單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)項(xiàng)目式教程課件：簡(jiǎn)易密碼鎖的設(shè)計(jì)

單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)項(xiàng)目式教程—基于Proteus和KeilCSINGLE-CHIP

COMPUTER

APPLICATION

TECHNOLOGY

簡(jiǎn)易密碼鎖的設(shè)計(jì)獨(dú)立式鍵盤原理01行列鍵盤原理02簡(jiǎn)易密碼鎖的設(shè)計(jì)03知識(shí)要點(diǎn)05

簡(jiǎn)易密碼鎖的設(shè)計(jì)

能夠使用C語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)按鍵去抖01能夠?qū)崿F(xiàn)獨(dú)立式按鍵掃描編程0203能夠應(yīng)用狀態(tài)機(jī)編程04學(xué)習(xí)要求05實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)易密碼鎖的設(shè)計(jì)能夠?qū)崿F(xiàn)行列式按鍵掃描編程7.１獨(dú)立式鍵盤原理如果應(yīng)用系統(tǒng)僅需要幾個(gè)鍵，則選用獨(dú)立鍵盤，一般采用查詢方式識(shí)別按鍵的狀態(tài)。此外，由于按鍵的機(jī)械特性會(huì)產(chǎn)生抖動(dòng)現(xiàn)象，在按鍵的處理中還要考慮去抖動(dòng)的問(wèn)題。獨(dú)立式鍵盤可采用如圖７.１所示的按鍵輸入電路。按鍵直接用Ｉ／Ｏ接口線構(gòu)成單個(gè)按鍵電路。7.１獨(dú)立式鍵盤原理每個(gè)獨(dú)立式按鍵單獨(dú)占有一根Ｉ／Ｏ接口線，每根Ｉ／Ｏ接口線的工作狀態(tài)不影響其他Ｉ／Ｏ接口線的工作狀態(tài)，屬于最簡(jiǎn)單的一種按鍵結(jié)構(gòu)。當(dāng)某一個(gè)按鍵Ｓｎ（ｎ＝０～７）閉合時(shí)，Ｐ1.ｎ輸入為低電平，釋放時(shí)Ｐ１.ｎ輸入為高電平。按鍵為輸入開關(guān)量，所以Ｐ１口事先寫入“１”，當(dāng)無(wú)鍵按下時(shí)，Ｐ１.ｎ端由內(nèi)部上拉電阻上拉為高電平，而有鍵按下時(shí)，Ｐ１.ｎ端與地相連，輸入電壓值為低電平。若為Ｐ０口，內(nèi)部無(wú)上拉電阻，需外加上拉電阻。7.１獨(dú)立式鍵盤原理實(shí)際上，在按下一次Ｓｎ時(shí)，機(jī)械按鍵的簧片存在著輕微的彈跳現(xiàn)象，Ｐ１.ｎ的輸入波形在鍵閉合和釋放過(guò)程中存在抖動(dòng)現(xiàn)象，呈現(xiàn)一串抖動(dòng)脈沖波（如圖7.２所示），其時(shí)間長(zhǎng)短與按鍵的機(jī)械特性有關(guān)，一般為５～２０ｍｓ。為了確保ＣＰＵ對(duì)按鍵的一次閉合僅做一次處理，必須去除抖動(dòng)。按鍵去抖主要有軟件去抖和硬件去抖兩種方法，目前在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，主要采用軟件去抖方法，本書也只介紹軟件去抖方法。１.按鍵掃描（不支持連續(xù)按下）編程不支持連續(xù)按下按鍵掃描編程的算法如下：算法說(shuō)明：１）定義靜態(tài)局部變量ｋｅｙ＿ｕｐ，表示按鍵的狀態(tài)，１時(shí)表示彈起狀態(tài)，這里不能用動(dòng)態(tài)的局部變量，可以使用全局變量。２）在按鍵彈起狀態(tài)檢測(cè)按鍵是否按下。３）如果按下，延時(shí)１０ｍｓ。４）設(shè)置為按下狀態(tài)，檢測(cè)是否按下。５）如果按下，返回鍵值（對(duì)于獨(dú)立按鍵，鍵值可以自定義），如果沒(méi)按下，設(shè)置為彈起狀態(tài)。２.按鍵掃描（支持連續(xù)按下）編程

