單片機應(yīng)用技術(shù)項目式教程課件：簡易密碼鎖的設(shè)計

單片機應(yīng)用技術(shù)項目式教程—基于Proteus和KeilCSINGLE-CHIP

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簡易密碼鎖的設(shè)計獨立式鍵盤原理01行列鍵盤原理02簡易密碼鎖的設(shè)計03知識要點05

簡易密碼鎖的設(shè)計

能夠使用C語言實現(xiàn)按鍵去抖01能夠?qū)崿F(xiàn)獨立式按鍵掃描編程0203能夠應(yīng)用狀態(tài)機編程04學(xué)習(xí)要求05實現(xiàn)簡易密碼鎖的設(shè)計能夠?qū)崿F(xiàn)行列式按鍵掃描編程7.１獨立式鍵盤原理如果應(yīng)用系統(tǒng)僅需要幾個鍵，則選用獨立鍵盤，一般采用查詢方式識別按鍵的狀態(tài)。此外，由于按鍵的機械特性會產(chǎn)生抖動現(xiàn)象，在按鍵的處理中還要考慮去抖動的問題。獨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)成單個按鍵電路。7.１獨立式鍵盤原理每個獨立式按鍵單獨占有一根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)，屬于最簡單的一種按鍵結(jié)構(gòu)。當某一個按鍵Ｓｎ（ｎ＝０～７）閉合時，Ｐ1.ｎ輸入為低電平，釋放時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”，當無鍵按下時，Ｐ１.ｎ端由內(nèi)部上拉電阻上拉為高電平，而有鍵按下時，Ｐ１.ｎ端與地相連，輸入電壓值為低電平。若為Ｐ０口，內(nèi)部無上拉電阻，需外加上拉電阻。7.１獨立式鍵盤原理實際上，在按下一次Ｓｎ時，機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程中存在抖動現(xiàn)象，呈現(xiàn)一串抖動脈沖波（如圖7.２所示），其時間長短與按鍵的機械特性有關(guān)，一般為５～２０ｍｓ。為了確保ＣＰＵ對按鍵的一次閉合僅做一次處理，必須去除抖動。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：算法說明：１）定義靜態(tài)局部變量ｋｅｙ＿ｕｐ，表示按鍵的狀態(tài)，１時表示彈起狀態(tài)，這里不能用動態(tài)的局部變量，可以使用全局變量。２）在按鍵彈起狀態(tài)檢測按鍵是否按下。３）如果按下，延時１０ｍｓ。４）設(shè)置為按下狀態(tài)，檢測是否按下。５）如果按下，返回鍵值（對于獨立按鍵，鍵值可以自定義），如果沒按下，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：算法說明：１）檢測按鍵是否按下。２）如果按下，延時１０ｍｓ。３）檢測是否按下。４）如果按下，返回鍵值（對于獨立按鍵，鍵值可以自定義），如果沒按下，返回?zé)o效值。對于這兩種情況可以混合為一個程序。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時為支持連續(xù)按下，ｍｏｄｅ＝０時為不支持連續(xù)按下。４.應(yīng)用案例(１）設(shè)計要求設(shè)計加１、減１功能鍵各１個。當按加１、減１功能鍵時，１８７項目７簡易密碼鎖的設(shè)計。計數(shù)器做加１或減１操作，計數(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)碼管為共陽極數(shù)碼管，Ｐ３.０接“＋”鍵，Ｐ３.１接“－”鍵。（３）軟件代碼

