Распиновка Arduino Uno: цифровые, PWM, аналоговые пины и питание

Распиновка Arduino Uno — это 32 точки подключения на чёрных гнёздах вдоль двух длинных краёв платы: 14 цифровых пинов ввода-вывода (0–13), 6 из которых умеют выдавать PWM (~3, 5, 6, 9, 10, 11), 6 аналоговых входов (A0–A5) и пины питания, которые питают плату или подают питание на другие детали (Vin, 5V, 3.3V, GND, IOREF, AREF, RESET). У каждого пина есть основная задача, но у многих есть и вторая: A4 и A5 — это ещё и шина I2C, 10–13 образуют шину SPI, 2 и 3 — пины прерываний, а 0 и 1 — последовательная линия, по которой плата общается с компьютером.

Правильный выбор пина — это разница между проектом, который работает с первого раза, и часами отладки. С таблицами из этой статьи легко понять, почему PWM на пинах 9 и 10 перестаёт работать после подключения сервопривода, почему скетч не загружается при подключённом Bluetooth-модуле и почему горстка светодиодов может перегрузить плату. В конце есть тестовый скетч, который проверяет все типы пинов сразу, пример плана распределения пинов и различия в пинах между Uno R3 и R4.

Схема пинов Arduino Uno: где какой пин?

Положи плату перед собой так, чтобы USB-разъём и гнездо питания были слева. На двух колодках вдоль верхнего края — цифровые пины; номера растут справа налево, так что крайний правый пин — 0 (RX), а крайний левый цифровой — 13. Вдоль нижнего края на левой колодке пины питания, на правой — аналоговые входы. Знак ~ (тильда) рядом с номером означает, что пин умеет выдавать PWM. Группа штырьков 2×3 на правом краю платы — это разъём ICSP.

Большая таблица пинов: D0–D13 и A0–A5

Как работают цифровые пины (0–13)?

Каждый цифровой пин настраивается как вход или выход функцией pinMode(). В режиме выхода digitalWrite(pin, HIGH) поднимает пин примерно до 5 V, а LOW опускает до 0 V. В режиме входа digitalRead() сравнивает напряжение с порогом: у ATmega328P при питании 5 V всё выше 3,0 V — гарантированный HIGH, всё ниже 1,5 V — гарантированный LOW, а промежуток между ними не определён. Поэтому выход датчика на 3,3 V обычно читается на Uno как HIGH; но выход Uno на 5 V нельзя подавать прямо на вход модуля на 3,3 V — между ними нужен преобразователь логических уровней.

Входной пин, ни к чему не подключённый, «висит в воздухе» и читает случайные HIGH и LOW, даже если просто поднести руку. Решение — притянуть пин резистором к определённому уровню: pinMode(pin, INPUT_PULLUP) включает резистор 20–50 kΩ внутри чипа, а кнопка ставится между пином и GND. Подробности — в статье Как подключить кнопку к Arduino. Пин 13 соединён со встроенным светодиодом L; на оригинальной R3 этот светодиод управляется через буфер на операционном усилителе, так что использовать пин как вход можно без проблем, но на некоторых клонах светодиод и его резистор висят прямо на пине и могут мешать чтению кнопки со встроенной подтяжкой.

Пины PWM (~3, 5, 6, 9, 10, 11) и таймеры

Uno не умеет выдавать настоящий аналоговый сигнал; вместо этого шесть пинов дают PWM — меандр, который очень быстро включается и выключается. Функцией analogWrite(pin, value) задаётся, какую часть периода сигнал включён, от 0 до 255: 0 — полностью выключен, 127 — примерно половина, 255 — полностью включён. Так управляют яркостью светодиода, скоростью мотора и вентилятора. Шесть пинов PWM попарно привязаны к трём аппаратным таймерам, и именно отсюда конфликты с некоторыми библиотеками. Идея PWM и расчёт коэффициента заполнения объяснены в статье Что такое PWM?

