【Arduino】四位数码管按键计时系统（共阴极踩坑与代码优化） - 指南

摘要：本文记录了一次“惊心动魄”的实验过程。原本参照网上的教程中共阳极数码管教程编写代码，结果发现手头的硬件竟是共阴极的！本文将详细介绍如何通过反转电平逻辑来适配共阴极数码管，同时通过对比原始阻塞代码与优化后的非阻塞代码，深入讲解如何解决“按键按下导致数码管熄灭”的问题，最终实现一个稳定、流畅的计时系统。

文章目录

1. ✨ 实验效果预览

初始状态：系统上电后，四位数码管静止显示 0000。
启动计时：按下按键，系统立即响应开始计时，末位数字每秒跳动一次（0000 -> 0001 …）。
暂停计时：再次按下按键，计时瞬间停止，数字定格。
视觉体验：无论按键操作如何频繁，数码管的显示始终稳定、无闪烁、无残影。

在这里插入图片描述

2. ️ 硬件准备与“避坑”指南

2.1 必备硬件清单

Arduino Uno控制器：1块
四位共阴数码管：1个（关键点：讲义教程多为共阳，如果你手头的是共阴，必须修改代码逻辑！）
按键开关：1个
10kΩ 电阻：1个（下拉电阻）
面包板及跳线：若干

2.2 ⚡ 核心避坑：共阴 vs 共阳

在实验过程中，我发现第一次进行实验时，数码管完全不亮。经过排查，原来是极性搞反了。

共阳极 (Common Anode)：
- 位选（公共端）：接 VCC。选通时给 HIGH。
- 段选（a-dp）：接 GND 点亮。输出 LOW 为亮。
共阴极 (Common Cathode)：
- 位选（公共端）：接 GND。选通时需给 LOW（拉低电平）。
- 段选（a-dp）：接 VCC 点亮。输出 HIGH 为亮。

结论：我们要把讲义代码中所有的 HIGH 和 LOW 逻辑全部反转，才能点亮共阴极数码管。

2.3 接线图示（根据实际配置）

我的实际接线配置如下：

段选引脚 (SEG A - SEG H)：连接至 D2 - D9。
位选引脚 (COM1 - COM4)：连接至 D10 - D13。
控制按键：连接至 D1 引脚。
(注意：D1也是串口TX引脚，上传代码时若遇到问题请先断开按键连接)

2.4 核心控制逻辑

2.4.1 动态扫描 (Dynamic Scanning)

由于四位数码管共用了段选引脚，物理上我们无法同时让四位显示不同的数字。动态扫描利用了人眼的视觉暂留效应：

第1ms：拉低第一位位选（选中），输出数字段码。
第2ms：拉高第一位（关闭），拉低第二位（选中），输出数字段码。
循环往复：频率 > 50Hz，人眼看到的就是静止画面。

2.4.2 ⚡ 按键消抖 (Debouncing)

机械按键在闭合瞬间会发生物理抖动。我们使用非阻塞的方式，在检测到电平变化后，利用 millis() 延时 20-50ms 再次确认状态，防止误触发。

3. 代码进化论：从阻塞到非阻塞

为了解决按键卡死（阻塞）问题，并适配我们的共阴极数码管，我对代码进行了全面重构。这个过程分为两个阶段。

3.1 第一阶段：初代代码 (能跑，但有Bug)