實現(xiàn)代碼如下:7.2行列式鍵盤原理7.2.1設(shè)計原理

當按鍵數(shù)較多時，獨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５×５的行列式鍵盤陣列。鍵盤中共有２５個鍵，對每個鍵都進行編號，鍵號按從上到下、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展芯片的情況下，代表各個行的５根引出線分別和ＣＰＵ的通用Ｉ／Ｏ接口Ｐ１的５個引腳連接（這５個引腳是單向輸入，芯片內(nèi)無上拉電阻，需外加上拉電阻），代表各個列的５根線分別和Ｐ２的５個引腳連接。矩陣鍵盤工作時首先要確定有無按鍵按下，其次確定鍵值、鍵碼，分述如下。１.有無按鍵的確認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，否則沒有。其中要有鍵盤消抖措施。２.按鍵的識別掃描算法：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處的按鍵被按下。交換行列線的輸出讀取關(guān)系也可以實現(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.掃描算法的鍵號確定矩陣式鍵盤中按鍵的物理位置唯一，按鍵由行號和列號唯一確定，所以可以由行列號對按鍵編碼，如０行０列的按鍵編碼為００Ｈ，２行３列為１３，編碼時以處理問題方便為準。根據(jù)識別的行列號可以確定鍵號：鍵號＝所在行號×鍵盤列數(shù)＋所在列號編制程序時可以把鍵號制成表，查表實現(xiàn)按鍵功能的處理或直接用ｃａｓｅ語句處理。7.2.2編程實例１.設(shè)計要求４×４鍵盤對應(yīng)十六進制數(shù)碼０～９、Ａ～Ｆ。當按下按鍵時，對應(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（１）按鍵掃描程序按鍵掃描程序按照上面所講內(nèi)容編程，分為有無按鍵的確認、按鍵的識別和掃描算法的鍵號確定三部分，其中按鍵的識別采用線反轉(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，本書程序為混合編程方式。（２）程序代碼及說明程序代碼如下：7.3簡易數(shù)碼鎖設(shè)計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“?”號鍵，液晶顯示屏第一行顯示“ＰｌｅａｓｅＩｎｐｕｔＣｏｄｅ”，第二行顯示６個“－”。３）輸入６位密碼，并以“?！碧栨I結(jié)束，輸入過程中，液晶屏不顯示輸入的字符，只顯示“?”號，如果輸入數(shù)字超過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)計簡易數(shù)碼鎖程序可以采用分步編程設(shè)計，首先編寫ＬＣＤ１６０２程序并驗證，之后編寫鍵盤程序并驗證，再編寫整體程序，簡易數(shù)碼鎖程序采用狀態(tài)機編程實現(xiàn)。１.ＬＣＤ１６０２程序ＬＣＤ１６０２驅(qū)動程序的編寫見６.３和６.４節(jié)，本章程序需要修改引腳，同時在液晶屏上顯示簡易數(shù)碼鎖需要顯示的字符“ｗｅｌｃｏｍｅ，ＩｎｐｕｔｔｈｅＣｏｄｅ，Ｅｒｒ，Ｓｕｃ”。實現(xiàn)結(jié)果可參考圖７.８。２.按鍵測試編程在７.３節(jié)講解了行列式鍵盤的應(yīng)用，在簡易數(shù)碼鎖應(yīng)用中，行列式鍵盤用于輸入密碼，按鍵編程測試部分主要測試按鍵的硬件及軟件驅(qū)動程序是否正確，按鍵測試程序主要通過液晶顯示按鍵的數(shù)值證明按鍵電路及軟件驅(qū)動程序是否正確。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，書中不再給出。２）主程序代碼如下：３.狀態(tài)機編程狀態(tài)機（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語言編程。狀態(tài)機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（一些芯片手冊中有狀態(tài)機）。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)機編程主要分為以下幾個步驟：１）確定狀態(tài)。２）確定每個狀態(tài)的輸入和輸出情況。３）確定狀態(tài)轉(zhuǎn)移條件，以上３個步驟為繪制狀態(tài)圖的過程。４）用ｓｗｉｔｃｈ－ｃａｓｅ語句（Ｃ語言）根據(jù)狀態(tài)圖編程，這一步為軟件實現(xiàn)過程。狀態(tài)機編程由于狀態(tài)明確，相對于用標志位編程具有邏輯清楚、編程容易的優(yōu)勢。４.簡易密碼鎖軟件編程簡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，通過按鍵掃描程序掃描按鍵，得到按鍵的鍵碼，主狀態(tài)機實現(xiàn)密碼鎖的功能。（１）主狀態(tài)機軟件的主狀態(tài)機由４個狀態(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)和密碼錯誤狀態(tài)。下面說明各個狀態(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），當檢測到‘?’號鍵按下時，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)機中最復(fù)雜的狀態(tài)，其軟件框圖如圖７.１１所示。其具體實現(xiàn)如下：①判斷按下的按鍵。②如果按下的按鍵是＃號鍵，當按下密碼小于６位，則轉(zhuǎn)到密碼錯誤狀態(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)到密碼錯誤狀態(tài)。③按下其他按鍵，當按鍵次數(shù)為７次時，重置為１次，并且已按下的按鍵無效，保存密碼，并在液晶屏上順序顯示‘?’號。３）密碼正確狀態(tài)。清屏，顯示“ＳＵＣ”，密碼鎖打開（ＬＥＤ亮），延時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）密碼錯誤狀態(tài)。清屏，顯示“ＥＲＲ”，密碼鎖關(guān)閉（ＬＥＤ滅），延時３ｓ，液晶屏顯示“ｗｅｌｃｏｍｅ??！”，狀態(tài)轉(zhuǎn)換到空閑狀態(tài)。（２）簡易密碼鎖程序代碼程序代碼沒有包括按鍵和液晶子程序，具體如下：１.無按鍵鍵盤這個造型奇怪的產(chǎn)品就是ＯＲＢＩＴＯＵＣＨ無按鍵鍵盤（圖７.１２）。這款鍵盤在外觀上十分特立獨行，兩個巨大的圓球裝在一塊塑料板上，圓球上面還有類似鼠標形狀的手托。這款鍵盤使用起來需要左手選擇字母，右手選擇顏色。不同字母對應(yīng)的顏色也不一樣，雙手配合起來才能打字。ＯＲＢＩＴＯＵＣＨ的說明書看上去很難，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設(shè)計的，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。走進科學(xué)２.激光投影鍵盤像投影虛擬操作這種場景，以前只在科幻電影中才會見到。有了這個激光投影鍵盤（圖７.１３），平時放在桌面上并不起眼，但在你操作鍵盤的時候，相信你會成為萬眾矚目的焦點，足夠炫酷，充滿未來科技感。３.玻