51单片机（六）矩阵键盘和矩阵键盘密码锁

news2024/12/22 14:30:07

❤️ 专栏简介：本专栏记录了从零学习单片机的过程，其中包括51单片机和STM32单片机两部分；建议先学习51单片机，其是STM32等高级单片机的基础；这样再学习STM32时才能融会贯通。
☀️ 专栏适用人群 ：适用于想要从零基础开始学习入门单片机，且有一定C语言基础的的童鞋。
🌙专栏目标：实现从零基础入门51单片机和STM32单片机，力求在玩好单片机的同时，能够了解一些计算机的基本概念，了解电路及其元器件的基本理论等。

⭐️ 专栏主要内容： 主要学习51单片机的功能、各个模块、单片机的外设、驱动等，最终玩好单片机和单片机的外设，全程手敲代码，实现我们所要实现的功能。
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提取码：gdzf

本节主要介绍LCD1602调试工具，用于对调试代码进行输出显示，方便我们对开发过程中代码的调试工作。本文会提供LCD1602的使用方法、驱动代码、以及演示LCD1602调试过程。

文章目录

  • 一、矩阵键盘介绍和本节目标
    • 1.1 矩阵键盘介绍
      • 1.1.1 矩阵键盘概念
      • 1.1.2 矩阵键盘原理
        • 1.1.2.1扫描过程：
        • 1.1.2.2 单片机i/o口弱上拉模式
    • 1.2 本节目标
  • 二、读取并显示矩阵键盘按键
  • 三、矩阵键盘密码锁

一、矩阵键盘介绍和本节目标

1.1 矩阵键盘介绍

1.1.1 矩阵键盘概念

在这里插入图片描述

相较于独立按键，矩阵键盘可以减少i/o口的占用。

独立按键是每个按键都占用一个i/o口；而矩阵键盘是利用四行四列达到16个键盘占用8个i/o口的目的；减少了i/o口的占用。有点类似于利用坐标系，用行号和列号来定位具体的键盘。即采用逐行或逐列的“扫描”，就可以独处任何位置按键的状态。

什么是扫描呢？

在这里插入图片描述

1.1.2 矩阵键盘原理

矩阵键盘的原理图有下图所示，左边是独立按键的原理图，右边是矩阵键盘的原理图，放在一起比较更容易理解。
在这里插入图片描述

1.1.2.1扫描过程：

独立按键是将四个按键公共的一端都接在GND即低电平上，另一端连接在i/o口上；而独立按键呢，是每一行连接到一个公共的i/o上，每一列也连接到一个公共的i/o口上；
我们可以假设，矩阵按键第一行的一端都接在GND上，另一端接四列的i/o口，那么此时就变成和独立按键一模一样，如下图所示：
在这里插入图片描述
此时就成了按行扫描的过程，因为一端已经接了GND即低电平，那么此时如果检测到P13=0，说明是S1按下了；如果是P12=0，说明是S2按下了；如果是P11=0，说明是S3按下了；如果是P10=0，说明是S4按下了；此时第一行就扫描结束了，同时也得到了S1-S4 4个按键的状态。

如果想知道为什么公共端设置为0，然后检测另一端是否为0，来判断是否按下按键，请看第1.1.2.2节的介绍。

然后就可以判断第二行了，判断第二行时，将第一行的公共端（也就是P17口）设置为1；第二行的公共端（也就是P16口）设置为0；第三行的公共端（也就是P15）设置为1；第四行的公共端（也就是P14）设置为1；总结一下就是扫描哪一行，哪一行的公共端给0，其他行的公共端给1；然后判断P13-P10的值，如果P13=0，说明是S5按下了；如果是P12=0，说明是S6按下了；如果是P11=0，说明是S7按下了；如果是P10=0，说明是S8按下了；此时第二行就扫描结束了，同时也得到了S5-S8 4个按键的状态。如下图：
在这里插入图片描述
同理，如果扫描第三行时，将第一行的公共端（也就是P17口）设置为1；第二行的公共端（也就是P16口）设置为1；第三行的公共端（也就是P15）设置为0；第四行的公共端（也就是P14）设置为1；总结一下就是扫描哪一行，哪一行的公共端给0，其他行的公共端给1；然后判断P13-P10的值，如果P13=0，说明是S9按下了；如果是P12=0，说明是S10按下了；如果是P11=0，说明是S11按下了；如果是P10=0，说明是S12按下了；此时第三行就扫描结束了，同时也得到了S9-S11 4个按键的状态。如下图：
在这里插入图片描述

