ESP32 for Arduino 共阳数码管学习笔记

一、基础知识

1. 共阳数码管原理

共阳数码管是一种常见的显示器件，其内部所有LED的阳极（正极）连接在一起。当需要某一段LED点亮时，需要给该段的阴极（负极）施加低电平；当需要某一段LED熄灭时，需要给该段的阴极施加高电平。

数码管通常有8个段，分别是a、b、c、d、e、f、g（7个段用于显示数字）和dp（小数点）。

2. 74HC595移位寄存器

74HC595是一种常用的移位寄存器芯片，它可以将串行输入的数据转换为并行输出，从而减少微控制器的引脚占用。在数码管控制中，我们通常使用它来控制数码管的各个段。

74HC595主要引脚功能：

• DS（Data Serial）：串行数据输入
• SH_CP（Shift Clock）：移位时钟，上升沿时数据移位
• ST_CP（Storage Clock）：存储时钟，上升沿时数据从移位寄存器传输到存储寄存器
• Q0-Q7：并行数据输出

二、一维数组控制数码管

1. 电路连接

将74HC595的输出端与数码管的对应段连接，具体连接如下：

• 74HC595 Q0 -> 数码管 a
• 74HC595 Q1 -> 数码管 b
• 74HC595 Q2 -> 数码管 c
• 74HC595 Q3 -> 数码管 d
• 74HC595 Q4 -> 数码管 e
• 74HC595 Q5 -> 数码管 f
• 74HC595 Q6 -> 数码管 g
• 74HC595 Q7 -> 数码管 dp

74HC595的控制引脚与ESP32连接：

• DS -> DPin（9）
• SH_CP -> CPin（10）
• ST_CP -> LPin（11）

2. 代码实现（含bitRead函数）

const byte disNum[11] = {
  // 数码管各段状态定义（共阴极：1=亮，0=灭）
  //  abcdefgdp
  0b11111100, //0
  0b01100000, //1
  0b11011010, //2
  0b11110010, //3
  0b01100110, //4
  0b10110110, //5
  0b10111110, //6
  0b11100000, //7
  0b11111110, //8
  0b11110110, //9
  0b00000001  //.
};

const int LPin = 11, CPin = 10, DPin = 9; // 数码管引脚定义，LPin对应ST_CP，CPin对应SH_CP

void setup() { // 初始化函数
  pinMode(LPin, OUTPUT);
  pinMode(CPin, OUTPUT);
  pinMode(DPin, OUTPUT);
  digitalWrite(LPin, LOW);
  digitalWrite(CPin, LOW);
}

void loop() {
  for (int i = 0; i <= 10; i++) {
    disPlayNumber(i); // 显示数字
    delay(300);
  }
}

void disPlayNumber(int number) { // 数码管显示数字函数
  for (int i = 0; i <= 7; i++) { // 遍历每一位，共8位对应数码管的8个段
    // bitRead(disNum[number], i)读取disNum[number]的第i位
    // 由于是共阳数码管，需要取反，所以用!bitRead(...)
    digitalWrite(DPin, !bitRead(disNum[number], i)); // 设置DPin引脚状态（DS引脚）
    digitalWrite(CPin, LOW); // 拉低移位时钟
    digitalWrite(CPin, HIGH); // 拉高移位时钟，产生上升沿，数据移位
  }
  digitalWrite(LPin, LOW); // 拉低存储时钟
  digitalWrite(LPin, HIGH); // 拉高存储时钟，产生上升沿，数据从移位寄存器传输到存储寄存器，数码管显示
}

3. 代码解析

• disNum数组：一维数组，每个元素是一个字节（8位），分别对应数码管的a、b、c、d、e、f、g、dp段的状态。这里定义的是共阴极的状态，所以在共阳数码管上使用时需要取反。
• bitRead函数：Arduino内置函数，用于读取一个字节中指定位置的位值。例如bitRead(disNum[0], 0)读取数字0对应的字节的第0位。
• disPlayNumber函数：将数字对应的段码通过74HC595移位寄存器发送到数码管。通过循环依次发送8位数据，每发送一位就产生一个移位时钟上升沿，最后产生一个存储时钟上升沿，让数码管显示数据。

