ESP32 for Arduino 学习笔记教程：点阵屏与 millis() 应用

一、课程目标

1. 掌握 ESP32 引脚模式配置，实现硬件控制
2. 学会使用 millis() 函数实现非阻塞延时，替代 delay()
3. 理解点阵屏驱动原理，实现图案动态切换显示
4. 掌握移位寄存器控制方法（shiftOut 函数应用 ）

二、核心知识点回顾

1. 引脚模式配置

• 函数：pinMode(引脚编号, 模式)
  • 模式包含 INPUT（输入）、OUTPUT（输出）等
  • 例：pinMode(13, OUTPUT); 配置引脚 13 为输出模式，用于控制点阵屏锁存信号

2. millis() 函数

• 功能：获取程序启动后经过的毫秒数，实现非阻塞延时
• 优势：相比 delay()，不会阻塞程序执行，可同时处理多个任务
• 用法：unsigned long currentTime = millis(); 结合逻辑判断实现延时，如：

if (millis() - oldTime >= 1000) {
  // 执行延时 1 秒后的操作
  oldTime = millis(); // 更新时间标记
}

3. 点阵屏驱动原理

• 通过移位寄存器（如 74HC595）控制：
  • 行数据（Rowdata）：控制点亮哪一行
  • 列数据（COLdata）：控制该行哪些点点亮
• 核心函数 shiftOut(数据引脚, 时钟引脚, 数据顺序, 数据)：将数据逐位移位输出到寄存器

三、代码实战与解析

完整代码（带详细注释）

// 点阵屏控制引脚定义
const int LPin = 13, CPin = 14, DPin = 15;  
// LPin: 锁存引脚 | CPin: 时钟引脚 | DPin: 数据引脚
byte Rowdata, COLdata;  // 存储行、列数据

// 图案定义（8x8 点阵）
// 小爱心图案
byte small[8] = {0x00, 0x00, 0x00, 0x14, 0x3E, 0x1C, 0x08, 0x00}; 
// 大爱心图案
byte big[8] = {0x00, 0x66, 0xFF, 0xFF, 0xFF, 0x7E, 0x3C, 0x18};   

// 全局变量（用于 millis() 非阻塞延时）
// 记录上一次状态切换的时间
long long oldTime = 0; 
// 控制图案显示状态（小爱心/大爱心）
boolean ledState = false; 

void setup() {
  // 配置控制引脚为输出模式
  pinMode(LPin, OUTPUT);  
  pinMode(CPin, OUTPUT);  
  pinMode(DPin, OUTPUT);  

  // 初始状态设置
  // 锁存引脚低电平，允许数据输入
  digitalWrite(LPin, LOW); 
  // 时钟引脚初始化为低
  digitalWrite(CPin, LOW); 

  // 初始化串口通信（波特率 115200），用于调试输出
  Serial.begin(115200); 
}

void loop() {
  // 非阻塞延时：每隔 1000 毫秒（1 秒）切换状态
  if (millis() - oldTime >= 1000) { 
    oldTime = millis();  // 更新时间标记
    ledState = !ledState;  // 切换显示状态（小爱心 ↔ 大爱心）
    Serial.println(ledState);  // 串口打印状态（调试用）
  }

  // 根据状态显示对应图案
  if (ledState == false) {
    displayImages(small);  // 显示小爱心
  } else {
    displayImages(big);  // 显示大爱心
  }
}

// 点阵屏显示函数：逐行输出图案数据
void displayImages(byte imgs[]) { 
  for (int row = 0; row < 8; row++) {  // 遍历 8 行
    // 生成行数据：每次只点亮一行（通过位运算 0b1 << row 实现）
    Rowdata = 0b1 << row; 
    // 列数据：对图案数据取反（根据硬件电路决定是否需要取反）
    COLdata = ~imgs[row]; 
    matrixDisplay();  // 输出行、列数据到点阵屏
    delay(1);  // 短暂延时，保证显示稳定
  }
}

// 矩阵显示核心函数：通过移位寄存器输出数据
void matrixDisplay() { 
  // 先发送列数据到移位寄存器
  shiftOut(DPin, CPin, MSBFIRST, COLdata); 
  // 再发送行数据到移位寄存器
  shiftOut(DPin, CPin, MSBFIRST, Rowdata); 
  // 锁存引脚置高，将移位寄存器数据更新到点阵屏（点亮对应点）
  digitalWrite(LPin, LOW); 
  // 锁存引脚置低，准备下一次数据传输
  digitalWrite(LPin, HIGH); 
}