第四行同理，这四行全都扫描完一遍后，16个按键的状态也就都得到了。

按列扫描也是同样的道理，即将P13-P12口赋值0和1，然后分别读取P17-P14，从而获得16个按键的状态。

由于按行扫描时，P15口会反复的给0和给1，而P15口又连接着蜂鸣器，所以如果按行扫描，就会导致蜂鸣器一直响，且无法关掉，这是由引脚和外设的冲突引起的，无法避免；所以建议使用按列臊面来获得矩阵键盘的状态。

补充一个知识点，为什么在扫描具体的某一行时，要使其公共端赋值为低电平0，另外的三个行的公共端赋值为高电平1呢？这就涉及到了单片机i/o口的弱上拉模式。

1.1.2.2 单片机i/o口弱上拉模式

i/o口的弱上拉模式又叫准双向口（可以去看51单片机入门教程资料\课件及程序源码\相关资料\STC89C52.pdf中的第4.1.1节：准双向口输出配置）；i/o口即iniput/output，既可以输入又可以输出。那i/o是如何达到输出和输入呢？

举个例子，如果现在有两个i/o口，A口是高电平1，B口是低电平0，将A和B直接连接在一起，有同学说这不就短路了嘛，确实像是短路，但是没有问题；就是因为单片机是弱上拉模式，即单片机的上拉能力是弱的；也就是说高电平的驱动能力是有限的，而低电平0的驱动能力是很强的，也可以称为弱上拉，强下拉；

更加详细的原理解释，请参考视频（https://www.bilibili.com/video/BV1Mb411e7re?p=15&vd_source=e2638d12685eef84cda913d9d67be0a9）的17分30秒

总结下来一句话，弱上拉强下拉就是1弱0强；也就是当低电平0和高电平1同时出现时，表现的是低电平0；

在这里插入图片描述
所以这里再解释一遍扫描的原理：
当第一行的公共端（P17）接了低电平0，那么S1的另一端（P13）在上电时默认是高电平1，所以当S1按键未按下时，读取P13的状态得到的是高电平1
；当S1按下时，P17和P13连接在了一起，P17是低电平，而P13在连接的一瞬间，由于弱上拉强下拉原理（1弱0强），P13也就瞬间从高电平1变成了低电平0；所以，当检测到P13是0时，也就说明S1按下了（因为S1不按下，P13检测到的值会是1）。

1.2 本节目标

目标1：读取矩阵键盘每次按下的数值，并将该数值显示在LCD1602上；
例如，当按下第一个矩阵按键S1时，LCD1602显示01；当按下第二个矩阵按键S2时，LCD1602显示02；依次类推，如下图所示：
当按下S1时：
在这里插入图片描述
当按下S2时：
在这里插入图片描述
依次类推。

目标2：利用矩阵键盘实现密码锁

密码锁具体的过程如下，当上电后，该密码锁在LCD1602上显示初始值Password：0000,
在这里插入图片描述

然后当我们按下S1按键时，显示数字1，如下：
在这里插入图片描述
接着我们按下S2时，显示数字2，如下：
在这里插入图片描述
接着我们按下S3，显示数字3，如下：
在这里插入图片描述
最后我们按下S4，显示数字4，如下：
在这里插入图片描述
最终的结果是我们输入了密码1234，（说明：S1-S9对应着数字1-9，S10表示数字0，S11表示“确认”，S12表示取消），然后按下S11确认，结果显示ERR，表示密码错误，并将数字清零，如下：
在这里插入图片描述
因为我们设置的正确密码是2345，所以输入2345后，结果显示OK，表示密码正确，如下：

在这里插入图片描述

二、读取并显示矩阵键盘按键

代码路径：51单片机入门教程资料\课件及程序源码\程序源码\KeilProject\6-1 矩阵键盘
具体代码：

#include <REGX52.H>
#include "Delay.h"		//包含Delay头文件
#include "LCD1602.h"	//包含LCD1602头文件
#include "MatrixKey.h"	//包含矩阵键盘头文件

unsigned char KeyNum;

void main()
{
	LCD_Init();							//LCD初始化
	LCD_ShowString(1,1,"MatrixKey:");	//LCD显示字符串
	while(1)
	{
		KeyNum=MatrixKey();				//获取矩阵键盘键码
		if(KeyNum)						//如果有按键按下
		{
			LCD_ShowNum(2,1,KeyNum,2);	//LCD显示键码
		}
	}
}

代码解释：

该代码中包含的Delay.h和LCD1602.h分别用于延时以及LCD1602的显示，在前面已经进行详细的介绍。

MatrixKey.h是矩阵键盘头文件，里面包含了MatrixKey接口，具体代码如下：

#ifndef __MATRIXKEY_H__
#define __MATRIXKEY_H__

unsigned char MatrixKey();

