Arduino DIY 计算器：1602 LCD + 4×4 矩阵键盘完整教程

核心物料清单

• Arduino Uno ×1（任意版本）
• 1602 字符型 LCD（HD44780 兼容） ×1 - 16列×2行，带背光
• 4×4 矩阵薄膜键盘 ×1 - 16键（0-9, A-D, *, #）
• 面包板、跳线、9V 电池盒 若干
• 10kΩ 电位器 ×1 - LCD 对比度调节（原文未列但实测必需）

引脚分配表

电路连接要点

1. 键盘 8 根线直接插入 D0-D7，上传代码前必须拔掉键盘，否则串口冲突导致上传失败
2. LCD 采用 4 位数据模式，节省 4 个 IO 口
3. 电位器调节对比度直到字符清晰可见
4. 建议外接 9V 电池供电，脱离 USB 也可独立运行

代码架构与核心库

依赖库

• LiquidCrystal.h - Arduino 官方内置
• Keypad.h - Chris--A/Keypad（库管理器可直接安装）

按键映射与状态机

// 4x4 键盘映射
char keys[4][4] = {
  {'7','8','9','D'},
  {'4','5','6','C'},
  {'1','2','3','B'},
  {'*','0','#','A'}
};

// 状态变量
long Num1=0, Num2=0, Number=0; // 操作数1/2、当前输入
char action = 0;               // 运算符 + - * /
boolean result = false;        // 是否显示结果

核心流程

1. DetectButtons()：按键扫描 → 数字累积（Number = Number*10 + digit） → 运算符键（A-D）存入 Num1 清零 Number 记录 action
2. CalculateResult()：# 键触发，根据 action 执行四则运算
3. DisplayResult()：LCD 第一行显示算式（如 12+34=46），第二行显示当前输入/结果
4. * 键清零复位

完整代码（已整理优化）

#include <LiquidCrystal.h>
#include <Keypad.h>

const byte ROWS = 4, COLS = 4;
char keys[ROWS][COLS] = {
  {'7','8','9','D'},
  {'4','5','6','C'},
  {'1','2','3','B'},
  {'*','0','#','A'}
};
byte rowPins[ROWS] = {0,1,2,3};
byte colPins[COLS] = {4,5,6,7};
Keypad kpd = Keypad(makeKeymap(keys), rowPins, colPins, ROWS, COLS);

const int rs=8, en=9, d4=10, d5=11, d6=12, d7=13;
LiquidCrystal lcd(rs, en, d4, d5, d6, d7);

long Num1=0, Num2=0, Number=0;
char key, action=0;
boolean result=false;

void setup() {
  lcd.begin(16,2);
  lcd.print("DIY Calculator");
  lcd.setCursor(0,1);
  lcd.print("-CircuitDigest");
  delay(2000);
  lcd.clear();
}

void loop() {
  key = kpd.getKey();
  if (key != NO_KEY) DetectButtons();
  if (result) CalculateResult();
  DisplayResult();
}

void DetectButtons() {
  lcd.clear();
  if (key == '*') { Num1=Num2=Number=0; result=false; return; }
  if (key == '#') { Num2=Number; result=true; return; }
  if (key >= '0' && key <= '9') {
    if (Number == 0) Number = key - '0';
    else Number = Number * 10 + (key - '0');
    return;
  }
  if (key >= 'A' && key <= 'D') {
    Num1 = Number; Number = 0;
    action = (key=='A')?'+' : (key=='B')?'-' : (key=='C')?'*' : '/';
    delay(100);
  }
}

void CalculateResult() {
  switch(action) {
    case '+': Number = Num1 + Num2; break;
    case '-': Number = Num1 - Num2; break;
    case '*': Number = Num1 * Num2; break;
    case '/': Number = (Num2!=0) ? Num1 / Num2 : 0; break;
  }
  result = false; // 显示后复位，允许继续运算
}

void DisplayResult() {
  lcd.setCursor(0,0);
  lcd.print(Num1); lcd.print(action); lcd.print(Num2);
  if (result) { lcd.print(" ="); lcd.print(Number); }
  lcd.setCursor(0,1);
  lcd.print(Number);
}

常见问题与改进建议

进阶扩展功能

• 科学计算器：增加 sin/cos/tan/log/^ 等功能键，需扩展键盘或长按组合键
• 历史记录：利用 EEPROM 存储最近 10 条计算记录，上电恢复
• 单位换算：集成长度/重量/温度换算模式
• 图形化界面：移植至 ST7735/ILI9341 TFT 彩屏，绘制按钮、动画
• 语音播报：接入 DFPlayer Mini 模块，按键/结果语音提示

教学价值总结

本项目完整覆盖了 矩阵键盘扫描、LCD 4位模式驱动、有限状态机设计、字符串与数值转换、实时交互逻辑 等嵌入式核心技能，是 Arduino 进阶入门的经典实战。代码结构清晰，极易在此基础上迭代扩展更复杂的交互系统。