支持連續(xù)按下按鍵掃描編程的算法如下：算法說(shuō)明：１）檢測(cè)按鍵是否按下。２）如果按下，延時(shí)１０ｍｓ。３）檢測(cè)是否按下。４）如果按下，返回鍵值（對(duì)于獨(dú)立按鍵，鍵值可以自定義），如果沒(méi)按下，返回?zé)o效值。對(duì)于這兩種情況可以混合為一個(gè)程序。３.按鍵掃描（兩種模式合二為一）編程

按鍵掃描（兩種模式合二為一）編程的算法如下：ｍｏｄｅ＝１時(shí)為支持連續(xù)按下，ｍｏｄｅ＝０時(shí)為不支持連續(xù)按下。４.應(yīng)用案例(１）設(shè)計(jì)要求設(shè)計(jì)加１、減１功能鍵各１個(gè)。當(dāng)按加１、減１功能鍵時(shí)，１８７項(xiàng)目７簡(jiǎn)易密碼鎖的設(shè)計(jì)。計(jì)數(shù)器做加１或減１操作，計(jì)數(shù)器值送４位ＬＥＤ數(shù)碼管顯示。(2)仿真原理圖仿真原理圖如圖７.３所示，Ｐ０口接數(shù)碼管ａ～ｇ段，Ｐ２.０～Ｐ２.３接數(shù)碼管公共端，數(shù)碼管為共陽(yáng)極數(shù)碼管，Ｐ３.０接“＋”鍵，Ｐ３.１接“－”鍵。（３）軟件代碼

實(shí)現(xiàn)代碼如下:7.2行列式鍵盤原理7.2.1設(shè)計(jì)原理

當(dāng)按鍵數(shù)較多時(shí)，獨(dú)立式按鍵電路占用較多的Ｉ／Ｏ接口線，因此通常多采用行列式（也稱矩陣式）鍵盤電路。

圖７.４表示一個(gè)５×５的行列式鍵盤陣列。鍵盤中共有２５個(gè)鍵，對(duì)每個(gè)鍵都進(jìn)行編號(hào)，鍵號(hào)按從上到下、從左到右的規(guī)律，分別為０，１，２，…，２４。在應(yīng)用系統(tǒng)中，鍵盤上的按鍵可按需要定義其功能。Ｘ０、Ｘ１、Ｘ２、Ｘ３、Ｘ４分別代表第０行、第１行、第２行、第３行、第４行。Ｙ０、Ｙ１、Ｙ２、Ｙ３、Ｙ４分別代表第０列、第１列、第２列、第３列、第４列。在不需要外接并行擴(kuò)展芯片的情況下，代表各個(gè)行的５根引出線分別和ＣＰＵ的通用Ｉ／Ｏ接口Ｐ１的５個(gè)引腳連接（這５個(gè)引腳是單向輸入，芯片內(nèi)無(wú)上拉電阻，需外加上拉電阻），代表各個(gè)列的５根線分別和Ｐ２的５個(gè)引腳連接。矩陣鍵盤工作時(shí)首先要確定有無(wú)按鍵按下，其次確定鍵值、鍵碼，分述如下。１.有無(wú)按鍵的確認(rèn)由行線或列線輸出低電平，然后讀取列線或行線電平，如果讀取值不全是高電平則代表有鍵按下，否則沒(méi)有。其中要有鍵盤消抖措施。２.按鍵的識(shí)別掃描算法：逐行置低電平，其余各行為高電平，檢查各列電平的變化，如果某列線電平為低電平，即可確定此行列線交叉點(diǎn)處的按鍵被按下。交換行列線的輸出讀取關(guān)系也可以實(shí)現(xiàn)。線反轉(zhuǎn)法：首先將行線編程為輸入線，列線編程為輸出線，然后使列線全輸出低電平，讀取行線電平，行線從高電平轉(zhuǎn)為低電平的行線為按下按鍵所在行；然后將列線編程為輸入線，行線編程為輸出線，然后使行線全輸出低電平，讀取列線電平，列線從高電平轉(zhuǎn)為低電平的列線為按下按鍵所在列。３.掃描算法的鍵號(hào)確定矩陣式鍵盤中按鍵的物理位置唯一，按鍵由行號(hào)和列號(hào)唯一確定，所以可以由行列號(hào)對(duì)按鍵編碼，如０行０列的按鍵編碼為００Ｈ，２行３列為１３，編碼時(shí)以處理問(wèn)題方便為準(zhǔn)。根據(jù)識(shí)別的行列號(hào)可以確定鍵號(hào)：鍵號(hào)＝所在行號(hào)×鍵盤列數(shù)＋所在列號(hào)編制程序時(shí)可以把鍵號(hào)制成表，查表實(shí)現(xiàn)按鍵功能的處理或直接用ｃａｓｅ語(yǔ)句處理。7.2.2編程實(shí)例１.設(shè)計(jì)要求４×４鍵盤對(duì)應(yīng)十六進(jìn)制數(shù)碼０～９、Ａ～Ｆ。當(dāng)按下按鍵時(shí)，對(duì)應(yīng)的數(shù)碼在數(shù)碼管上顯示。