#endif

MatrixKey接口的实现在MatrixKey.c文件中，如下：

#include <REGX52.H>
#include "Delay.h"

/**
  * @brief  矩阵键盘读取按键键码
  * @param  无
  * @retval KeyNumber 按下按键的键码值
			如果按键按下不放，程序会停留在此函数，松手的一瞬间，返回按键键码，没有按键按下时，返回0
			整个函数实现的过程就是对16个矩阵按键扫描了一遍
  */
unsigned char MatrixKey()
{
	unsigned char KeyNumber=0;
	
	P1=0xFF;
	P1_3=0;
	if(P1_7==0){Delay(20);while(P1_7==0);Delay(20);KeyNumber=1;}
	if(P1_6==0){Delay(20);while(P1_6==0);Delay(20);KeyNumber=5;}
	if(P1_5==0){Delay(20);while(P1_5==0);Delay(20);KeyNumber=9;}
	if(P1_4==0){Delay(20);while(P1_4==0);Delay(20);KeyNumber=13;}
	
	P1=0xFF;
	P1_2=0;
	if(P1_7==0){Delay(20);while(P1_7==0);Delay(20);KeyNumber=2;}
	if(P1_6==0){Delay(20);while(P1_6==0);Delay(20);KeyNumber=6;}
	if(P1_5==0){Delay(20);while(P1_5==0);Delay(20);KeyNumber=10;}
	if(P1_4==0){Delay(20);while(P1_4==0);Delay(20);KeyNumber=14;}
	
	P1=0xFF;
	P1_1=0;
	if(P1_7==0){Delay(20);while(P1_7==0);Delay(20);KeyNumber=3;}
	if(P1_6==0){Delay(20);while(P1_6==0);Delay(20);KeyNumber=7;}
	if(P1_5==0){Delay(20);while(P1_5==0);Delay(20);KeyNumber=11;}
	if(P1_4==0){Delay(20);while(P1_4==0);Delay(20);KeyNumber=15;}
	
	P1=0xFF;
	P1_0=0;
	if(P1_7==0){Delay(20);while(P1_7==0);Delay(20);KeyNumber=4;}
	if(P1_6==0){Delay(20);while(P1_6==0);Delay(20);KeyNumber=8;}
	if(P1_5==0){Delay(20);while(P1_5==0);Delay(20);KeyNumber=12;}
	if(P1_4==0){Delay(20);while(P1_4==0);Delay(20);KeyNumber=16;}
	
	return KeyNumber;
}

该接口其实现的功能就是将矩阵键盘的16个按键扫描了一遍，返回按下的按键的键码；

最终实现的结果就是按下某个按键，其表示的键码会显示在LCD1602上，即本节的目标1.

三、矩阵键盘密码锁

代码路径：51单片机入门教程资料\课件及程序源码\程序源码\KeilProject\6-2 矩阵键盘密码锁

具体代码：

#include <REGX52.H>
#include "Delay.h"
#include "LCD1602.h"
#include "MatrixKey.h"

unsigned char KeyNum;
unsigned int Password,Count;

void main()
{
	LCD_Init();
	LCD_ShowString(1,1,"Password:");
	while(1)
	{
		KeyNum=MatrixKey();
		if(KeyNum)
		{
			if(KeyNum<=10)	//如果S1~S10按键按下，输入密码
			{
				if(Count<4)	//如果输入次数小于4
				{
					Password*=10;				//密码左移一位
					Password+=KeyNum%10;		//获取一位密码
					Count++;	//计次加一
				}
				LCD_ShowNum(2,1,Password,4);	//更新显示
			}
			if(KeyNum==11)	//如果S11按键按下，确认
			{
				if(Password==2345)	//如果密码等于正确密码
				{
					LCD_ShowString(1,14,"OK ");	//显示OK
					Password=0;		//密码清零
					Count=0;		//计次清零
					LCD_ShowNum(2,1,Password,4);	//更新显示
				}
				else				//否则
				{
					LCD_ShowString(1,14,"ERR");	//显示ERR
					Password=0;		//密码清零
					Count=0;		//计次清零
					LCD_ShowNum(2,1,Password,4);	//更新显示
				}
			}
			if(KeyNum==12)	//如果S12按键按下，取消
			{
				Password=0;		//密码清零
				Count=0;		//计次清零
				LCD_ShowNum(2,1,Password,4);	//更新显示
			}
		}
	}
}

最终实现的结果就是本节的目标2。

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