
PCF8591 实验的价值在于把模拟世界接入程序世界。很多传感器输出的并不是固定的 0 或 1，而是连续变化的电压。通过 PCF8591，开发板可以把这些电压变化转成数字数据，再交给 Python 进行判断、计算、显示或控制。当前代码虽然只读取 AIN0 一个通道，但驱动类已经支持通道选择、自动递增读取和模拟输出写入，因此具备继续扩展的基础。
| 应用场景 | 实现思路 | 可扩展能力 |
|---|---|---|
| 电位器数值采集 | 将电位器输出端接入 AIN0，通过 pcf.read(0) 获取旋转位置 |
可扩展为亮度调节、音量控制或参数设置旋钮 |
| 光照强度检测 | 将模拟光敏模块输出接入 AIN0，根据采样值判断环境亮暗 | 后续可扩展 LED 或蜂鸣器，实现光照提醒 |
| 多路模拟传感器采集 | 使用 AIN0~AIN3 接入多个模拟信号源 | 可通过 read(-1) 或多次 read(channel) 采集多通道数据 |
| 模拟阈值判断 | 对采样值设置阈值，例如大于某个数值触发提示逻辑 | 可扩展为自动控制开关、状态告警或数据过滤 |
| 硬件调试工具 | 通过串口持续打印 ADC 值，观察外部模拟信号变化 | 可用于判断传感器是否接线正确、输出是否正常 |
| 数据记录实验 | 将采样值按时间间隔保存或上传 | 后续可扩展文件记录、网络上传或可视化曲线 |
| DAC 模拟输出 | 使用 write(value) 向 PCF8591 写入模拟输出值 |
可扩展为简单波形输出、电压控制或模拟信号演示 |
从工程角度看，当前程序已经把 PCF8591 的底层控制封装成类，主程序只需要关心 pcf.read(0) 这样的高层调用。这样的结构便于后续扩展：新增通道采集时只需要改变通道编号，新增阈值判断时只需要围绕采样结果编写条件逻辑，新增显示或报警时也可以把采样值交给后续模块处理。驱动层负责通信，业务层负责应用判断，这种分层思路比把所有 I2C 读写代码堆在主循环中更适合长期维护。
总结
本实验通过 CanMV K210 和 PCF8591 模数转换模块完成了模拟量采集，核心能力包括软件 I2C 初始化、SCL / SDA 引脚配置、PCF8591 控制字生成、I2C 数据读写、模拟输入通道选择和循环采样输出。程序把外部模拟电压转换成 Python 中可以打印、判断和处理的数字值，展示了硬件采集类实验最基础的一条数据链路。
这类实验是传感器课程的重要入口。GPIO 更适合处理开关量，PCF8591 这类 ADC 模块则适合处理连续变化的模拟量。掌握这种采集方式后，后续可以继续扩展到光照检测、电位器控制、声音强度采集、模拟传感器监测、数据曲线显示、阈值报警和自动控制等方向。只要理解 I2C 通信和模拟量转换之间的关系，更多真实环境数据都可以被接入程序逻辑中，成为智能硬件项目的一部分。