行列式鍵盤仿真原理圖如圖７.５所示，Ｐ０口接單個(gè)數(shù)碼管，Ｐ２口接行列式鍵盤。Ｐ２.０～Ｐ２.３接列線，Ｐ２.４～Ｐ２.７接行線。２.程序設(shè)計(jì)（１）按鍵掃描程序按鍵掃描程序按照上面所講內(nèi)容編程，分為有無(wú)按鍵的確認(rèn)、按鍵的識(shí)別和掃描算法的鍵號(hào)確定三部分，其中按鍵的識(shí)別采用線反轉(zhuǎn)法，行列式按鍵掃描程序也可分為支持連續(xù)按下和不支持連續(xù)按下兩種情況，為了更好地支持應(yīng)用，本書程序?yàn)榛旌暇幊谭绞健＃ǎ玻┏绦虼a及說(shuō)明程序代碼如下：7.3簡(jiǎn)易數(shù)碼鎖設(shè)計(jì)7.3.1任務(wù)要求３×４行列式鍵盤，分別代表數(shù)字０～９、?、＃，密碼在程序中事先設(shè)定，為０～９之間的６位數(shù)字，用１６０２字符液晶顯示屏顯示密碼輸入過(guò)程，用發(fā)光二極管表示密碼鎖的開關(guān)狀態(tài)。密碼鎖操作過(guò)程如下：１）上電復(fù)位后，密碼鎖初始狀態(tài)為關(guān)閉（發(fā)光二極管滅）液晶顯示屏顯示“ｗｅｌ?ｃｏｍｅ！”。２）按下“?”號(hào)鍵，液晶顯示屏第一行顯示“ＰｌｅａｓｅＩｎｐｕｔＣｏｄｅ”，第二行顯示６個(gè)“－”。３）輸入６位密碼，并以“＃”號(hào)鍵結(jié)束，輸入過(guò)程中，液晶屏不顯示輸入的字符，只顯示“?”號(hào)，如果輸入數(shù)字超過(guò)６位，重新顯示。４）輸入的密碼與原先設(shè)定的密碼相同，則液晶顯示屏第二行顯示字符“Ｓｕｃ”，打開鎖（發(fā)光二極管亮），３ｓ后恢復(fù)鎖定狀態(tài)，等待下一次密碼輸入（返回１），否則顯示字符“ＥＲＲ”持續(xù)３ｓ，保持鎖定狀態(tài)并等待下次密碼輸入（返回１）。簡(jiǎn)易數(shù)碼鎖的ＬＣＤ液晶和行列式鍵盤的仿真電路圖分別如圖７.６和圖７.７所示，其中１６０２的數(shù)據(jù)線接Ｐ３口，控制端ＲＳ、ＲＷ和Ｅ分別接Ｐ２.０、Ｐ２.１和Ｐ２.２。發(fā)光二極管接Ｐ２.３。行列式鍵盤行線接Ｐ１.４～Ｐ１.７，列線接Ｐ１.０～Ｐ１.２。7.3.2仿真電路７.3.

