ESP32 for Arduino 课程学习笔记：按键消抖与数码管控制

一、按键抖动原理及消抖方法

1.1 按键抖动的产生原因

按键内部由金属簧片构成，当按下或松开按键时，金属簧片会产生物理振动，导致电路在10-20ms内出现多次通断现象，这种现象称为"按键抖动"。

• 理想状态：按键按下时信号瞬间从HIGH(1)变为LOW(0)，松开时瞬间从LOW(0)变为HIGH(1)
• 现实状态：按下和松开时都会产生10-20ms的抖动，之后才进入稳定状态

1.2 按键抖动的波形对比

状态	特征
理想波形	信号突变，无中间状态
现实波形	包含前沿抖动（10-20ms）、稳定状态、后沿抖动（10-20ms）

1.3 按键消抖的必要性

如果不进行消抖处理，控制器会误判按键被多次按下，导致程序执行错误（如LED频繁闪烁、计数错误等）。

二、按键消抖实现方法

2.1 基础检测代码（无消抖）

void setup() {
  pinMode(3, INPUT);       // 按键连接引脚3
  pinMode(4, OUTPUT);      // LED连接引脚4
  digitalWrite(4, 0);      // 初始关闭LED
  Serial.begin(115200);    // 初始化串口通信
}

boolean buttonState = false;

void loop() {
  // 直接读取按键状态，无消抖处理
  Serial.println(digitalRead(3));  // 串口输出按键状态
  delay(20);  // 短暂延时
}

2.2 简单消抖代码（延时法）

void setup() {
  pinMode(3, INPUT);       // 按键连接引脚3
  pinMode(4, OUTPUT);      // LED连接引脚4
  digitalWrite(4, 0);      // 初始关闭LED
  Serial.begin(115200);    // 初始化串口通信
}

boolean buttonState = false;

void loop() {
  // 当按键被按下（读取到LOW）
  if(digitalRead(3) == LOW) {
    buttonState = !buttonState;  // 切换状态（取反）
    Serial.println(buttonState); // 输出当前状态
    digitalWrite(4, buttonState); // 控制LED
    delay(1000);  // 延时跳过抖动区域（关键消抖步骤）
  }
  delay(20);
}

2.3 消抖原理说明

延时法消抖的核心思想是：当检测到按键状态变化后，延时一段时间（通常大于20ms），跳过抖动阶段，确保读取的是稳定后的状态。

// 关键消抖代码解析
if(digitalRead(3) == LOW) {  // 检测到按键按下
  buttonState = !buttonState;  // 切换状态
  delay(1000);  // 延时1秒，覆盖抖动时间（实际应用中20-50ms即可）
}

三、四位数码管控制

3.1 数码管控制原理

四位数码管通过"位选"和"段选"信号控制显示：

• 位选：选择哪一位数码管点亮
• 段选：控制数码管显示的数字

通常使用74HC595移位寄存器扩展IO口，通过shiftOut()函数输出控制信号。

3.2 shiftOut()函数详解

// 函数原型
shiftOut(dataPin, clockPin, bitOrder, value);

参数说明：

• dataPin：数据输出引脚（连接74HC595的DS引脚）
• clockPin：时钟引脚（连接74HC595的SH_CP引脚）
• bitOrder：位输出顺序（MSBFIRST高位优先，LSBFIRST低位优先）
• value：要输出的字节数据

3.3 数码管显示单个数字

// 定义引脚
#define dataPin 2  // 数据引脚
#define clockPin 3 // 时钟引脚
#define latchPin 4 // 锁存引脚

// 数字段码表（共阴极为例）
byte disNum[10] = {
  0b00111111, // 0
  0b00000110, // 1
  0b01011011, // 2
  0b01001111, // 3
  0b01100110, // 4
  0b01101101, // 5
  0b01111101, // 6
  0b00000111, // 7
  0b01111111, // 8
  0b01101111  // 9
};

void setup() {
  // 初始化引脚
  pinMode(dataPin, OUTPUT);
  pinMode(clockPin, OUTPUT);
  pinMode(latchPin, OUTPUT);
}

