单片机应用技术项目式教程课件：简易密码锁的设计

单片机应用技术项目式教程—基于Proteus和KeilCSINGLE-CHIP

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简易密码锁的设计独立式键盘原理01行列键盘原理02简易密码锁的设计03知识要点05

简易密码锁的设计

能够使用C语言实现按键去抖01能够实现独立式按键扫描编程0203能够应用状态机编程04学习要求05实现简易密码锁的设计能够实现行列式按键扫描编程7.１独立式键盘原理如果应用系统仅需要几个键，则选用独立键盘，一般采用查询方式识别按键的状态。此外，由于按键的机械特性会产生抖动现象，在按键的处理中还要考虑去抖动的问题。独立式键盘可采用如图７.１所示的按键输入电路。按键直接用Ｉ／Ｏ接口线构成单个按键电路。7.１独立式键盘原理每个独立式按键单独占有一根Ｉ／Ｏ接口线，每根Ｉ／Ｏ接口线的工作状态不影响其他Ｉ／Ｏ接口线的工作状态，属于最简单的一种按键结构。当某一个按键Ｓｎ（ｎ＝０～７）闭合时，Ｐ1.ｎ输入为低电平，释放时Ｐ１.ｎ输入为高电平。按键为输入开关量，所以Ｐ１口事先写入“１”，当无键按下时，Ｐ１.ｎ端由内部上拉电阻上拉为高电平，而有键按下时，Ｐ１.ｎ端与地相连，输入电压值为低电平。若为Ｐ０口，内部无上拉电阻，需外加上拉电阻。7.１独立式键盘原理实际上，在按下一次Ｓｎ时，机械按键的簧片存在着轻微的弹跳现象，Ｐ１.ｎ的输入波形在键闭合和释放过程中存在抖动现象，呈现一串抖动脉冲波（如图7.２所示），其时间长短与按键的机械特性有关，一般为５～２０ｍｓ。为了确保ＣＰＵ对按键的一次闭合仅做一次处理，必须去除抖动。按键去抖主要有软件去抖和硬件去抖两种方法，目前在单片机应用系统中，主要采用软件去抖方法，本书也只介绍软件去抖方法。１.按键扫描（不支持连续按下）编程不支持连续按下按键扫描编程的算法如下：算法说明：１）定义静态局部变量ｋｅｙ＿ｕｐ，表示按键的状态，１时表示弹起状态，这里不能用动态的局部变量，可以使用全局变量。２）在按键弹起状态检测按键是否按下。３）如果按下，延时１０ｍｓ。４）设置为按下状态，检测是否按下。５）如果按下，返回键值（对于独立按键，键值可以自定义），如果没按下，设置为弹起状态。２.按键扫描（支持连续按下）编程

支持连续按下按键扫描编程的算法如下：算法说明：１）检测按键是否按下。２）如果按下，延时１０ｍｓ。３）检测是否按下。４）如果按下，返回键值（对于独立按键，键值可以自定义），如果没按下，返回无效值。对于这两种情况可以混合为一个程序。３.按键扫描（两种模式合二为一）编程

按键扫描（两种模式合二为一）编程的算法如下：ｍｏｄｅ＝１时为支持连续按下，ｍｏｄｅ＝０时为不支持连续按下。４.应用案例(１）设计要求设计加１、减１功能键各１个。当按加１、减１功能键时，１８７项目７简易密码锁的设计。计数器做加１或减１操作，计数器值送４位ＬＥＤ数码管显示。(2)仿真原理图仿真原理图如图７.３所示，Ｐ０口接数码管ａ～ｇ段，Ｐ２.０～Ｐ２.３接数码管公共端，数码管为共阳极数码管，Ｐ３.０接“＋”键，Ｐ３.１接“－”键。（３）软件代码