首先，写出了第一版代码进行实验。

虽然使用了 millis() 来处理扫描和计时，但在按键处理上，我故意保留了讲义中原始的 delay 和 while 等待逻辑，以便复现那个经典的 Bug。

初代完整源码（可以直接复制运行）：

/*
 * 项目名称：Arduino四位数码管计时系统 (初代共阴极版)
 * 硬件配置：
 * - 段选 A-H: D2-D9
 * - 位选 COM1-4: D10-D13
 * - 按键: D1
 * 状态：存在阻塞Bug
 * 说明：按住按键不放时，数码管会熄灭
 */
// 按键定义
#define KEY_PIN 1
// 数码管段选引脚 (a, b, c, d, e, f, g, dp) -> (2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9)
int ledPins[] = {2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9};
// 数码管位选引脚 (千, 百, 十, 个) -> (COM1, COM2, COM3, COM4) -> (10, 11, 12, 13)
int segPins[] = {10, 11, 12, 13};
// 共阴极段码表 (0-9)
// 1(HIGH) 亮
const unsigned char DuanMa[10] = {
  0x3f, 0x06, 0x5b, 0x4f, 0x66, 0x6d, 0x7d, 0x07, 0x7f, 0x6f
};
unsigned char displayTemp[4];
bool countEnable = false;
int currentNumber = 0;
// 按键状态记录
bool lastKeyState = LOW;
bool currentKeyState = LOW;
void setup() {
  // 初始化段选
  for (int i = 0; i < 8; i++) pinMode(ledPins[i], OUTPUT);
  // 初始化位选
  for (int i = 0; i < 4; i++) {
    pinMode(segPins[i], OUTPUT);
    digitalWrite(segPins[i], HIGH); // 共阴初始关闭
  }
  pinMode(KEY_PIN, INPUT);
  updateDisplayBuffer(0);
}
// ❌ 存在问题的按键处理函数
void handleKeyPress() {
  currentKeyState = digitalRead(KEY_PIN);
  // 检测按下瞬间
  if (currentKeyState == HIGH && lastKeyState == LOW) {
    delay(20); // 阻塞1：延时消抖
    // 再次确认
    if (digitalRead(KEY_PIN) == HIGH) {
      countEnable = !countEnable;
      // ☠️ 阻塞2：死循环等待按键松开
      // 只要你不松手，程序就永远卡在这里，回不到 loop()
      while(digitalRead(KEY_PIN) == HIGH);
    }
  }
  lastKeyState = currentKeyState;
}
void loop() {
  // 1. 处理按键
  handleKeyPress();
  // 2. 计时逻辑
  static unsigned long lastTimerTime = 0;
  if(countEnable && millis() - lastTimerTime >= 1000) {
    lastTimerTime = millis();
    currentNumber = (currentNumber + 1) % 10000;
    updateDisplayBuffer(currentNumber);
  }
  // 3. 动态扫描
  // 如果 handleKeyPress 卡住了，这里就不会执行 -> 数码管熄灭
  refreshDisplay();
}
void updateDisplayBuffer(int num) {
  displayTemp[0] = DuanMa[num / 1000];
  displayTemp[1] = DuanMa[(num % 1000) / 100];
  displayTemp[2] = DuanMa[(num % 100) / 10];
  displayTemp[3] = DuanMa[num % 10];
}
void refreshDisplay() {
  static unsigned long lastScanTime = 0;
  static int currentDigit = 0;
  if(millis() - lastScanTime >= 3) {
    lastScanTime = millis();
    // 消影
    for(int i=0; i<8; i++) digitalWrite(ledPins[i], LOW);
    digitalWrite(segPins[currentDigit], HIGH); // 关位选
    currentDigit = (currentDigit + 1) % 4;
    digitalWrite(segPins[currentDigit], LOW); // 开新位选
    for(int i=0; i<8; i++) digitalWrite(ledPins[i], bitRead(displayTemp[currentDigit], i));
  }
}

Bug现象分析：

当你点按（快速按下松开）时，系统工作正常。

但是，如果你长按按键（哪怕超过几十毫秒），数码管会立刻熄灭或只显示某一位。这是因为程序卡在了 while 循环里，导致主循环 loop() 停止运行，数码管的动态扫描也随之停止。

3.2 第二阶段：优化思路 (去阻塞化)

为了修复这个问题，我们需要彻底抛弃 delay() 和 while 等待，改用状态机思想。

优化策略：

移除 delay(20)：改用 millis() 记录时间戳来判断消抖。
移除 while 等待：我们不需要等待按键松开，只需要检测按键状态的跳变沿（从 LOW 变为 HIGH 的瞬间）。

非阻塞逻辑流程图：

graph TD
    start(loop循环) --> checkBtn{检测按键};
    checkBtn -- 状态改变 --> debounce[重置消抖计时];
    checkBtn -- 稳定 > 50ms --> confirm{确认按下?};
    confirm -- Yes --> toggle[切换计时开关];
    confirm -- No --> updateState[更新按键状态];
    debounce --> timerCheck;
    toggle --> updateState;
    updateState --> timerCheck;
    timerCheck{> 1000ms?};
    timerCheck -- Yes --> addNum[数字 + 1];
    timerCheck -- No --> scanCheck;
    addNum --> scanCheck;
    scanCheck{> 3ms?};
    scanCheck -- Yes --> refresh[拉低下一位位选];
    scanCheck -- No --> loopEnd(结束);
    refresh --> loopEnd;

