ESP32 驱动四位数码管（Arduino 环境）学习笔记

一、前言

在嵌入式开发中，数码管是常用的显示设备。本次我们基于 ESP32，利用 Arduino 环境驱动四位数码管，通过 74HC595 移位寄存器实现，掌握硬件连接与程序控制逻辑，让数字 “亮” 起来 ！

二、硬件原理与连接（以 74HC595 驱动四位数码管为例 ）

1. 四位数码管与 74HC595 简介

• 四位数码管：共阴极（本次代码适配，1=亮，0=灭 ），通过动态扫描（利用人眼视觉暂留）实现多位显示，每位点亮时间短，快速切换就像同时亮 。
• 74HC595：串行输入、并行输出的移位寄存器，能减少 ESP32 引脚占用，通过 DS（数据）、SH_CP（时钟）、ST_CP（锁存） 三个引脚控制，实现串行数据转并行输出，驱动数码管段选和位选 。

2. 引脚对应关系（参考示例电路，需根据实际连线调整 ）

ESP32 引脚	功能	对应 74HC595 引脚	作用
9	dataPin	DS	传输串行数据
10	clockPin	SH_CP	时钟信号，同步数据移位
11	latchPin	ST_CP	锁存数据，让并行口输出

三、代码实现与详解

1. 完整代码

以下是提取的代码及详细解释：

提取的 Arduino 代码

const int dataPin = 9;    // 数据引脚 (DS)
const int clockPin = 10;  // 时钟引脚 (SH_CP)
const int latchPin = 11;  // 锁存引脚 (ST_CP)

void setup() {
  // put your setup code here, to run once:
  pinMode(dataPin, OUTPUT);
  pinMode(clockPin, OUTPUT);
  pinMode(latchPin, OUTPUT);
  byte duan = 0b10110110;//5  //0表示选中
  byte wei = 0b00000010;//位  1表示选中
  digitalWrite(clockPin, LOW);
  digitalWrite(latchPin, LOW);
  shiftOut(dataPin, clockPin, MSBFIRST, wei);
  shiftOut(dataPin, clockPin, LSBFIRST, ~duan);
  digitalWrite(latchPin, LOW);        // 开始传输
  digitalWrite(latchPin, HIGH);       // 锁存数据
}

void loop() {
  // put your main code here, to run repeatedly:
}

---

代码逐行解释

1. 引脚定义

const int dataPin = 9;    // 数据引脚 (DS)
const int clockPin = 10;  // 时钟引脚 (SH_CP)
const int latchPin = 11;  // 锁存引脚 (ST_CP)

• 作用：定义与 74HC595 移位寄存器连接的 Arduino 引脚：
  • dataPin：用于传输串行数据（DS 引脚）。
  • clockPin：用于同步数据移位（SH_CP 引脚）。
  • latchPin：用于锁存数据（ST_CP 引脚）。
• 74HC595 简介：
  • 是一种串行输入、并行输出的移位寄存器。
  • 可以用少量 Arduino 引脚控制多个输出（如数码管、LED 等）。

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2. setup() 函数

void setup() {
  // put your setup code here, to run once:
  pinMode(dataPin, OUTPUT);
  pinMode(clockPin, OUTPUT);
  pinMode(latchPin, OUTPUT);

• 作用：初始化引脚为输出模式，确保 Arduino 可以控制这些引脚的电平。

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3. 定义段选和位选数据

  byte duan = 0b10110110;//5  //0表示选中
  byte wei = 0b00000010;//位  1表示选中

• duan（段选数据）：
  • 二进制 0b10110110 表示数码管的段选信号。
  • 用于控制数码管的哪些段（如 a、b、c 等）点亮。
  • 注释 //5 表示该数据对应显示数字 5（需结合数码管类型和硬件连接）。
• wei（位选数据）：
  • 二进制 0b00000010 表示数码管的位选信号。
  • 用于控制哪一位数码管点亮（如四位数码管的第二位）。

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4. 初始化时钟和锁存引脚

  digitalWrite(clockPin, LOW);
  digitalWrite(latchPin, LOW);

• 作用：
  • 将 clockPin 和 latchPin 置为低电平，为后续数据传输做准备。

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5. 传输位选和段选数据

  shiftOut(dataPin, clockPin, MSBFIRST, wei);
  shiftOut(dataPin, clockPin, LSBFIRST, ~duan);