Аналоговые пины (A0–A5) и AREF

Аналоговые пины измеряют напряжение от 0 до 5 V с разрешением 10 бит, а analogRead() возвращает число от 0 до 1023. Один шаг — около 4,9 mV; чтобы перевести число в вольты, используй напряжение = значение × 5.0 / 1023, так что показание 512 означает примерно 2,5 V. Все шесть пинов по очереди используют один АЦП, а одно измерение занимает около 100 µs, что даёт примерно 10 000 измерений в секунду. Для точных результатов выходное сопротивление датчика не должно превышать 10 kΩ; если оно больше, измерения двух пинов подряд могут влиять друг на друга, и помогает отбросить первое измерение и взять второе. Чтобы измерять напряжения выше 5 V, подбери резисторы в калькуляторе делителя напряжения.

Пин AREF позволяет изменить верхнюю границу аналогового измерения. analogReference(DEFAULT) использует 5 V, analogReference(INTERNAL) — внутренний опорный источник чипа 1,1 V, а analogReference(EXTERNAL) — напряжение, поданное на пин AREF (0–5 V), как верх диапазона. С датчиком, который выдаёт 0–1 V, опорное 1,1 V уменьшает шаг примерно до 1,1 mV и делает измерение примерно в 4,5 раза точнее. К этим пинам подключают потенциометры, фоторезисторы и датчики влажности почвы; подробности аналого-цифрового преобразования — в статье об АЦП, а практический пример — в статье о потенциометре.

Пины питания: Vin, 5V, 3.3V, GND, IOREF и RESET

Uno можно питать тремя способами. По USB плата берёт 5 V прямо от компьютера, а порт компьютера защищает самовосстанавливающийся предохранитель на 500 mA. Если подать 7–12 V через гнездо питания или Vin, встроенный стабилизатор понижает их до 5 V; если подключено и то и другое, плата автоматически переходит на внешний источник, как только Vin поднимается выше примерно 6,6 V. Стабилизатор превращает лишнее напряжение в тепло, поэтому при входе 12 V ток в несколько сотен mA с пина 5V быстро его нагревает. Самый здоровый подход — питать нагрузки вроде сервоприводов, моторов и светодиодных лент от отдельного источника и соединять только GND. Батарею и время работы поможет выбрать калькулятор времени работы от батареи, а обо всех способах питания читай в статье Как питать Arduino.

Почему пины 0 и 1 лучше не занимать?

Пины 0 (RX) и 1 (TX) — единственный аппаратный последовательный порт ATmega328P, и на плате они через резисторы 1 kΩ соединены с микросхемой USB-UART-преобразователя (ATmega16U2). Компьютер использует эти два пина при загрузке кода и при отправке текста в монитор порта. Если к пину 0 подключена линия TX Bluetooth-модуля или любой другой сигнал, два источника борются за одну линию, и загрузка останавливается с ошибкой avrdude: stk500_getsync() attempt 10 of 10: not in sync: resp=0x00 (нет синхронизации). Кроме того, пин 1 быстро переключается при каждом вызове Serial.print(), так что подключённые к нему светодиод или реле срабатывают случайно.

Поэтому не занимай 0 и 1, пока не закончатся другие пины. Если нужно подключить последовательный модуль, например HC-05, GPS или MP3-плеер, библиотека SoftwareSerial создаёт второй последовательный порт на двух других пинах. Скетч ниже подключает модуль к пинам 8 (RX) и 7 (TX); он передаёт модулю всё, что вводишь в мониторе порта, а компьютеру — всё, что присылает модуль. С модулями на логике 3,3 V, такими как HC-05, подключай выход TX Uno (пин 7) к пину RX модуля через делитель напряжения. Все способы решить проблемы с загрузкой — в статье Код не загружается в Arduino, а логика последовательной связи — в статье Последовательная связь UART.