3.3 ✅ 最终源码（完美优化版）

以下是经过重构的完整代码，不仅适配了共阴极，还完美解决了按键阻塞问题。这个版本适合教学，注释详尽，结构清晰。

* 项目名称：Arduino四位数码管计时系统 (共阴极适配 + 非阻塞优化版)
* 硬件配置：
* - 段选 A-H: D2-D9
* - 位选 COM1-4: D10-D13
* - 按键: D1
* 修改记录：
* - [Fix] 修复了用于共阴数码管时无法点亮的问题
* - [Opt] 移除了while死循环，解决了按键按下时数码管熄灭的问题
*/
// --- 硬件引脚定义 ---
#define KEY_PIN 1
// 数码管段选引脚 (a,b,c,d,e,f,g,dp) -> D2-D9
int ledPins[] = {2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9};
// 数码管位选引脚 (千, 百, 十, 个) -> D10-D13
int segPins[] = {10, 11, 12, 13};
int ledCount = 8;
int segCount = 4;
// --- 共阴数码管段码表 (0-9) ---
// ⚠️ 重点修改：共阴极是 1(HIGH) 亮，共阳极是 0(LOW) 亮
const unsigned char DuanMa[10] = {
0x3f, 0x06, 0x5b, 0x4f, 0x66, 0x6d, 0x7d, 0x07, 0x7f, 0x6f
};
// --- 全局变量 ---
unsigned char displayTemp[4]; // 显示缓冲区
bool countEnable = false;     // 计时使能标志
int currentNumber = 0;        // 当前计数值
// --- 按键相关变量 (非阻塞消抖) ---
bool lastButtonState = LOW;   // 上一次读取的按键状态
unsigned long lastDebounceTime = 0;  // 上一次去抖动时间
unsigned long debounceDelay = 50;    // 消抖延时阈值
void setup() {
// 1. 初始化段选引脚
for (int i = 0; i < ledCount; i++) {
pinMode(ledPins[i], OUTPUT);
}
// 2. 初始化位选引脚
for (int i = 0; i < segCount; i++) {
pinMode(segPins[i], OUTPUT);
// ⚠️ 共阴极初始化：位选置 HIGH (关闭)
digitalWrite(segPins[i], HIGH);
}
// 3. 初始化按键
pinMode(KEY_PIN, INPUT);
// 4. 初始化缓冲区
updateDisplayBuffer(0);
}
void loop() {
// 任务1：处理按键 (非阻塞)
handleButton();
// 任务2：处理计时逻辑 (非阻塞，每1000ms增加)
handleTimer();
// 任务3：数码管动态扫描 (需极高频率执行)
refreshDisplay();
}
/**
* @brief 按键处理函数（带状态机消抖，无阻塞）
*/
void handleButton() {
int reading = digitalRead(KEY_PIN);
// 如果状态发生改变，重置计时器
if (reading != lastButtonState) {
lastDebounceTime = millis();
}
// 只有当状态稳定保持超过延时时间，才认为有效
if ((millis() - lastDebounceTime) > debounceDelay) {
static bool stableState = LOW;
// 如果稳定状态发生了改变
if (reading != stableState) {
stableState = reading;
// 仅在按下瞬间 (Rising Edge) 触发动作
if (stableState == HIGH) {
countEnable = !countEnable;
}
}
}
lastButtonState = reading;
}
/**
* @brief 计时逻辑：每秒增加一次计数
*/
void handleTimer() {
static unsigned long lastTimerTime = 0;
if (countEnable) {
if (millis() - lastTimerTime >= 1000) {
lastTimerTime = millis();
currentNumber++;
if (currentNumber > 9999) currentNumber = 0;
updateDisplayBuffer(currentNumber);
}
} else {
lastTimerTime = millis();
}
}
/**
* @brief 更新显示缓冲区
*/
void updateDisplayBuffer(int num) {
displayTemp[0] = DuanMa[num / 1000];
displayTemp[1] = DuanMa[(num % 1000) / 100];
displayTemp[2] = DuanMa[(num % 100) / 10];
displayTemp[3] = DuanMa[num % 10];
}
/**
* @brief 数码管刷新函数 (核心逻辑)
*/
void refreshDisplay() {
static unsigned long lastScanTime = 0;
static int currentDigit = 0;
// 每3ms切换一位，频率约 83Hz
if (millis() - lastScanTime >= 3) {
lastScanTime = millis();
displaySegment(0x00); // 1. 消影 (全灭)
// ⚠️ 共阴极：拉高位选 = 关闭当前位
digitalWrite(segPins[currentDigit], HIGH);
currentDigit = (currentDigit + 1) % 4; // 切换下一位
// ⚠️ 共阴极：拉低位选 = 选中新的一位
digitalWrite(segPins[currentDigit], LOW);
displaySegment(displayTemp[currentDigit]); // 输出段码
}
}
void displaySegment(unsigned char value) {
for (int i = 0; i < 8; i++) {
// ⚠️ 共阴极：bit为1时输出HIGH点亮
digitalWrite(ledPins[i], bitRead(value, i));
}
}