实现代码如下:7.2行列式键盘原理7.2.1设计原理

当按键数较多时，独立式按键电路占用较多的Ｉ／Ｏ接口线，因此通常多采用行列式（也称矩阵式）键盘电路。

图７.４表示一个５×５的行列式键盘阵列。键盘中共有２５个键，对每个键都进行编号，键号按从上到下、从左到右的规律，分别为０，１，２，…，２４。在应用系统中，键盘上的按键可按需要定义其功能。Ｘ０、Ｘ１、Ｘ２、Ｘ３、Ｘ４分别代表第０行、第１行、第２行、第３行、第４行。Ｙ０、Ｙ１、Ｙ２、Ｙ３、Ｙ４分别代表第０列、第１列、第２列、第３列、第４列。在不需要外接并行扩展芯片的情况下，代表各个行的５根引出线分别和ＣＰＵ的通用Ｉ／Ｏ接口Ｐ１的５个引脚连接（这５个引脚是单向输入，芯片内无上拉电阻，需外加上拉电阻），代表各个列的５根线分别和Ｐ２的５个引脚连接。矩阵键盘工作时首先要确定有无按键按下，其次确定键值、键码，分述如下。１.有无按键的确认由行线或列线输出低电平，然后读取列线或行线电平，如果读取值不全是高电平则代表有键按下，否则没有。其中要有键盘消抖措施。２.按键的识别扫描算法：逐行置低电平，其余各行为高电平，检查各列电平的变化，如果某列线电平为低电平，即可确定此行列线交叉点处的按键被按下。交换行列线的输出读取关系也可以实现。线反转法：首先将行线编程为输入线，列线编程为输出线，然后使列线全输出低电平，读取行线电平，行线从高电平转为低电平的行线为按下按键所在行；然后将列线编程为输入线，行线编程为输出线，然后使行线全输出低电平，读取列线电平，列线从高电平转为低电平的列线为按下按键所在列。３.扫描算法的键号确定矩阵式键盘中按键的物理位置唯一，按键由行号和列号唯一确定，所以可以由行列号对按键编码，如０行０列的按键编码为００Ｈ，２行３列为１３，编码时以处理问题方便为准。根据识别的行列号可以确定键号：键号＝所在行号×键盘列数＋所在列号编制程序时可以把键号制成表，查表实现按键功能的处理或直接用ｃａｓｅ语句处理。7.2.2编程实例１.设计要求４×４键盘对应十六进制数码０～９、Ａ～Ｆ。当按下按键时，对应的数码在数码管上显示。

行列式键盘仿真原理图如图７.５所示，Ｐ０口接单个数码管，Ｐ２口接行列式键盘。Ｐ２.０～Ｐ２.３接列线，Ｐ２.４～Ｐ２.７接行线。２.程序设计（１）按键扫描程序按键扫描程序按照上面所讲内容编程，分为有无按键的确认、按键的识别和扫描算法的键号确定三部分，其中按键的识别采用线反转法，行列式按键扫描程序也可分为支持连续按下和不支持连续按下两种情况，为了更好地支持应用，本书程序为混合编程方式。（２）程序代码及说明程序代码如下：7.3简易数码锁设计7.3.1任务要求３×４行列式键盘，分别代表数字０～９、∗、＃，密码在程序中事先设定，为０～９之间的６位数字，用１６０２字符液晶显示屏显示密码输入过程，用发光二极管表示密码锁的开关状态。密码锁操作过程如下：１）上电复位后，密码锁初始状态为关闭（发光二极管灭）液晶显示屏显示“ｗｅｌ⁃ｃｏｍｅ！”。２）按下“∗”号键，液晶显示屏第一行显示“ＰｌｅａｓｅＩｎｐｕｔＣｏｄｅ”，第二行显示６个“－”。３）输入６位密码，并以“＃”号键结束，输入过程中，液晶屏不显示输入的字符，只显示“∗”号，如果输入数字超过６位，重新显示。４）输入的密码与原先设定的密码相同，则液晶显示屏第二行显示字符“Ｓｕｃ”，打开锁（发光二极管亮），３ｓ后恢复锁定状态，等待下一次密码输入（返回１），否则显示字符“ＥＲＲ”持续３ｓ，保持锁定状态并等待下次密码输入（返回１）。简易数码锁的ＬＣＤ液晶和行列式键盘的仿真电路图分别如图７.６和图７.７所示，其中１６０２的数据线接Ｐ３口，控制端ＲＳ、ＲＷ和Ｅ分别接Ｐ２.０、Ｐ２.１和Ｐ２.２。发光二极管接Ｐ２.３。行列式键盘行线接Ｐ１.４～Ｐ１.７，列线接Ｐ１.０～Ｐ１.２。7.3.2仿真电路７.3.