三、二维数组控制数码管

1. 电路连接

与一维数组控制时的电路连接相同。

2. 代码实现

// 定义二维数组：存储10个数字+1个小数点的各段状态（共阴极：1=亮，0=灭）
const byte disNum[11][8] = {
{1,1,1,1,1,1,0,0}, //0: a,b,c,d,e,f亮；g,dp灭
{0,1,1,0,0,0,0,0}, //1: b,c亮；其他灭
{1,1,0,1,1,0,1,0}, //2: a,b,g,e,d亮
{1,1,1,1,0,0,1,0}, //3: a,b,g,c,d亮
{0,1,1,0,0,1,1,0}, //4: f,g,b,c亮
{1,0,1,1,0,1,1,0}, //5: a,f,g,c,d亮
{1,0,1,1,1,1,1,0}, //6: a,f,g,c,d,e亮
{1,1,1,0,0,0,0,0}, //7: a,b,c亮
{1,1,1,1,1,1,1,0}, //8: 全亮，dp灭
{1,1,1,1,0,1,1,0}, //9: a,b,c,d,f,g亮
{0,0,0,0,0,0,0,1}  //小数点：仅dp亮
};  

const int DS = 9; //数码管DS引脚
const int SH_CP = 10; //数码管SH_CP引脚（移位时钟）
const int ST_CP = 11; //数码管ST_CP引脚（存储时钟）  

void setup() {
  Serial.begin(9600); //初始化串口通信，波特率为9600
  pinMode(DS, OUTPUT); //数码管的DS引脚
  pinMode(SH_CP, OUTPUT); //数码管的SH_CP引脚
  pinMode(ST_CP, OUTPUT); //数码管的ST_CP引脚
  //为了避免上电干扰
  digitalWrite(SH_CP, LOW); //数码管的SH_CP引脚输出低电平
  digitalWrite(ST_CP, LOW); //数码管的ST_CP引脚输出低电平
}  

void displayNumber(int num) { //数码管显示数字函数
  for (int i = 7; i >= 0; i--) { // 从7开始是因为移位寄存器先接收二维数组最右边的数据，才逻辑正常
    digitalWrite(DS, !disNum[num][i]); // 共阳数码管需要取反
    digitalWrite(SH_CP, LOW); // 拉低移位时钟
    digitalWrite(SH_CP, HIGH); // 拉高移位时钟，产生上升沿，数据移位
  }
  digitalWrite(ST_CP, LOW); // 拉低存储时钟
  digitalWrite(ST_CP, HIGH); // 拉高存储时钟，产生上升沿，数据从移位寄存器传输到存储寄存器，数码管显示
}  

void loop() {
  for (int i = 0; i <= 10; i++) {
    displayNumber(i);
    delay(500);
  }
}

3. 代码解析

• disNum二维数组：第一维表示数字（0-9和小数点），第二维表示数码管的8个段（a、b、c、d、e、f、g、dp）的状态。这里定义的是共阴极的状态，所以在共阳数码管上使用时需要取反。
• displayNumber函数：与一维数组控制时的函数类似，不同之处在于这里通过二维数组获取段码。循环变量i从7开始是因为74HC595移位寄存器是从高位到低位接收数据的，而数组中第一个元素对应a段（高位），最后一个元素对应dp段（低位）。
• 为什么变量i要从7开始？因为74HC595移位寄存器的移位顺序是先接收的位会被移到高位，而后接收的位会被移到低位。在这个二维数组中，disNum[num][0]对应a段（高位），disNum[num][7]对应dp段（低位）。所以从7开始循环，先发送dp段（低位），最后发送a段（高位），这样才能保证数码管的各段显示正确。

四、按键控制数码管

1. 电路连接

在之前的电路基础上，增加一个按键：

• 按键一端连接ESP32的3号引脚（keyPin）
• 按键另一端接地
• 可以在按键两端并联一个10kΩ的上拉电阻，或者使用ESP32内部的上拉电阻（在代码中设置）