3程序設(shè)計(jì)簡(jiǎn)易數(shù)碼鎖程序可以采用分步編程設(shè)計(jì)，首先編寫ＬＣＤ１６０２程序并驗(yàn)證，之后編寫鍵盤程序并驗(yàn)證，再編寫整體程序，簡(jiǎn)易數(shù)碼鎖程序采用狀態(tài)機(jī)編程實(shí)現(xiàn)。１.ＬＣＤ１６０２程序ＬＣＤ１６０２驅(qū)動(dòng)程序的編寫見６.３和６.４節(jié)，本章程序需要修改引腳，同時(shí)在液晶屏上顯示簡(jiǎn)易數(shù)碼鎖需要顯示的字符“ｗｅｌｃｏｍｅ，ＩｎｐｕｔｔｈｅＣｏｄｅ，Ｅｒｒ，Ｓｕｃ”。實(shí)現(xiàn)結(jié)果可參考圖７.８。２.按鍵測(cè)試編程在７.３節(jié)講解了行列式鍵盤的應(yīng)用，在簡(jiǎn)易數(shù)碼鎖應(yīng)用中，行列式鍵盤用于輸入密碼，按鍵編程測(cè)試部分主要測(cè)試按鍵的硬件及軟件驅(qū)動(dòng)程序是否正確，按鍵測(cè)試程序主要通過(guò)液晶顯示按鍵的數(shù)值證明按鍵電路及軟件驅(qū)動(dòng)程序是否正確。程序代碼如下：１）按鍵掃描代碼基本和7.３節(jié)相同，需要有相應(yīng)改動(dòng)，書中不再給出。２）主程序代碼如下：３.狀態(tài)機(jī)編程狀態(tài)機(jī)（可以參考數(shù)字電子技術(shù)中的狀態(tài)圖，如圖７.９所示）編程是嵌入式設(shè)備Ｃ語(yǔ)言編程。狀態(tài)機(jī)編程屬于一種比較流行的方法，適用于以下應(yīng)用：１）菜單設(shè)置。２）芯片接口程序（一些芯片手冊(cè)中有狀態(tài)機(jī)）。３）協(xié)議棧編程（某些協(xié)議棧中有狀態(tài)圖）。４）通信程序。５）其他適合的應(yīng)用。狀態(tài)機(jī)編程主要分為以下幾個(gè)步驟：１）確定狀態(tài)。２）確定每個(gè)狀態(tài)的輸入和輸出情況。３）確定狀態(tài)轉(zhuǎn)移條件，以上３個(gè)步驟為繪制狀態(tài)圖的過(guò)程。４）用ｓｗｉｔｃｈ－ｃａｓｅ語(yǔ)句（Ｃ語(yǔ)言）根據(jù)狀態(tài)圖編程，這一步為軟件實(shí)現(xiàn)過(guò)程。狀態(tài)機(jī)編程由于狀態(tài)明確，相對(duì)于用標(biāo)志位編程具有邏輯清楚、編程容易的優(yōu)勢(shì)。４.簡(jiǎn)易密碼鎖軟件編程簡(jiǎn)易密碼鎖軟件主要由液晶初始化、顯示“ｗｅｌｃｏｍｅ”、按鍵掃描及主狀態(tài)機(jī)組成，其框圖如圖７.１０所示。液晶初始化見６.３節(jié)內(nèi)容，通過(guò)按鍵掃描程序掃描按鍵，得到按鍵的鍵碼，主狀態(tài)機(jī)實(shí)現(xiàn)密碼鎖的功能。（１）主狀態(tài)機(jī)軟件的主狀態(tài)機(jī)由４個(gè)狀態(tài)組成，分別為空閑狀態(tài)、輸入密碼狀態(tài)、密碼正確狀態(tài)和密碼錯(cuò)誤狀態(tài)。