3.4 极简极客版：代码瘦身

如果你已经完全掌握了原理，可能会觉得上面的代码有点“啰嗦”。下面提供一个高度浓缩的版本，利用 C++ 的特性（如范围 for 循环、直接逻辑运算）将代码量压缩到极致，功能却完全一样。适合追求代码简洁的“强迫症”玩家！

/* 极简版：非阻塞按键+数码管计时 (共阴极) */
const byte segs[] = {2,3,4,5,6,7,8,9};   // 段选 D2-D9
const byte coms[] = {10,11,12,13};       // 位选 D10-D13
const byte btn = 1;                      // 按键 D1
const byte code[] = {0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f}; // 共阴码表
unsigned long t_scan=0, t_btn=0, t_count=0;
int num=0, digit=0, divArr[]={1000,100,10,1};
bool run=false, lastBtn=0;
void setup() {
  for(auto p:segs) pinMode(p, OUTPUT); // C++11 范围for循环
  for(auto p:coms) { pinMode(p, OUTPUT); digitalWrite(p, HIGH); } // 共阴初始HIGH(关)
  pinMode(btn, INPUT);
}
void loop() {
  unsigned long now = millis();
  // 1. 动态扫描 (3ms)
  if(now - t_scan > 3) {
    t_scan = now;
    digitalWrite(coms[digit], HIGH); // 关旧位
    digit = (digit + 1) % 4;         // 切新位
    // 核心一行：计算位值 -> 查表 -> 逐位输出
    byte val = code[(num / divArr[digit]) % 10];
    for(int i=0; i<8; i++) digitalWrite(segs[i], bitRead(val, i));
    digitalWrite(coms[digit], LOW);  // 开新位(共阴LOW)
  }
  // 2. 按键处理 (50ms消抖)
  bool b = digitalRead(btn);
  if(b != lastBtn && now - t_btn > 50) {
    t_btn = now;
    if(b) run = !run; // 按下瞬间翻转状态
    lastBtn = b;
  }
  // 3. 计时逻辑 (1000ms)
  if(run && now - t_count > 1000) {
    t_count = now;
    num = (num + 1) % 10000;
  }
}

4. 举一反三：实验拓展任务

4.1 基础训练：循环结构的灵活转换

虽然 for 循环最常用，但理解 while 和 do...while 的执行流程同样重要。

原始 for 循环：

for(int ledpin = 0; ledpin < ledCount; ledpin++) {
    pinMode(ledPins[ledpin], OUTPUT);
}

变形 1：使用 while 循环

int ledpin = 0;
while(ledpin < ledCount) {
    pinMode(ledPins[ledpin], OUTPUT);
    ledpin++;
}

变形 2：使用 do...while 循环

int ledpin = 0;
do {
    pinMode(ledPins[ledpin], OUTPUT);
    ledpin++;
} while(ledpin < ledCount);

4.2 进阶挑战：构建十六进制计时器 (0~FFFF)