• shiftOut() 函数：
  • 用于将数据串行输出到 74HC595 移位寄存器。
  • 参数说明：
    • dataPin：数据输出引脚。
    • clockPin：时钟引脚，用于同步数据移位。
    • MSBFIRST / LSBFIRST：数据传输顺序（高位先传或低位先传）。
    • wei / ~duan：要传输的数据。
• ~duan：
  • ~ 是按位取反操作。
  • 用于适配共阴极数码管的电平需求（低电平点亮段）。

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6. 锁存数据

  digitalWrite(latchPin, LOW);        // 开始传输
  digitalWrite(latchPin, HIGH);       // 锁存数据

• 作用：
  • 先将 latchPin 置为低电平，准备更新数据。
  • 再将 latchPin 置为高电平，锁存数据并输出到 74HC595 的并行端口。
  • 这一步确保 74HC595 将串行输入的数据并行输出，控制数码管显示。

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7. loop() 函数

void loop() {
  // put your main code here, to run repeatedly:
}

• 作用：
  • 主循环函数，但当前代码中为空，没有重复执行的逻辑。
  • 如果需要动态更新数码管显示，可以在此处添加代码。

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硬件连接与功能

• 74HC595 移位寄存器：
  • 用于扩展 Arduino 的输出引脚，控制多位数码管。
  • 通过 dataPin、clockPin 和 latchPin 与 Arduino 通信。
• 四位数码管：
  • 通过 74HC595 的并行输出来控制每一位的显示。
  • 段选数据（duan）控制数码管的段点亮，位选数据（wei）控制哪一位数码管点亮。

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运行逻辑

1. 初始化引脚：将 dataPin、clockPin 和 latchPin 设为输出模式。
2. 准备数据：定义段选（duan）和位选（wei）数据。
3. 传输数据：通过 shiftOut() 函数将数据串行输出到 74HC595。
4. 锁存数据：通过 latchPin 控制 74HC595 锁存数据并输出，最终控制数码管显示。

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总结

• 这段代码通过 Arduino 控制 74HC595 移位寄存器，实现了四位数码管的静态显示（当前显示数字 5）。
• 关键步骤包括：引脚初始化、数据传输、锁存数据。
• 如果需要动态显示（如计数、显示传感器数据等），可以在 loop() 函数中添加逻辑，更新 duan 和 wei 的值并重新传输数据。

2. 完整代码

// 定义与 74HC595 连接的 ESP32 引脚
const int dataPin = 9;    // 数据引脚 (DS)，传输串行数据
const int clockPin = 10;   // 时钟引脚 (SH_CP)，同步数据移位
const int latchPin = 11;    // 锁存引脚 (ST_CP)，锁存并行数据输出

// 数码管段选定义（共阴极：1=亮，0=灭），数组索引对应 0-9 和小数点
const byte disNum[11] = {
  // 对应数码管段 a b c d e f g dp（小数点），1 表示亮，0 表示灭
  0b11111100, // 0：a~f 亮，g、dp 灭 
  0b01100000, // 1：b、c 亮，其他灭 
  0b11011010, // 2：a、b、g、e、d 亮 
  0b11110010, // 3：a、b、g、c、d 亮 
  0b01100110, // 4：f、g、b、c 亮 
  0b10110110, // 5：a、f、g、c、d 亮 
  0b10111110, // 6：a、f、g、c、d、e 亮 
  0b11100000, // 7：a、b、c 亮 
  0b11111110, // 8：所有段亮 
  0b11110110, // 9：a、b、c、d、f、g 亮 
  0b00000001  // .：只有小数点亮 
};

void setup() {
  // 初始化引脚为输出模式，让 ESP32 能控制这些引脚电平
  pinMode(dataPin, OUTPUT);
  pinMode(clockPin, OUTPUT);
  pinMode(latchPin, OUTPUT);

  // 以下代码可根据需求调整，示例里仅做引脚初始电平设置（非必须，displayNumber 里会动态控制）
  byte duan = 0b10110110;// 示例数值，可理解为预设段选（对应数字 5）
  byte wei = 0b00000010;// 示例数值，可理解为预设位选（第二位亮）
  digitalWrite(clockPin, LOW); // 时钟引脚置低
  digitalWrite(latchPin, LOW); // 锁存引脚置低
}