// 显示单个数字到指定位置
void disPlayNumber(int digit, int number) {
  byte v = 0b0;
  // 位选信号（选择第digit位）
  shiftOut(dataPin, clockPin, MSBFIRST, bitSet(v, digit-1));
  // 段选信号（显示number数字）
  shiftOut(dataPin, clockPin, LSBFIRST, ~disNum[number]);
  digitalWrite(latchPin, LOW);  // 开始传输
  digitalWrite(latchPin, HIGH); // 锁存数据（关键步骤）
}

void loop() {
  disPlayNumber(1, 8);  // 在第1位显示8
  delay(5);
}

3.4 多位数字显示

通过循环快速切换不同位的显示，利用人眼视觉暂留效果，实现多位同时显示的视觉效果：

// 显示多位数（如1234）
void disPlayNumbers(int n) {
  int arr[5] = {};
  // 拆分数字到数组
  arr[1] = n % 10;         // 个位
  arr[2] = n / 10 % 10;    // 十位
  arr[3] = n / 100 % 10;   // 百位
  arr[4] = n / 1000 % 10;  // 千位
  
  // 循环显示每一位
  for(int i = 1; i <= 4; i++) {
    disPlayNumber(4 - i + 1, arr[i]);
    delay(1);  // 短暂延时，保证显示稳定
  }
}

void loop() {
  disPlayNumbers(721);  // 显示721
}

四、位操作函数详解

4.1 bitSet() 函数

设置变量的某一位为1：

// 语法：bitSet(x, n)
// x: 操作的变量
// n: 位位置（从0开始计数）

byte v = 0b0;
bitSet(v, 0);  // 设置第0位为1，v变为0b00000001
bitSet(v, 2);  // 设置第2位为1，v变为0b00000101

4.2 bitClear() 函数

清除变量的某一位为0：

// 语法：bitClear(x, n)
byte v = 0b11111111;
bitClear(v, 1);  // 清除第1位，v变为0b11111101

4.3 bitWrite() 函数

向变量的某一位写入指定值（0或1）：

// 语法：bitWrite(x, n, b)
byte v = 0b0;
bitWrite(v, 3, 1);  // 向第3位写入1，v变为0b00001000
bitWrite(v, 3, 0);  // 向第3位写入0，v变为0b00000000

4.4 位运算符

运算符	含义	示例
&	按位与	0b1010 & 0b1100 = 0b1000
|	按位或	0b1010 | 0b1100 = 0b1110
^	按位异或	0b1010 ^ 0b1100 = 0b0110
~	按位非	~0b1010 = 0b0101
<<	左移	0b0001 << 2 = 0b0100
>>	右移	0b1000 >> 2 = 0b0010

五、综合应用示例

5.1 按键控制数码管计数

#define dataPin 2
#define clockPin 3
#define latchPin 4
#define buttonPin 5

byte disNum[10] = {0b00111111,0b00000110,0b01011011,0b01001111,0b01100110,
                   0b01101101,0b01111101,0b00000111,0b01111111,0b01101111};
int count = 0;
boolean buttonState = false;

void setup() {
  pinMode(dataPin, OUTPUT);
  pinMode(clockPin, OUTPUT);
  pinMode(latchPin, OUTPUT);
  pinMode(buttonPin, INPUT);
  Serial.begin(115200);
}

void disPlayNumber(int digit, int number) {
  byte v = 0b0;
  shiftOut(dataPin, clockPin, MSBFIRST, bitSet(v, digit-1));
  shiftOut(dataPin, clockPin, LSBFIRST, ~disNum[number]);
  digitalWrite(latchPin, LOW);
  digitalWrite(latchPin, HIGH);
}

void disPlayNumbers(int n) {
  int arr[5] = {};
  arr[1] = n % 10;
  arr[2] = n / 10 % 10;
  arr[3] = n / 100 % 10;
  arr[4] = n / 1000 % 10;
  
  for(int i = 1; i <= 4; i++) {
    disPlayNumber(4 - i + 1, arr[i]);
    delay(1);
  }
}

void loop() {
  // 按键消抖处理
  if(digitalRead(buttonPin) == LOW) {
    count++;  // 计数加1
    if(count > 9999) count = 0;  // 溢出归零
    Serial.println(count);
    delay(200);  // 消抖延时
  }
  disPlayNumbers(count);  // 显示计数
}

5.2 代码说明

1. 初始化引脚和段码表
2. disPlayNumber()函数控制单个数码管显示
3. disPlayNumbers()函数处理多位数显示
4. 按键检测部分加入消抖延时
5. 主循环中不断刷新显示并检测按键状态

通过本教程，你应该掌握了按键消抖的原理与实现方法，以及四位数码管的控制方式。这些知识是ESP32开发中非常基础且重要的内容，可应用于各种交互式电子项目中。