《基于任务驱动的单片机应用教程》课件第9章

任务9电子密码锁的设计9.1任务内容与分析

9.2任务实施9.3任务相关知识

9.1任务内容与分析

1.任务内容

在单片机的应用系统中，通常都要有人机对话功能，如输入/输出数据、对系统运行进行控制等，这时就需要键盘。任务9以电子密码锁为例，介绍键盘接口技术的应用。

2.任务分析

若密码输入正确，则输出一个电磁锁开锁信号；若密码输入错误，则密码错误指示灯亮。10s内无任何操作后，清除所有输入内容，等待下次输入。6位数码管用于显示6位数密码，按某键后相应的数值出现在数码管上；再按一个键，则数字出现在下一个数码管上。当清除所有输入和无任何操作时，数码管无显示。

6位数密码的数字可以是“0～9”，这就需要10个按键，还要有1个确认键、1个清除键，而单片机的Ｉ/Ｏ口资源有限，故采用4 × 4矩阵式键盘。图9-1为电子密码锁原理框图。P3.0接电磁开锁信号；P3.3接蜂鸣器，用于按键时的提示音；P3.4接1个发光二极管，用于密码输入错误指示。图9-1电子密码锁原理框图9.2任务实施

步骤1：根据任务分析，设计硬件电路原理图。

采用89S51作为主控制器，外围电路器件包括数码管驱动、蜂鸣器的输出驱动、矩阵式键盘及发光二极管的输出等。

数码管驱动采用6个共阴极数码管显示，由于单片机的驱动能力有限，采用74HC244作为数码管的驱动，在74HC244的7段码输出线上串联100Ω电阻起限流作用。继电器旁边并联1个保护二极管，以消除电磁锁可能产生的反向高电压和电磁干扰，从而保护三极管等驱动元器件。采用中功率的三极管8050来驱动继电器。电磁锁的选用要视应用场合而定，要求吸合力足够，再根据电磁锁的用电量来选用继电器。

蜂鸣器采用PNP三极管8550来驱动，低电平有效。矩阵式键盘的设计参见9.3.3小节。硬件电路原理如图9-2所示。图9-2电子密码锁电路原理图主程序完成内部RAM单元和特殊功能寄存器的初始化后，进入一个循环结构。键盘扫描中断服务程序实现判断是否有键闭合以及闭合键的键号，每50ms扫描键盘1次。待机中断服务程序实现待机计时(10s)，若10s内没有输入内容则清除已输入的内容。步骤3：根据整体设计思路，绘出程序流程图。

主程序、数码管显示子程序、密码判断子程序及待机中断服务程序分别如图9-3～图9-5所示。图9-3主程序流程图图9-4数码显示子程序图9-5密码判断子程序步骤4：根据流程图编制源程序。具体如下：