1#include <SoftwareSerial.h>
2
3SoftwareSerial moduleSerial(8, 7);   // RX = 8, TX = 7; 0 ve 1 boş kalır / 0 and 1 stay free
4
5void setup() {
6  Serial.begin(9600);                // USB üzerinden bilgisayar / computer over USB
7  moduleSerial.begin(9600);          // HC-05 veri modu hızı / HC-05 data mode baud rate
8  Serial.println(F("Seri kopru hazir / Serial bridge ready"));
9}
10
11void loop() {
12  if (moduleSerial.available()) {
13    Serial.write(moduleSerial.read());   // modülden bilgisayara / module to computer
14  }
15  if (Serial.available()) {
16    moduleSerial.write(Serial.read());   // bilgisayardan modüle / computer to module
17  }
18}

Пины связи: I2C (A4/A5), SPI (10–13) и пины прерываний (2, 3)

I2C позволяет подключить десятки устройств к одной шине всего по двум проводам (SDA и SCL); его используют LCD-дисплеи, OLED, модули часов RTC и датчики вроде BME280. На Uno SDA = A4, а SCL = A5. На платах R3 пины SDA и SCL рядом с AREF — не отдельная шина, они внутри соединены с A4 и A5, поэтому пока используется I2C, брать A4 и A5 для аналоговых измерений нельзя. Библиотека Wire по умолчанию работает на 100 kHz, а через Wire.setClock(400000) можно поднять частоту до 400 kHz. Адреса, подтягивающие резисторы и скетч I2C-сканера разобраны в статье Что такое I2C?, а практический пример — в статье Дисплей I2C LCD.

SPI быстрее, но требует больше проводов: MOSI = 11, MISO = 12, SCK = 13 и SS (CS) = 10. SPI используют модули SD-карт, RFID-считыватели и TFT-дисплеи. Несколько устройств могут делить шину: MOSI, MISO и SCK общие, а у каждого устройства свой пин CS. Важная деталь: пока SPI работает в режиме ведущего, пин 10 должен оставаться выходом; если сделать пин 10 входом и его притянет к LOW, ATmega328P сам переключится в режим ведомого, и SPI остановится. MISO, MOSI и SCK есть и на разъёме ICSP, и некоторые шилды берут SPI оттуда. Подробнее — в статьях Что такое SPI? и RFID RC522.

Прерывание позволяет мгновенно поймать изменение на пине, чем бы ни был занят loop() в этот момент. На Uno внешние прерывания есть только на пинах 2 (INT0) и 3 (INT1): пишется attachInterrupt(digitalPinToInterrupt(2), function, FALLING), а режим срабатывания может быть LOW, CHANGE, RISING или FALLING. На эти пины ставят энкодеры, датчики оборотов, датчики расхода воды и кнопки, нажатие которых нельзя пропустить. У остальных пинов тоже есть «прерывания по изменению пина» (PCINT), но пины одного порта делят одну функцию прерывания, и коду приходится выяснять, какой именно пин изменился. Правила и примеры — в статье Прерывания в Arduino.

При переходе на ESP32 или Pico главное отличие — напряжение: обе платы работают на 3,3 V, и их пины не выдерживают 5 V, поэтому модулям на 5 V, которые на Uno подключаются напрямую, может понадобиться преобразователь уровней. Зато у этих плат прерывания и PWM есть почти на каждом пине, а шины I2C и SPI можно перенести на другие пины. Сравнение плат — в статье Arduino Uno или ESP32, карты пинов — в утилите распиновки, а сами платы описаны в статьях Что такое ESP32? и Что такое Raspberry Pi Pico?

Для чего нужен разъём ICSP?

