【Arduino】四位数码管按键计时系统（共阴极踩坑与代码优化）

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。

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。

2. 🛠️ 硬件准备与“避坑”指南

2.1 📦 必备硬件清单

1. Arduino Uno控制器：1块
2. 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！）
3. 按键开关：1个
4. 10kΩ 电阻：1个（下拉电阻）
5. 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：

1. 第1ms：拉低第一位位选（选中），输出数字段码。
2. 第2ms：拉高第一位（关闭），拉低第二位（选中），输出数字段码。
3. 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：

1. 移除delay(20)：改用millis()记录时间戳来判断消抖。
2. 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[<font color=red>拉低</font>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 ---#defineKEY_PIN1// 数码管段选引脚 (a,b,c,d,e,f,g,dp) -> D2-D9intledPins[]={2,3,4,5,6,7,8,9};// 数码管位选引脚 (千, 百, 十, 个) -> D10-D13intsegPins[]={10,11,12,13};intledCount=8;intsegCount=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constunsignedcharDuanMa[10]={0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f};// --- 全局变量 ---unsignedchardisplayTemp[4];// 显示缓冲区boolcountEnable=false;// 计时使能标志intcurrentNumber=0;// 当前计数值// --- 按键相关变量 (非阻塞消抖) ---boollastButtonState=LOW;// 上一次读取的按键状态unsignedlonglastDebounceTime=0;// 上一次去抖动时间unsignedlongdebounceDelay=50;// 消抖延时阈值voidsetup(){// 1. 初始化段选引脚for(inti=0;i<ledCount;i++){pinMode(ledPins[i],OUTPUT);}// 2. 初始化位选引脚for(inti=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);}voidloop(){// 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） */voidhandleButton(){intreading=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){staticboolstableState=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 */voidhandleTimer(){staticunsignedlonglastTimerTime=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 */voidupdateDisplayBuffer(intnum){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) */voidrefreshDisplay(){staticunsignedlonglastScanTime=0;staticintcurrentDigit=0;// 每3ms切换一位，频率约 83Hzif(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}}voiddisplaySegment(unsignedcharvalue){for(inti=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？

f = 1000 m s 12 m s ≈ 83.3 H z f = \frac{1000 \mathrm{ms}}{12 \mathrm{ms}} \approx 83.3 \mathrm{Hz}f=12ms1000ms​≈83.3Hz

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？

f = 1000 m s 12 m s ≈ 83.3 H z f = \frac{1000 \mathrm{ms}}{12 \mathrm{ms}} \approx 83.3 \mathrm{Hz}f=12ms1000ms​≈83.3Hz

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

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