//*********电子密码锁程序***************//

;程序名：电子密码锁程序PWKEY.A

;程序功能：单片机控制的电子密码锁设计

DISPBUFEQU30H ;显示缓冲单元为30H～35H

KEY_COUNTEQU41H

;密码计数器，通过它得知输入密码的个数

50MS_COUNTEQU42H ; 50ms单元，用于计

50ms中断次数 1S_COUNTEQU43H

; 50ms单元，通过它得知

是否到1s

KEYMARK

BIT

00H;有键按下标志位，1为按下

标志

PASSMARKBIT01H;密码是否正确标志，1为密

码正确标志

BUZZERBITP3.3

EKY_OPENBITP3.0

ERROR_LEDBITP3.4

ORG0000H

AJMPSTART

ORG000BH

AJMPKEY ;键盘扫描中断服务程序

ORG001BH

AJMP

WAIT ;待机中断服务程序

ORG0030H

;**************主程序****************

START: MOVTMOD,#11H

;T0、T1均工作在方式

1定时

MOVTH0,#3CH

;装T0计数初值

MOVTL0,#0B0H

MOVTH1,#3CH

;装T1计数初值

MOVTL1,#0B0H

MOVKEY_COUNT,#00H ;密码计数器清零 MOV50MS_COUNT,#00H; 50ms计数单元清零

MOV1S_COUNT,#00H ; 1s计数单元清零

CLRKEYMARK ;有键按下标志位清零

CLRPASSMARK ;密码是否正确标志清零

ACALLDISCARD ;调用密码计数器与显示缓冲单

元清零的子程序

SETBET0 ;开中断

SETBET1

SETBEA

SETBTR0

;开定时器计数器0，键盘扫描中断

LOOP: ACALLDISP;调用数码管显示子程序

SETBTR1

JBKEYMARK,MP

;判断是否有键闭合

AJMPLOOP

MP:CLRPASSMARK;有键闭合，清除键闭合有效标志

CLRTR1

ACLLBEEP

;调用蜂鸣器子程序

MOVA,B

;取键号

MOVR1,#DISPBUF;指向首个显示缓冲单元

SUBBA,,#9

JNCGNJIAN

;判断是否为功能键 MOVA,B

;为数字键

MOV@R1,A

INCKEY_COUNT;密码计数器加1

INCR1;指向下一个显示缓冲单元

ACALLPASSWORD

;调用密码判断子程序

AJMPLOOP

GNJIAN:MOVA,B

;为功能键

CJNEA,#10,ACK

;判断是不是取消键

ACLLDISCARD

;是取消键，则清除所有输入内容

AJMPLOOP

ACK:CJNEA,#11,NEXT

;判断是不是确定键

JBPASSMARK,OPEN

;判断密码是否正确

CLRERROR_LED

;密码错误，亮灯指示

AJMPLOOP

OPEN: SETBKEY_OPEN

;开电磁锁

NEXT: AJMPLOOP

;**************数码管显示子程序***********

;功能：数码显示已输入的密码

DISP: MOVR0,#DISPBUF; LED显示位数送R2

MOVR4,#20H ;从最右端LED开始显示 MOVDPTR,#TAB ;字型表首地址

MOVA,KEY_COUNT

CJNEA,#00H,DISP1

;判断密码个数是否为0

AJMPEXIT1

;为0则退出，不显示

DISP1:MOVA,@R0

;显示缓冲区首地址送R0

MOVCA,@A+DPTR

;查表取字型码

MOVP0,A

;字型码送P0口 MOVA,R4

;取位选控制字

MOVP2,A

;送P2口

ACALLDELAY_1ms

;延时1ms

MOVR6,KEY_COUNT

DJNZR6,DISP2

;判断是否显示完已输入的密码

AJMPEXIT1

DISP2: INCR0

;指向下一个密码

RRA

;扫描码移位

MOVR4,A

AJMPDISP1

EXIT1: RET

TAB: DB3FH,06H,5BH,4FH,66H,6DH

;“0～9”共阴极字型码

DB7DH,07H,7FH,6FH

;****************密码判断子程序**************

;功能：判断是否输入完6个密码，若输入完，则判断所输入密码是否正确

;出口参数：密码正确标志和密码错误标志

PASSWORD: MOVA,KEY_COUNT

;取密码已输入个数

CJNEA,#06H,EXIT2

;判断是否已输入完6个密码

MOVKEY_COUNT,#00H ;密码计数器清零 MOVDPTR,#PASSTAB

;指向程序设定密码表首址

MOVR5,#00H

;指向第一个设定密码

MOVR0,#DISBUF

;取显示缓冲单元首址

JUDGE: MOVA,R5

MOVCA,@A+DPTR

;查表取密码

MOV60H,@R0 CJNEA,60H,EXIT2

;判断密码是否正确

INCR0

;指向下一个显示缓冲单元

INCR5

;指向下一个设定密码

CJNER5,#06H,JUDGE

; 6个密码是否判断完

SETBPASSMARK

;建立密码正确标志

AJMPEXIT2

EXIT: CLRPASSMARK

;建立密码错误标志

EXIT2: RET

PASSTAB: DB1,2,3,4,5,6 ;密码定为123456

;*******键盘扫描中断服务子程序KEY************

KEY: ...;请参考例9-2键盘扫描程序

RETI

;************待机中断服务子程序WAIT***********

;功能：10s内没有输入内容则清除已输入的内容

WAIT: MOVTH1,#3CH

;装T1计数初值

MOVTL1,#0B0H

INC50MS_COUNT

MOVA,50MS_COUNT

CJNEA,#20H,EXIT3

;判断是否到1s

INC1S_COUNT MOVA,1S_COUNT

CJNEA,#10,EXIT3 ;判断是否到10s

ACLLDISCARD

EXIT3: RETI

;**********清除缓冲单元子程序***********

DISCARD:MOVKEY_COUNT,#00H ;密码计数器清零

MOVR7,#06H ;显示缓冲单元清零

MOVR0,#DISPBUF

CLRA

L1:MOV@R0,A

DJNZR7,L1

RET

;************蜂鸣器提示音子程序****************

BEEP:

CLRBUZZER

ACALLDELAY_2MS

SETBBUZZER

ACALLDELAY_2MS

RET

;*******1ms延时子程序*******************

DELAY_1ms： MOVR7,#02H;延时1ms子程序

DL1: MOVR6,#0FFH

DL2: DJNZR6,DL2

DJNZR7,DL1

RET

;*******2ms延时子程序*******************

DELAY_2ms：MOVR7,#50;延时2ms子程序

DL1: MOVR6,#123

DL2: DJNZR6,DL2

DJNZR7,DL1

RET

9.3任务相关知识

9.3.1键盘接口

1.按键的特点

键盘是由若干个按键按照一定规则组成的，每一个按键实际上是一个开关元件。按键按照结构原理可分为两类：一类是触点式开关按键，如机械式开关、导电橡胶式开关等；另一类是无触点式开关按键，如电气式按键、磁感应按键等。前者造价低，后者寿命长。

2.按键的输入原理

对于一组键或一个键盘，总有一个接口电路与CPU相连。图9-6所示电路中，当S0键按下时，该键所对应口线将由高电平变为低电平，这样当检测到P1.0口为低电平时，可判断出S0键被按下。因此，通过软件可判断出按键是否被按下。图9-6按键输入电路

3.按键的抖动及消抖

由于通常的按键所用的开关是机械式开关，当开关闭合、断开时并不是马上稳定地接通和断开，而是在闭合与断开瞬间均伴随有一连串的抖动。其抖动过程如图9-7所示。抖动时间的长短与开关的机械特性有关，一般为5～10ms。图9-7按键触点的机械抖动为了确保CPU对键的一次闭合仅做一次处理，必须在程序或硬件上进行防抖处理。为节省硬件，通常在单片机系统中，一般不采用硬件方法消除键的抖动，而是用软件方法消抖。即检测键闭合后延时5～10ms，让前沿抖动消失后再一次检测键的状态，如果仍保持闭合状态电平，则确认真正有键按下。当检测到按键释放后，也要给5～10ms的延时，待后延抖动消失后再转入该键处理程序。只有按键按下再放开后才做一次键处理。

以图9-6中S0键为例，按键软件消抖方法程序如下：

S0_KEY: JB

P1.0,

S0_KEY

;无键按下，继续查询

ACALL

DELAY_10MS;有键按下，延时10ms

JB

P1.0,

S0_KEY

;再判断，若无键按下，是抖动转回

JNB

P1.0,

$

;键一直按下，等待

ACALL

DELAY_10MS

;键松开，延时10ms

JB

P1.0,

S0_PROG

;一次按键完成，转S0键处理程序

S0_PROG:9.3.2独立式键盘的工作原理

1.独立式键盘接口电路

独立式按键是直接用I/O口线构成的单个按键电路，其特点是每个按键单独占用一根I/O口线，每个按键的工作不会影响其他I/O口线的状态。独立式按键的典型应用如图9-8所示。图9-8独立式按键的典型应用

2.独立式键盘的软件结构

【例9-1】请完成任务8数码秒表的扩展功能，即用3个独立式按键实现秒表的启动、暂停和清零功能。解3个按键采用独立式键盘接法，第1和第2个按键分别连接到外部中断TNT0、INT1的输入引脚P3.2、P3.3，第3个按键连接到定时器T1的外部脉冲输入引脚P3.5。以中断方式实现键盘输入状态的扫描，其中按键1为启动按钮，按键2为暂停按钮，按键3为清零按钮。硬件原理图请参考任务8中图8-1。程序设计思路：任务8程序划分为主程序和秒计时程序两大模块。在本例中再增添一个键盘扫描程序模块，键盘扫描也由中断服务子程序来实现。定时器T1设为8位的计数方式2，计数初值设为0FFH，这样当按键3按下时，即可引起中断。中断源TNT0、INT1和T1均允许中断，各按键的处理通过相应的中断子程序来实现。

