Arduino 基础实践学习笔记：按键控制与LED/数码管应用

一、核心知识点总览

本笔记围绕 Arduino 两个核心实践场景展开：按键消抖与计数控制数码管、LED 闪烁（阻塞/非阻塞延时），涵盖硬件电路搭建、C语言代码逻辑、关键函数用法（如 millis()、digitalRead()）及实际问题解决（如按键抖动），适合 Arduino 入门学习者巩固基础操作与编程思维。

二、模块一：按键消抖与数码管显示

1. 按键为什么需要消抖？

• 抖动现象原理：机械按键按下/松开时，内部金属触点会因弹性产生 5~20ms 的高频通断抖动（非人为操作的电平波动），如下图示波器所示（标注“前沿”“后沿”为抖动区间）。
• 未消抖的危害：Arduino 检测电平速度极快（微秒级），会误将抖动识别为多次按键，导致计数错误、功能紊乱（如按1次却计数+3）。
• 消抖方案：分为 硬件消抖（并联电容）和 软件消抖（代码延时/循环检测），本项目以软件消抖为主（更灵活，无需额外元件）。

2. 硬件电路搭建（以 Tinkercad 仿真为例）

元件	连接方式（Arduino 引脚）	作用
按键	一端接数字引脚12，一端接GND	输入触发信号
共阳极数码管	8个段引脚（a~g+小数点）接2~9脚	显示计数结果（0~9循环）
面包板	辅助元件接线，避免线路混乱	电路搭建载体

3. 代码实现与详细注释（含消抖逻辑）

3.1 基础按键计数（初始版：简单延时消抖）

// 1. 定义按键引脚（数字引脚12）
const int buttonPin = 12;

void setup() {
  // 2. 初始化引脚模式：按键为输入模式（INPUT）
  pinMode(buttonPin, INPUT);
  // 3. 初始化串口通信（波特率9600，用于调试打印计数）
  Serial.begin(9600);
}

// 4. 计数变量：记录按键按下次数（初始为0）
int valueCnt = 0;

void loop() {
  // 5. 检测按键：若引脚为LOW（按键按下，因一端接GND）
  if (digitalRead(buttonPin) == LOW) {
    Serial.println("---------");  // 串口打印分隔线（便于查看每次按键）
    valueCnt += 1;                // 计数+1
    Serial.println(valueCnt);     // 串口打印当前计数
    delay(1000);                  // 简单消抖：延时1秒，避免抖动误触发（缺点：阻塞其他操作）
  }
}

3.2 优化版：精准软件消抖（前沿+后沿抖动过滤）

const int buttonPin = 12;

void setup() {
  pinMode(buttonPin, INPUT);
  Serial.begin(9600);
}

int valueCnt = 0;

void loop() {
  // 检测按键按下（初始低电平触发）
  if (digitalRead(buttonPin) == LOW) {
    // 1. 过滤前沿抖动：延时20ms（跳过按下瞬间的不稳定电平）
    delay(20);
    // 2. 等待按键松开：若按键仍按下（LOW），则死循环阻塞，直到松开（变为HIGH）
    while (digitalRead(buttonPin) == LOW) {}
    // 3. 过滤后沿抖动：延时20ms（跳过松开瞬间的不稳定电平）
    delay(20);
    
    // 4. 按键稳定后执行计数与打印
    Serial.println("---------");
    valueCnt += 1;
    Serial.println(valueCnt);
  }
}

3.3 进阶版：按键控制数码管显示（0~9循环）

// 1. 定义硬件引脚
const int buttonPin = 12;                  // 按键引脚
const int pinArray[] = {2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9};  // 数码管8个段引脚（a~g+小数点）

// 2. 数码管段码表（共阳极：1=段灭，0=段亮；索引0~9对应数字0~9，10=小数点，11~12=预留）
const int disNum[20][8] = {
  {1,1,1,1,1,1,0,0},// 0：a~f亮，g灭，小数点灭
  {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~c亮
  {1,1,1,1,1,1,1,0},// 8：全亮（除小数点）
  {1,1,1,1,0,1,1,0},// 9：a~b,g,c~d,f亮
  {0,0,0,0,0,0,0,1},// .：仅小数点亮
  {1,1,1,1,1,1,0,0},// 预留（显示0）
  {0,0,0,0,0,0,0,0},// 预留（全灭）
};

void setup() {
  // 3. 初始化按键引脚为输入
  pinMode(buttonPin, INPUT);
  // 4. 初始化串口（波特率9600）
  Serial.begin(9600);
  // 5. 初始化数码管所有段引脚为输出模式，并打印引脚号（调试用）
  for (int i = 0; i < 8; i++) {
    pinMode(pinArray[i], OUTPUT);
    Serial.println(String(pinArray[i]) + "  ");  // 串口打印当前初始化的引脚
  }
  // 6. 初始显示数字0（开机默认状态）
  disPlayNum(0, 0);
}