3程序设计简易数码锁程序可以采用分步编程设计，首先编写ＬＣＤ１６０２程序并验证，之后编写键盘程序并验证，再编写整体程序，简易数码锁程序采用状态机编程实现。１.ＬＣＤ１６０２程序ＬＣＤ１６０２驱动程序的编写见６.３和６.４节，本章程序需要修改引脚，同时在液晶屏上显示简易数码锁需要显示的字符“ｗｅｌｃｏｍｅ，ＩｎｐｕｔｔｈｅＣｏｄｅ，Ｅｒｒ，Ｓｕｃ”。实现结果可参考图７.８。２.按键测试编程在７.３节讲解了行列式键盘的应用，在简易数码锁应用中，行列式键盘用于输入密码，按键编程测试部分主要测试按键的硬件及软件驱动程序是否正确，按键测试程序主要通过液晶显示按键的数值证明按键电路及软件驱动程序是否正确。程序代码如下：１）按键扫描代码基本和7.３节相同，需要有相应改动，书中不再给出。２）主程序代码如下：３.状态机编程状态机（可以参考数字电子技术中的状态图，如图７.９所示）编程是嵌入式设备Ｃ语言编程。状态机编程属于一种比较流行的方法，适用于以下应用：１）菜单设置。２）芯片接口程序（一些芯片手册中有状态机）。３）协议栈编程（某些协议栈中有状态图）。４）通信程序。５）其他适合的应用。状态机编程主要分为以下几个步骤：１）确定状态。２）确定每个状态的输入和输出情况。３）确定状态转移条件，以上３个步骤为绘制状态图的过程。４）用ｓｗｉｔｃｈ－ｃａｓｅ语句（Ｃ语言）根据状态图编程，这一步为软件实现过程。状态机编程由于状态明确，相对于用标志位编程具有逻辑清楚、编程容易的优势。４.简易密码锁软件编程简易密码锁软件主要由液晶初始化、显示“ｗｅｌｃｏｍｅ”、按键扫描及主状态机组成，其框图如图７.１０所示。液晶初始化见６.３节内容，通过按键扫描程序扫描按键，得到按键的键码，主状态机实现密码锁的功能。（１）主状态机软件的主状态机由４个状态组成，分别为空闲状态、输入密码状态、密码正确状态和密码错误状态。下面说明各个状态的功能及状态转移条件。１）空闲状态。在该状态液晶显示“ｗｅｌｃｏｍｅ！！”，并且密码锁闭合（用ＬＥＤ灭表示），当检测到‘∗’号键按下时，液晶屏第一行显示“ＩｎｐｕｔｔｈｅＣｏｄｅ”，第二行显示“”，并且状态转到输入密码状态。２）输入密码状态。输入密码状态是状态机中最复杂的状态，其软件框图如图７.１１所示。其具体实现如下：①判断按下的按键。②如果按下的按键是＃号键，当按下密码小于６位，则转到密码错误状态，否则，判断密码是否正确，正确则转到密码正确状态，否则转到密码错误状态。③按下其他按键，当按键次数为７次时，重置为１次，并且已按下的按键无效，保存密码，并在液晶屏上顺序显示‘∗’号。３）密码正确状态。清屏，显示“ＳＵＣ”，密码锁打开（ＬＥＤ亮），延时３ｓ，密码锁关闭（ＬＥＤ灭），液晶屏显示“ｗｅｌｃｏｍｅ！！”，状态转换到空闲状态。４）密码错误状态。清屏，显示“ＥＲＲ”，密码锁关闭（ＬＥＤ灭），延时３ｓ，液晶屏显示“ｗｅｌｃｏｍｅ！！”，状态转换到空闲状态。（２）简易密码锁程序代码程序代码没有包括按键和液晶子程序，具体如下：１.无按键键盘这个造型奇怪的产品就是ＯＲＢＩＴＯＵＣＨ无按键键盘（图７.１２）。这款键盘在外观上十分特立独行，两个巨大的圆球装在一块塑料板上，圆球上面还有类似鼠标形状的手托。这款键盘使用起来需要左手选择字母，右手选择颜色。不同字母对应的颜色也不一样，双手配合起来才能打字。ＯＲＢＩＴＯＵＣＨ的说明书看上去很难，但研发者表示，从买回家到入门只需要３０分钟。上面的键位也不是完全随机设计的，而是参考了人们最常用的字母，并且把这些字母放在最合适的位置，方便记忆。走进科学２.激光投影键盘像投影虚拟操作这种场景，以前只在科幻电影中才会见到。有了这个激光投影键盘（图７.１３），平时放在桌面上并不起眼，但在你操作键盘的时候，相信你会成为万众瞩目的焦点，足够炫酷，充满未来科技感。３.玻