想要显示 A-F，我们需要扩充字库。

核心代码补丁：

// 1. 扩展段码表 (新增 A-F, 共阴极编码)
const unsigned char DuanMaHex[16] = {
  // 0-9
  0x3f, 0x06, 0x5b, 0x4f, 0x66, 0x6d, 0x7d, 0x07, 0x7f, 0x6f,
  // A, b, C, d, E, F
  0x77, 0x7c, 0x39, 0x5e, 0x79, 0x71
};
// 2. 修改位分离算法 (Base 16)
void updateDisplayBufferHex(unsigned int num) {
  // 范围扩大至 0 - 65535 (FFFF)
  displayTemp[0] = DuanMaHex[(num / 4096) % 16];
  displayTemp[1] = DuanMaHex[(num / 256) % 16];
  displayTemp[2] = DuanMaHex[(num / 16) % 16];
  displayTemp[3] = DuanMaHex[num % 16];
}

5. 技术深究：知其然更知其所以然

5.1 ❓ 灵魂拷问：放弃 `delay()` 的理由

初学者最爱问：“为什么要搞这么复杂的 millis()，直接 delay(1000) 不香吗？”

答案是：不香，甚至不能用。

单片机就像一个只能做一件事的保安。

使用 delay(1000)：保安在这1秒内闭上眼睛睡觉，不管按键，也不管扫描，数码管会直接熄灭。
使用 millis()：保安不睡觉，快速轮询，实现“分身术”，兼顾按键检测和数码管刷新。

5.2 ️ 视觉欺骗：揭秘动态扫描频率

为什么代码中设定 3ms 切换一次？

我们来算一笔账：4位数码管，每位显示3ms，扫描一轮需要 3ms * 4 = 12ms。

一秒钟能扫描多少轮？

$\frac{1000 \mathrm{ms}}{12 \mathrm{ms}} \approx 83.3 \mathrm{Hz}$

电影的帧率通常才24Hz，而我们的扫描频率高达83Hz，远远超过了人眼的闪烁临界值，所以看起来画面如丝般顺滑。

6. 结语

这次实验虽然遇到了“共阴共阳”的小插曲，但正是这个插曲让我们更深刻地理解了数码管的驱动原理。编程不只是敲代码，更是解决实际硬件问题的过程。 掌握了电平逻辑反转和非阻塞编程，你已经迈过了嵌入式入门的一道大坎

000)`：保安在这1秒内闭上眼睛睡觉，不管按键，也不管扫描，数码管会直接熄灭。

使用 millis()：保安不睡觉，快速轮询，实现“分身术”，兼顾按键检测和数码管刷新。

5.2 ️ 视觉欺骗：揭秘动态扫描频率

为什么代码中设定 3ms 切换一次？

我们来算一笔账：4位数码管，每位显示3ms，扫描一轮需要 3ms * 4 = 12ms。

一秒钟能扫描多少轮？

$\frac{1000 \mathrm{ms}}{12 \mathrm{ms}} \approx 83.3 \mathrm{Hz}$

电影的帧率通常才24Hz，而我们的扫描频率高达83Hz，远远超过了人眼的闪烁临界值，所以看起来画面如丝般顺滑。

6. 结语

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posted @ 2026-01-13 20:53 yangykaifa 阅读(3) 评论(0) 收藏举报

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【Arduino】四位数码管按键计时系统（共阴极踩坑与代码优化） - 指南

文章目录

1. ✨ 实验效果预览

2. ️ 硬件准备与“避坑”指南

2.1 必备硬件清单

2.2 ⚡ 核心避坑：共阴 vs 共阳

2.3 接线图示（根据实际配置）

2.4 核心控制逻辑

2.4.1 动态扫描 (Dynamic Scanning)

2.4.2 ⚡ 按键消抖 (Debouncing)

3. 代码进化论：从阻塞到非阻塞

3.1 第一阶段：初代代码 (能跑，但有Bug)

3.2 第二阶段：优化思路 (去阻塞化)

3.3 ✅ 最终源码（完美优化版）

3.4 极简极客版：代码瘦身

4. 举一反三：实验拓展任务

4.1 基础训练：循环结构的灵活转换

4.2 进阶挑战：构建十六进制计时器 (0~FFFF)

5. 技术深究：知其然更知其所以然

5.1 ❓ 灵魂拷问：放弃 delay() 的理由

5.2 ️ 视觉欺骗：揭秘动态扫描频率

6. 结语

5.2 ️ 视觉欺骗：揭秘动态扫描频率

6. 结语

5.1 ❓ 灵魂拷问：放弃 `delay()` 的理由