ICSP (In-Circuit Serial Programming, внутрисхемное программирование) — разъём 2×3, через который микроконтроллер программируют напрямую по линиям SPI, без USB и загрузчика. ICSP на правом краю платы относится к ATmega328P, а маленький ICSP1 рядом с USB-разъёмом — к микросхеме USB-UART (ATmega16U2). В обычной работе его не трогают, но ICSP нужен, когда загрузчик повреждён, когда записываешь загрузчик в новый ATmega328P или загружаешь код программатором вроде USBasp. Если превратить вторую Uno в программатор с помощью примера ArduinoISP, пины 10, 11, 12 и 13 программатора идут к линиям RESET, MOSI, MISO и SCK целевой платы, а конденсатор 10 µF между RESET и GND на Uno-программаторе не даёт ей автоматически сбрасываться. Чтобы понять, не повреждена ли плата, загляни в статью Сгорел ли мой Arduino?

20 mA на пин, 200 mA всего: пределы тока

Безопасный ток пина Uno — не больше 20 mA. Значение 40 mA из даташита ATmega328P — это абсолютный максимум, за которым чип может необратимо повредиться, а не рабочее значение. Суммарный ток через пины VCC и GND чипа не должен превышать 200 mA. Даташит ещё и делит пины на группы: при отдаче тока (HIGH) D0–D4 вместе с A0–A5 и D5–D13 между собой должны оставаться ниже 150 mA каждая; при приёме тока (LOW) группы D0–D4, D5–D13 и A0–A5 — каждая ниже 100 mA. Если питать красный светодиод от 5 V через резистор 220 Ω, ток равен (5 − 2) / 220 ≈ 13,6 mA. Десять одновременно горящих светодиодов дают 136 mA; это меньше 200 mA, но если все они в одной группе, получается очень близко к пределу группы в 150 mA. Если светодиоды подключены так, что горят при LOW на пине (резистор от 5V к пину), и большинство из них в одной группе, предел 100 mA превышается. Распредели светодиоды по группам или увеличь резистор до 330–470 Ω. Нужный резистор найдёшь в калькуляторе резистора для светодиода или в калькуляторе закона Ома.

• Моторы: даже небольшой DC-мотор потребляет сотни mA и создаёт выбросы напряжения; используй драйвер мотора вроде L298N или транзистор.
• Катушки реле: катушка реле на 5 V потребляет около 70–90 mA; используй модуль реле с транзистором и диодом.
• Сервоприводы: сигнальный провод можно подключить к пину, но питание сервопривода должно идти от отдельного источника, а не от пина 5V; подробности в статье о сервоприводе.
• Светодиодные ленты и мощные светодиоды: лентам на 12 V и светодиодам на 1 W нужен MOSFET с логическим уровнем управления.
• Короткие замыкания: если соединить выход в состоянии HIGH прямо с GND, через пин пойдёт намного больше 40 mA, и он выйдет из строя навсегда.

Тестовый скетч: цифровые, PWM, аналоговые пины и прерывания вместе

1. Подключи светодиод к пину 9 через резистор 220 Ω: длинная ножка к резистору, короткая к GND.
2. Крайние выводы потенциометра подключи к 5V и GND, а средний — к A0.
3. Кнопку поставь между пином 2 и GND; отдельный резистор не нужен, используется встроенная подтяжка.
4. Загрузи скетч, открой монитор порта и выставь скорость 9600 бод.
5. Покрути потенциометр: яркость светодиода на пине 9 меняется, встроенный светодиод L (пин 13) загорается, когда напряжение превышает 2,5 V, а счётчик увеличивается на единицу при каждом нажатии кнопки.