//********数码秒表程序***********//

;程序名：数码秒表程序SECWATCH.A

;程序功能：数码秒表，秒表启动、显示、暂停和清零功能

MSECEQU40H

SECEQU41H

ORG0000H

AJMPSTART

ORG0003H

AJMPKE2;转键盘暂停程序，外部中断TNT0

ORG000BH

AJMPCONT;转秒表计时定时器中断服务程序

ORG0013H

AJMPKE1

;转键盘启动程序，外部中断TNT1

ORG001BH

AJMPKE3;转秒表清零程序，定时器T1中断

ORG0030H

START: MOVTMOD,#61H;T0方式1定时，T1方式

2计数

MOVTH0,#3CH

;装T0计数初值

MOVTL0,#0B0H

MOVTH0,#0FFH

;装T1计数初值

MOVTL0,#0FFH

MOVMSEC,#14H

;50ms计数单元初值

MOVSEC,#00H

;秒计数单元初值

MOVSP,#3FH

;堆栈指针初值

MOV30H,#00H

;显示缓冲单元清零

MOV31H,#00H

MOVIE,#8FH

;允许中断

AGIN: LCALLDISP ;调用显示子程序

AJMPAGIN

;***************显示子程序***********

DISP: .... ;请参考任务8

RET

;*********定时器T0中断服务子程序CONT********

;入口参数：秒计数单元SEC

;出口参数：秒单元SEC，显示缓冲区30H、31H

CONT:

....

;请参考任务6

RETI

;***********按键1中断服务子程序KE1*************

KE1:SETBTR0;启动定时器T0，开始计时

SETBTR1 ;启动定时器1

RETI

;*******按键2中断服务子程序KE2************

KE2:CLRTR0 ;关闭定时器T0，暂停计时

RETI

;*********按键3中断服务子程序KE3**************

KE3:

CLRTR0

;关闭定时器T0，暂停计时

MOVSEC,#00H

;秒计数值清零

MOV30H,#00H

;秒显示缓冲区清零

MOV31H,#00H

RETI

END9.3.3矩阵式键盘的工作原理

1.矩阵式键盘接口电路

矩阵式键盘由行线和列线组成，按键位于行、列线的交叉点上，其结构如图9-9所示。由图可知，一个4×4的行、列结构可以构成一个含有16个按键的键盘。在按键数量较多时，矩阵式键盘较之独立式按键键盘要节省很多I/O口。图9-94×4矩阵式键盘矩阵式键盘中，行、列线分别连接到按键开关的两端，行线通过上拉电阻接到VCC上。当无键按下时，行线处于高电平状态；当有键按下时，行、列线将导通，此时行线电平将由与此行线相连的列线电平决定。这是识别按键是否按下的关键。然而，矩阵键盘中的行、列线和多个键相连，各按键按下与否均影响该键所在行线和列线的电平，各按键间将相互影响。

2.矩阵式键盘的识别

图9-9中8号键的识别为例来说明扫描法识别按键的过程。

按键按下时，与此键相连的行线与列线导通。行线在无键按下时处在高电平，显然，如果让所有的列线也处在高电平，那么按键按下与否不会引起行线电平的变化，因此，必须使所有列线处在低电平，只有这样，当有键按下时，该键所在的行电平才会由高电平变为低电平。

CPU根据行电平的变化，便能判定相应的行是否有键按下。当8号键按下时，X2一定为低电平。然而，X2行为低电平时，能否肯定是8号键按下呢？回答是否定的，因为9、10、11号键按下，同样也会使X2行为低电平。这种依次轮流每次选通一列的工作方式称为键盘扫描。采用键盘扫描后，再来观察8号键按下时的工作过程。当Y0列处于低电平时，X2行处于低电平，而当Y1、Y2、Y3列处于低电平时，X2行却处在高电平，由此可判定按下的键应是X2行与Y0列的交叉点，即8号键。