下面說(shuō)明各個(gè)狀態(tài)的功能及狀態(tài)轉(zhuǎn)移條件。１）空閑狀態(tài)。在該狀態(tài)液晶顯示“ｗｅｌｃｏｍｅ??！”，并且密碼鎖閉合（用ＬＥＤ滅表示），當(dāng)檢測(cè)到‘?’號(hào)鍵按下時(shí)，液晶屏第一行顯示“ＩｎｐｕｔｔｈｅＣｏｄｅ”，第二行顯示“”，并且狀態(tài)轉(zhuǎn)到輸入密碼狀態(tài)。２）輸入密碼狀態(tài)。輸入密碼狀態(tài)是狀態(tài)機(jī)中最復(fù)雜的狀態(tài)，其軟件框圖如圖７.１１所示。其具體實(shí)現(xiàn)如下：①判斷按下的按鍵。②如果按下的按鍵是＃號(hào)鍵，當(dāng)按下密碼小于６位，則轉(zhuǎn)到密碼錯(cuò)誤狀態(tài)，否則，判斷密碼是否正確，正確則轉(zhuǎn)到密碼正確狀態(tài)，否則轉(zhuǎn)到密碼錯(cuò)誤狀態(tài)。③按下其他按鍵，當(dāng)按鍵次數(shù)為７次時(shí)，重置為１次，并且已按下的按鍵無(wú)效，保存密碼，并在液晶屏上順序顯示‘?’號(hào)。３）密碼正確狀態(tài)。清屏，顯示“ＳＵＣ”，密碼鎖打開（ＬＥＤ亮），延時(shí)３ｓ，密碼鎖關(guān)閉（ＬＥＤ滅），液晶屏顯示“ｗｅｌｃｏｍｅ??！”，狀態(tài)轉(zhuǎn)換到空閑狀態(tài)。４）密碼錯(cuò)誤狀態(tài)。清屏，顯示“ＥＲＲ”，密碼鎖關(guān)閉（ＬＥＤ滅），延時(shí)３ｓ，液晶屏顯示“ｗｅｌｃｏｍｅ??！”，狀態(tài)轉(zhuǎn)換到空閑狀態(tài)。（２）簡(jiǎn)易密碼鎖程序代碼程序代碼沒(méi)有包括按鍵和液晶子程序，具體如下：１.無(wú)按鍵鍵盤這個(gè)造型奇怪的產(chǎn)品就是ＯＲＢＩＴＯＵＣＨ無(wú)按鍵鍵盤（圖７.１２）。這款鍵盤在外觀上十分特立獨(dú)行，兩個(gè)巨大的圓球裝在一塊塑料板上，圓球上面還有類似鼠標(biāo)形狀的手托。這款鍵盤使用起來(lái)需要左手選擇字母，右手選擇顏色。不同字母對(duì)應(yīng)的顏色也不一樣，雙手配合起來(lái)才能打字。ＯＲＢＩＴＯＵＣＨ的說(shuō)明書看上去很難，但研發(fā)者表示，從買回家到入門只需要３０分鐘。上面的鍵位也不是完全隨機(jī)設(shè)計(jì)的，而是參考了人們最常用的字母，并且把這些字母放在最合適的位置，方便記憶。走進(jìn)科學(xué)２.激光投影鍵盤像投影虛擬操作這種場(chǎng)景，以前只在科幻電影中才會(huì)見到。有了這個(gè)激光投影鍵盤（圖７.１３），平時(shí)放在桌面上并不起眼，但在你操作鍵盤的時(shí)候，相信你會(huì)成為萬(wàn)眾矚目的焦點(diǎn)，足夠炫酷，充滿未來(lái)科技感。３.玻