1const byte BUTTON_PIN = 2;    // kesme pini INT0 / interrupt pin INT0
2const byte PWM_LED    = 9;    // ~9: PWM çıkışı / PWM output
3const byte STATUS_LED = 13;   // kart üzerindeki L LED'i / onboard L LED
4const byte POT_PIN    = A0;   // analog giriş / analog input
5
6volatile unsigned int pressCount = 0;   // ISR içinde değişir / changed inside the ISR
7
8void onButton() {
9  static unsigned long lastPressMs = 0;
10  unsigned long now = millis();
11  if (now - lastPressMs > 50) {         // 50 ms sıçrama filtresi / 50 ms debounce
12    pressCount++;
13    lastPressMs = now;
14  }
15}
16
17void setup() {
18  Serial.begin(9600);                   // 0 ve 1 numaralı pinleri kullanır / uses pins 0 and 1
19  pinMode(STATUS_LED, OUTPUT);
20  pinMode(PWM_LED, OUTPUT);
21  pinMode(BUTTON_PIN, INPUT_PULLUP);    // dahili pull-up direnci / internal pull-up resistor
22  attachInterrupt(digitalPinToInterrupt(BUTTON_PIN), onButton, FALLING);
23}
24
25void loop() {
26  int raw = analogRead(POT_PIN);        // 0-1023 arası ham değer / raw value 0-1023
27  float volts = raw * 5.0 / 1023.0;     // volta çevir / convert to volts
28  analogWrite(PWM_LED, raw / 4);        // 0-255 arası PWM / PWM from 0 to 255
29  digitalWrite(STATUS_LED, volts > 2.5 ? HIGH : LOW);   // 2,5 V eşiği / 2.5 V threshold
30
31  noInterrupts();                       // sayacı güvenle kopyala / copy the counter safely
32  unsigned int presses = pressCount;
33  interrupts();
34
35  Serial.print(F("A0: "));
36  Serial.print(raw);
37  Serial.print(F("  V: "));
38  Serial.print(volts, 2);
39  Serial.print(F("  Buton / Button: "));
40  Serial.println(presses);
41  delay(200);
42}

Скетч одновременно использует четыре типа пинов Uno. analogRead(A0) читает значение от 0 до 1023, а raw / 4 сжимает его до диапазона 0–255, который ожидает analogWrite(). Чтобы не считать дребезг контактов, функция прерывания игнорирует сигналы, пришедшие меньше чем через 50 мс после последнего нажатия. Счётчик, который меняется в прерывании, объявлен как volatile, а loop() копирует его, ненадолго приостановив прерывания: 8-битная Uno читает 16-битное число в два приёма, и прерывание между ними могло бы дать неверное значение. Пины 0 и 1 заняты только Serial, поэтому к ним больше ничего не подключено.

Пример плана пинов: какую деталь на какой пин?

Если в проекте с несколькими деталями раскидывать пины наугад, начнутся конфликты. Сначала расставь детали с особыми ролями (I2C, SPI, прерывания, PWM) на их пины, а потом раздай простые цифровые задачи свободным пинам. Ниже пример плана для дверного замка с RFID-картой: считыватель RC522, I2C LCD, сервопривод, зуммер, кнопка и два светодиода. Поскольку сервопривод и tone() используются вместе, PWM на 3, 9, 10 и 11 и так недоступен, и план это учитывает.

Различия в пинах Arduino Uno R3 и R4

Короче говоря, номера и функции пинов на R4 остаются прежними (PWM ~3, 5, 6, 9, 10, 11; I2C A4/A5; SPI 10–13; прерывания 2, 3), но ток на пин падает до 8 mA. Светодиоду, который на R3 питался прямо от пина, на R4 нужен резистор побольше (например, 1 kΩ примерно на 3 mA) или транзистор. Подробное сравнение — в статье Arduino Uno R4. Если ищешь плату поменьше, помогут статьи Распиновка Arduino Nano и Какой Arduino купить?

Частые ошибки и как их исправить

Когда пины Arduino Uno понятны, запоминать, куда подключается каждая деталь, не нужно: смотришь, что нужно детали, и самостоятельно выбираешь подходящий пин. Если хочешь ещё раз пройтись по основам, начни со статьи Что такое Arduino? В приложении BlueGrays есть проекты вроде зажигания светодиода, чтения кнопки, измерения света фоторезистором, RGB-светодиода с PWM, I2C LCD, RFID и двух Arduino, общающихся по последовательной линии, — каждый пошагово, со схемами, которые показывают, почему выбран каждый пин, и с готовым кодом.