2. 代码实现

const int keyPin = 3; // 按键引脚
const int DS = 9; // 数码管DS引脚
const int SH_CP = 10; // 数码管SH_CP引脚
const int ST_CP = 11; // 数码管ST_CP引脚  

// 定义二维数组：存储10个数字+1个小数点的各段状态（共阴极：1=亮，0=灭）
const byte disNum[11][8] = {
{1,1,1,1,1,1,0,0}, //0
{0,1,1,0,0,0,0,0}, //1
{1,1,0,1,1,0,1,0}, //2
{1,1,1,1,0,0,1,0}, //3
{0,1,1,0,0,1,1,0}, //4
{1,0,1,1,0,1,1,0}, //5
{1,0,1,1,1,1,1,0}, //6
{1,1,1,0,0,0,0,0}, //7
{1,1,1,1,1,1,1,0}, //8
{1,1,1,1,0,1,1,0}, //9
{0,0,0,0,0,0,0,1}  //.
};  

int currentNum = 0; // 当前显示的数字

void setup() {
  pinMode(keyPin, INPUT); // 设置按键引脚为输入模式，并启用上拉电阻
  Serial.begin(9600); // 初始化串口通信，波特率为9600
  pinMode(DS, OUTPUT); // 数码管的DS引脚
  pinMode(SH_CP, OUTPUT); // 数码管的SH_CP引脚
  pinMode(ST_CP, OUTPUT); // 数码管的ST_CP引脚
  // 为了避免上电干扰
  digitalWrite(SH_CP, LOW); 
  digitalWrite(ST_CP, LOW); 
  displayNumber(currentNum); // 初始显示0
}  

void displayNumber(int num) { // 数码管显示数字函数
  for (int i = 7; i >= 0; i--) {
    digitalWrite(DS, !disNum[num][i]); // 共阳数码管需要取反
    digitalWrite(SH_CP, LOW); // 拉低移位时钟
    digitalWrite(SH_CP, HIGH); // 拉高移位时钟，产生上升沿，数据移位
  }
  digitalWrite(ST_CP, LOW); // 拉低存储时钟
  digitalWrite(ST_CP, HIGH); // 拉高存储时钟，产生上升沿，数据从移位寄存器传输到存储寄存器，数码管显示
}  

int buttonValue;
void loop() {
  buttonValue = digitalRead(keyPin);
  if (buttonValue == 0) { // 按键按下（由于启用了上拉电阻，按下时为低电平）
    Serial.println("按键按下");
    delay(20); // 跳过按键前沿抖动区域
    // 按键一直按着就会在这里一直执行死循环，等待按键松开
    while (digitalRead(keyPin) == 0);
    delay(20); // 跳过后沿抖动
    Serial.println("按键松开");
    
    // 每次按键后显示下一个数字，循环显示0-10
    currentNum++;
    if (currentNum > 10) {
      currentNum = 0;
    }
    displayNumber(currentNum); // 显示当前数字
  }
  delay(20);
}

3. 代码解析

• 按键处理：使用digitalRead函数读取按键状态，由于启用了上拉电阻，按键未按下时为高电平，按下时为低电平。通过延时来消除按键的抖动。
• 数字切换：每次按键松开后，将当前显示的数字加1，当超过10时回到0，然后调用displayNumber函数显示新的数字。
• 这种按键控制方式可以实现按一次按键切换一个数字的功能，你也可以根据需要修改代码，实现其他功能，比如长按切换模式等。

五、总结

1. 共阳数码管与共阴数码管的区别在于LED的连接方式，共阳数码管需要低电平点亮，共阴数码管需要高电平点亮。
2. 可以使用一维数组或二维数组来存储数码管的段码，一维数组更节省内存，二维数组更直观。
3. bitRead函数可以方便地读取一个字节中指定位置的位值，在使用一维数组存储段码时非常有用。
4. 74HC595移位寄存器可以减少微控制器的引脚占用，通过串行通信控制并行输出。
5. 按键控制时需要注意消除抖动，以保证按键状态的准确读取。

通过本教程的学习，你应该能够掌握使用ESP32控制共阳数码管的基本方法，并能够根据需要扩展功能，比如控制多位数码管、实现更复杂的显示效果等。