// 7. 数码管显示函数：参数1=要显示的数字（0~9），参数2=显示延迟时间（ms）
void disPlayNum(int number, int delayTime) {
  for (int i = 0; i <= 7; i++) {
    // 取反操作：因数码管是共阳极，段码表1=灭，需转为LOW（低电平）才点亮
    digitalWrite(pinArray[i], !disNum[number][i]);
  }
  delay(delayTime);  // 保持显示状态（0=持续显示，直到下次更新）
}

// 8. 计数变量（0~9循环）
int valueCnt = 0;

void loop() {
  // 9. 检测按键按下（低电平触发）
  if (digitalRead(buttonPin) == LOW) {
    Serial.println("---------");  // 串口分隔线
    valueCnt += 1;                // 计数+1
    Serial.println(valueCnt);     // 打印当前计数
    
    // 10. 消抖逻辑：过滤前沿+后沿抖动
    delay(20);                    // 前沿抖动过滤
    while (digitalRead(buttonPin) == LOW) {}  // 等待按键松开
    delay(20);                    // 后沿抖动过滤
    
    // 11. 计数循环：达到10时重置为0（实现0~9循环）
    if (valueCnt == 10) valueCnt = 0;
    // 12. 控制数码管显示当前计数
    disPlayNum(valueCnt, 0);
  }
}

三、模块二：LED 闪烁控制（阻塞 vs 非阻塞延时）

1. 基础概念：delay() 与 millis() 的区别

函数	作用	特点（阻塞/非阻塞）	适用场景
delay(ms)	让程序暂停指定毫秒数	阻塞：暂停期间无法执行其他代码	简单场景（如固定间隔闪烁）
millis()	返回 Arduino 开机到当前的毫秒数（无符号长整型）	非阻塞：仅获取时间，不暂停程序	多任务场景（如同时闪烁LED+检测按键）

2. 场景1：阻塞延时 LED 闪烁（delay() 实现）

2.1 硬件电路

• LED 正极通过 220Ω 电阻接数字引脚3，负极接 GND（电阻用于限流，保护LED和引脚）。

2.2 代码与注释

void setup() {
  // 初始化引脚3为输出模式（控制LED亮灭）
  pinMode(3, OUTPUT);
}

void loop() {
  digitalWrite(3, HIGH);  // 引脚3输出高电平，LED点亮
  delay(2000);            // 阻塞2秒（期间无法执行其他操作）
  digitalWrite(3, LOW);   // 引脚3输出低电平，LED熄灭
  delay(2000);            // 再阻塞2秒，实现“亮2秒灭2秒”循环
}

3. 场景2：非阻塞延时 LED 闪烁（millis() 实现）

3.1 核心逻辑

• 记录上一次 LED 状态改变的时间（oldTime），每次 loop() 循环时，用当前时间（millis()）减去 oldTime，若差值≥目标间隔（如1000ms），则切换 LED 状态并更新 oldTime，避免程序阻塞。

3.2 代码与注释

void setup() {
  // 1. 初始化LED引脚（3号）为输出
  pinMode(3, OUTPUT);
  // 2. 初始化串口（波特率9600，用于打印LED状态，调试用）
  Serial.begin(9600);
}

// 3. 变量定义
int oldTime = 0;          // 存储上一次LED状态改变的时间（初始为0）
bool flag = false;        // LED状态标记：false=灭，true=亮

void loop() {
  // 4. 非阻塞延时判断：当前时间 - 上一次状态时间 ≥ 1000ms（1秒间隔）
  if (millis() - oldTime >= 1000) {
    flag = !flag;          // 切换LED状态（灭→亮，亮→灭）
    oldTime = millis();    // 更新“上一次状态时间”为当前时间
    Serial.println(flag);  // 串口打印当前状态（true=亮，false=灭，调试用）
  }

  // 5. 根据状态标记控制LED
  if (flag == true) {
    digitalWrite(3, HIGH); // 亮
  } else {
    digitalWrite(3, LOW);  // 灭
  }

  // （此处可添加其他代码，如按键检测，不会被延时阻塞）
}

四、常见问题与解决方案

问题现象	可能原因	解决方案
按键按1次计数多次	未消抖，金属触点抖动	添加软件消抖（delay(20)+while循环）或硬件消抖（并联104电容）
数码管显示乱码	段引脚接线与 pinArray 定义不匹配；段码表与数码管类型（共阴/共阳）不匹配	核对接线；共阴极数码管删除 digitalWrite 中的取反（!）
millis() 计时不准	变量类型错误（用 int 而非 unsigned long）	将 oldTime 定义为 unsigned long oldTime = 0;（millis() 返回值范围超 int）

五、学习总结

1. 按键消抖是机械按键应用的必做步骤，软件消抖（延时+循环检测）更灵活，需理解“前沿/后沿抖动”的过滤逻辑。
2. 数码管显示核心是“段码表”，需根据共阴/共阳类型调整电平（取反或不取反），引脚定义需与硬件接线严格对应。
3. 延时选择：简单场景用 delay()，多任务场景必须用 millis() 实现非阻塞延时，避免程序“卡死”。
4. 调试技巧：善用 Serial.begin() 和 Serial.println() 打印变量（如计数、时间、状态），通过串口监视器排查问题。