3.矩阵式键盘的编码

对于矩阵式键盘，按键的位置由行号和列号唯一确定，因此可分别对行号和列号进行二进制编码，然后将两值合成一个字节，高4位是行号，低4位是列号。如图9-9中的8号键，位于X2行，Y0列，故其键盘编码应为20H。采用上述编码对于不同行的键离散性较大，不利于散转移指令对按键进行处理。因此，可采用依次排列键号的方式对按键进行编码。以图9-9中的4×4键盘为例，可将键号编码为0，1，2，3，…，14，15共16个键号。编码相互转换可通过计算或查表的方法实现。键号计算公式为：键号＝所在行号×键盘列数+所在列号或键号 = 行首键号(0、4、8、12)+列号(0、1、2、3)。

4.矩阵式键盘的工作方式

对键盘的响应取决于键盘的工作方式，而键盘的工作方式应根据实际应用系统中CPU的工作状况而定，其选取的原则是既要保证CPU能及时响应按键操作，又不要过多占用CPU的工作时间。通常，键盘的工作方式有3种，即编程扫描、定时扫描和中断扫描。

1)编程扫描

键盘扫描程序流程如图9-10所示，一般应包括以下内容：

(1)判断有无键按下。

(2)键盘扫描取得闭合键的行、列值。

(3)用计算法或查表法得到键值。

(4)判断闭合键是否释放，如未释放则继续等待。

(5)保存闭合键键号，同时转去执行该闭合键的功能。图9-10键盘扫描程序流程图

2)定时扫描

定时扫描每隔一段时间对键盘扫描一次，利用单片机内部的定时器产生一定时间(如10ms)的定时，当到达定时时间后，就产生定时器溢出中断，CPU响应中断后转去执行键盘扫描子程序，并识别键号。

3)中断扫描

采用上述两种键盘扫描方式时，无论是否按键，CPU都要定时扫描键盘，而单片机应用系统工作时并非经常需要键盘输入。因此，CPU经常处于空扫描状态。为提高CPU的工作效率，可采用中断扫描工作方式。其工作过程如下：当无键按下时，CPU处理自己的工作；当有键按下时，产生中断请求，CPU转去执行键盘扫描子程序，并识别键号。

【例9-2】任务9电子密码锁的4×4矩阵式键盘的程序设计。键盘的行线接到P1口的低4位，列线接到P1口的高4位。行线P1.0～P1.3分别接有4个上拉电阻到正电源VCC，并把行线P1.0～P1.3设置为输入线，列线P1.4～P1.7设置为输出线。4根行线和4根列线形成16个相交点。要求有10个数字键，键值为0～9；两个功能键，其中一个为确认键，另一个为取消键。解(1)硬件设计。硬件电路如图9-9所示，设计数字键0～9的键号依次为0～9，取消键的键号为10，确认键的键号为11，键号可按键值＝行首键号(0、4、8、12)＋列键号(0、1、2、3)的公式计算。按键功能分布及键号如图9-11所示。图9-114×4矩阵式键盘中每个按键的输入信息和键号

(2)程序设计思路。

①检测当前是否有键被按下。检测的方法是P1.4～P1.7输出全“0”，读取P1.0～P1.3的状态；若P1.0～P1.3为全“1”，则无键闭合，否则有键闭合。

②去除键抖动。当检测到有键按下后，延时一段时间再做下一步的检测判断。

③若有键被按下，应识别出是哪一个键闭合。方法是对键盘的行线进行扫描。

P1.4～P1.7按下述4种组合依次输出：

在每组行输出时读取P1.0～P1.3，若全为“1”，则表示为“0”这一行没有键闭合，否则有键闭合。

(3)键盘扫描程序。

参考键盘扫描程序流程图9-10及以上分析，请自行绘出流程图。

//*************键盘扫描子程序*************//

;子程序功能：电子密码锁的4 × 4矩阵式键盘的扫描程序

;子程序名：KEY

;入口参数：无

;出口参数：键号保存在特殊功能寄存器B中

KEY:MOV

P1,#0FH

;高4位P1.4～P1.7输出全“0”

MOVA,P1

ANLA,#0FH

;读取低4位P1.0～P1.3的状态

CJNEA,#0FH,NEXT1;判断低4位是否为0，若

不为0，表示有键闭合

SJMPNEXT4;无键闭合，清有键按下标志，

返回

NEXT1:ACALLDELAY_10MS

;延时，防抖动

MOVA,P1

ANLA,#0FH;再读取低4位P1.0～P1.3的状态

CJNEA,#0FH,NEXT2;判断是否确实有键闭合

SJM