代码分步解析

1. 引脚与图案定义

const int LPin = 13, CPin = 14, DPin = 15;  
byte Rowdata, COLdata;  
byte small[8] = {0x00, 0x00, 0x00, 0x14, 0x3E, 0x1C, 0x08, 0x00};  
byte big[8] = {0x00, 0x66, 0xFF, 0xFF, 0xFF, 0x7E, 0x3C, 0x18};  

• 定义点阵屏控制引脚：LPin（锁存）、CPin（时钟）、DPin（数据）
• 定义两个图案数组 small（小爱心）和 big（大爱心），每个数组存储 8 字节数据，对应 8x8 点阵的一行

2. setup() 函数：初始化配置

void setup() {
  pinMode(LPin, OUTPUT);  
  pinMode(CPin, OUTPUT);  
  pinMode(DPin, OUTPUT);  
  digitalWrite(LPin, LOW);  
  digitalWrite(CPin, LOW);  
  Serial.begin(115200); 
}

• 配置引脚为输出模式，准备控制点阵屏
• 初始化引脚电平：LPin 和 CPin 置低，保证初始状态正确
• 启动串口通信，波特率 115200，用于调试输出

3. loop() 函数：主逻辑循环

void loop() {
  if (millis() - oldTime >= 1000) { 
    oldTime = millis();  
    ledState = !ledState;  
    Serial.println(ledState);  
  }

  if (ledState == false) {
    displayImages(small);  
  } else {
    displayImages(big);  
  }
}

• 非阻塞延时：通过 millis() - oldTime >= 1000 判断是否达到 1 秒，达到则切换 ledState 状态
• 图案切换：根据 ledState 的值，调用 displayImages() 显示对应图案

4. displayImages() 函数：逐行处理图案数据

void displayImages(byte imgs[]) { 
  for (int row = 0; row < 8; row++) {  
    Rowdata = 0b1 << row;  
    COLdata = ~imgs[row];  
    matrixDisplay();  
    delay(1);  
  }
}

• 遍历 8 行，逐行生成行数据（Rowdata）和列数据（COLdata）
• 调用 matrixDisplay() 输出数据到点阵屏，delay(1) 保证显示稳定

5. matrixDisplay() 函数：移位寄存器操作

void matrixDisplay() { 
  shiftOut(DPin, CPin, MSBFIRST, COLdata); 
  shiftOut(DPin, CPin, MSBFIRST, Rowdata); 
  digitalWrite(LPin, LOW);  
  digitalWrite(LPin, HIGH);  
}

• shiftOut() 函数：按 MSBFIRST（高位先送）的顺序，通过 DPin（数据）和 CPin（时钟）将数据输出到移位寄存器
• digitalWrite(LPin, LOW/HIGH)：通过锁存引脚电平变化，将移位寄存器中的数据“锁存”到点阵屏，实现点亮操作

四、硬件连接说明

1. 点阵屏与 ESP32 引脚对应：
   • LPin（13 脚）→ 点阵屏锁存引脚
   • CPin（14 脚）→ 点阵屏时钟引脚
   • DPin（15 脚）→ 点阵屏数据引脚
2. 移位寄存器（如 74HC595）：若使用外部移位寄存器，需将 DPin、CPin 连接到移位寄存器对应引脚，再由移位寄存器控制点阵屏

五、常见问题与解决

1. 图案显示异常（如乱码、缺行）

• 检查：
  • 图案数组 small、big 的数据是否正确（可通过字模提取软件重新生成）
  • COLdata = ~imgs[row]; 中的取反操作是否必要（根据硬件电路调整，若不需要取反则删除 ~）
• 解决：重新校准图案数据，或调整取反逻辑

2. 延时不精准（millis() 失效）

• 检查：
  • 全局变量 oldTime 是否为 long long 类型（避免溢出）
  • 程序中是否有其他长时间阻塞操作（如 delay(1000) 会干扰 millis() 判断）
• 解决：确保 oldTime 类型正确，用 millis() 替代所有 delay()

3. 串口无输出（Serial.println 失效）

• 检查：
  • setup() 中是否调用 Serial.begin(115200);
  • 串口监视器波特率是否为 115200
• 解决：添加 Serial.begin()，并匹配串口监视器波特率

六、拓展练习

1. 添加更多图案：用字模提取软件生成新图案（如笑脸、箭头），实现多图案循环切换
2. 优化显示效果：通过 analogWrite() 实现点阵屏亮度调节
3. 结合传感器：读取光线传感器数据，根据环境亮度自动切换图案显示频率

通过本节课，你已掌握 ESP32 点阵屏驱动、millis() 非阻塞延时的核心用法。继续拓展练习，可实现更复杂的交互效果！