// 显示函数：n 为要显示的数字（如 1234），逐位驱动数码管显示
void disPlayNumber(int n) { 
  byte wei = 0b00000001; // 初始位选，从最右边（第一位）数码管开始

  // 当数字 n 不为 0 时，循环处理每一位
  while (n != 0) { 
    // 1. 输出位选信号：决定点亮哪一位数码管（MSBFIRST 表示高位先传）
    shiftOut(dataPin, clockPin, MSBFIRST, wei); 
    // 2. 输出段选信号：根据数字的当前位（n%10 取余），取反是因为共阴极数码管低电平驱动段亮（代码里定义 1 是亮，通过 ~ 取反适配硬件逻辑）
    shiftOut(dataPin, clockPin, LSBFIRST, ~disNum[n%10]); 
    digitalWrite(latchPin, LOW);         // 拉低锁存引脚，准备更新数据
    digitalWrite(latchPin, HIGH);        // 拉高锁存引脚，锁存数据，让数码管显示当前位
    wei = (wei << 1); // 位选左移，切换到下一位数码管（从右往左）
    n /= 10; // 数字去掉已处理的最后一位（如 1234→123→12→1→0 ）
    delay(2); // 延时短暂时间，利用视觉暂留让显示稳定（可调整，1 - 2ms 即可）
  }
}

void loop() {
  // 循环调用显示函数，持续显示数字 1234
  disPlayNumber(1234); 
}

2. 关键代码解析

• 引脚定义：dataPin、clockPin、latchPin 对应 ESP32 控制 74HC595 的三个关键引脚，通过它们实现串行数据传输与锁存 。
• disNum 数组：预先定义 0 - 9 和小数点对应的数码管段亮灭状态，用二进制直观表示各段（a - g、dp ）的亮灭，方便快速查找 。
• shiftOut 函数：
  • shiftOut(dataPin, clockPin, MSBFIRST, wei)：从 dataPin 逐位输出 wei 的数据（MSBFIRST 表示高位先传 ），配合 clockPin 时钟信号，将位选数据传入 74HC595 。
  • shiftOut(dataPin, clockPin, LSBFIRST, ~disNum[n%10])：同理，传输段选数据，LSBFIRST 是低位先传，~ 取反适配共阴极数码管低电平驱动段亮的逻辑 。
• latchPin 作用：先拉低（LOW ）准备接收新数据，再拉高（HIGH ）锁存数据，让 74HC595 并行输出当前数据，驱动数码管显示 。
• disPlayNumber 逻辑：通过 while 循环逐位处理数字（n%10 取当前位、n/=10 去掉已处理位 ），配合位选左移（wei << 1 ），实现多位数码管动态扫描显示 。

四、调试与扩展

1. 调试注意事项

• 硬件连接：确保 ESP32 引脚与 74HC595、数码管连接正确，尤其是 DS、SH_CP、ST_CP 对应关系，否则数据传输异常，数码管不亮或乱码 。
• 共阴/共阳适配：若数码管是共阳极，需修改 disNum 数组（1=灭，0=亮 ），且 shiftOut 时可能无需 ~ 取反，根据实际硬件调整 。
• 延时调整：delay(2) 可微调，太小可能显示闪烁，太大可能切换不流畅，根据实际视觉效果优化 。

2. 功能扩展

• 显示更多数字/字符：扩展 disNum 数组，添加字母（如 A、b 等）、特殊符号段选定义，实现更丰富显示 。
• 动态数据显示：结合传感器（如温度传感器），让 disPlayNumber 的参数从传感器读取，实时显示温度、湿度等数据 。
• 多组数码管级联：若有多个四位数码管，可增加 74HC595 级联，调整 shiftOut 传输数据长度和位选逻辑，实现更多位显示 。

通过本次学习，你掌握了 ESP32 + 74HC595 驱动四位数码管的核心逻辑，从硬件连接到代码控制都有了清晰认知。多动手调试、扩展功能，就能让数码管成为你项目中炫酷的显示窗口，继续探索嵌入式世界吧，你会发现更多有趣的玩法 ！