3 單片機開發(fā)工程案例分析與解析 3.1 定時報警器 設計一個單片機控制的簡易定時報警器。要求根據(jù)設定的初始值（1-59秒）進行倒計時，當計時到0時數(shù)碼管閃爍“00”（以1Hz閃爍），按鍵功能如下： （1）設定鍵：在倒計時模式時，按下此鍵后停止倒計時，進入設置狀態(tài)；如果已經(jīng)處于設置狀態(tài)則此鍵無效。 （2）增一鍵：在設置狀態(tài)時，每按一次遞增鍵，初始值的數(shù)字增1。 （3）遞一鍵：在設置狀態(tài)時，每按一次遞減鍵，初始值的數(shù)字減1。 （4）確認鍵：在設置狀態(tài)時，按下此鍵后，單片機按照新的初始值進行倒計時及顯示倒計時的數(shù)字。如果已經(jīng)處于計時狀態(tài)則此鍵無效。 3.1.2 模塊1:系統(tǒng)設計 （1）任務分析與整體設計思路 根據(jù)題目的要求，需要實現(xiàn)如下幾個方面的功能。 計時功能：要實現(xiàn)計時功能則需要使用定時器來計時，通過設置定時器的初始值來控制溢出中斷的時間間隔，再利用一個變量記錄定時器溢出的次數(shù)，達到定時1秒中的功能。然后，當計時每到1秒鐘后，倒計時的計數(shù)器減1。當?shù)褂嫊r計數(shù)器到0時，觸發(fā)另一個標志變量，進入閃爍狀態(tài)。 顯示功能：顯示倒計時的數(shù)字要采用動態(tài)掃描的方式將數(shù)字拆成“十位”和“個位”動態(tài)掃描顯示。如果處于閃爍狀態(tài)，則可以不需要動態(tài)掃描顯示，只需要控制共陰極數(shù)碼管的位控線，實現(xiàn)數(shù)碼管的滅和亮。 鍵盤掃描和運行模式的切換：主程序在初始化一些變量和寄存器之后，需要不斷循環(huán)地讀取鍵盤的狀態(tài)和動態(tài)掃描數(shù)碼管顯示相應的數(shù)字。根據(jù)鍵盤的按鍵值實現(xiàn)設置狀態(tài)、計時狀態(tài)的切換。 （2）單片機型號及所需外圍器件型號，單片機硬件電路原理圖 選用MCS-51系列AT89S51單片機作為微控制器，選擇兩個四聯(lián)的共陰極數(shù)碼管組成8位顯示模塊，由于AT89S51單片機驅(qū)動能力有限，采用兩片74HC244實現(xiàn)總線的驅(qū)動，一個74HC244完成位控線的控制和驅(qū)動，另一個74HC244完成數(shù)碼管的7段碼輸出，在輸出口上各串聯(lián)一個100歐姆的電阻對7段數(shù)碼管限流。 由于鍵盤數(shù)量不多，選擇獨立式按鍵與P1口連接作為四個按鍵輸入。沒有鍵按下時P1.0-P1.3為高電平，當有鍵按下時，P1.0-P1.3相應管腳為低電平。電路原理圖如圖3-1所示。 圖3-1 定時報警器電路原理圖 （3）程序設計思路，單片機資源分配以及程序流程 ①單片機資源分配 采用單片機的P3口作為按鍵的輸入，使用獨立式按鍵與P3.0-P3.3連接，構成四個功能按鍵。 在計時功能中，需要三個變量分別暫存定時器溢出的次數(shù)（T1_cnt）、倒計時的初始值（init_val）以及當前倒計時的秒數(shù)（cnt_val）。 按鍵掃描功能中，需要兩個變量，一個變量（key_val_new）用來存儲當前掃描的鍵值（若無按鍵按下則為255），另一個變量（key_val_old）用來存儲上一次掃描的鍵值。只有這兩個變量值不一樣時，才能說明是一次新的按鍵按下或彈起了，同時將新的鍵值賦給key_val_old變量。 在顯示功能中，需要定義一組數(shù)組（code類型），值為0-9數(shù)字對應的數(shù)碼管7段碼。還需要定義一個變量(show_val)暫存要顯示的數(shù)據(jù)，用于動態(tài)掃描顯示中。 在整個程序中，定義了一個狀態(tài)變量（state_val）用來存儲當前單片機工作在哪種狀態(tài)。 ②程序設計思路 鑒于題目要求，存在三種工作模式：初始值設置模式、倒計時模式、計時到0時的閃爍模式。變量state_val為0時，處于倒計時模式。變量state_val為1時，處于初始值設置模式。變量state_val為2時，處于閃爍模式。這些狀態(tài)的切換取決于按下哪一個鍵以及是否計時到0。狀態(tài)的切換圖如圖3-2 圖3-2 狀態(tài)的切換 單片機復位之后，默認處于倒計時模式，啟動定時器，定時器每隔250us溢出一次，根據(jù)定時器溢出次數(shù)來計時，到1秒時將時間的計數(shù)器減1。當“設置鍵”按下時，變量state_val由0變?yōu)?，切換到設置模式。可以使用“遞增鍵”“遞減鍵”對計時初始值進行修改。按下“確認鍵”時，回到計時模式開始以新的初始值進行倒計時。當?shù)褂嫊r到0時，變量state_val由1變?yōu)?，處于閃爍狀態(tài)，在這種狀態(tài)下，根據(jù)按鍵的情況分別又切換到計時和設置狀態(tài)。 ③程序流程 主程序首先需要初始化定時器的參數(shù)和一些變量，然后進入一個循環(huán)結(jié)構，在循環(huán)中始終只做兩件事，一是鍵盤的掃描，二是數(shù)碼管的動態(tài)掃描。 在掃描鍵盤后，根據(jù)前一次按鍵的結(jié)果是否與本次鍵值相同。如果不同，表示有鍵按下或彈起，同時用本次按鍵值更新上一次的按鍵值。這樣設計旨在避免一個按鍵長時間按下時被重復判為有新鍵按下，使得當前按下的鍵只有松開后，下一次按下時才算為一次新的按鍵。 根據(jù)按鍵的值分別改變變量（state_val）的值或者在設置狀態(tài)時的倒計時初始值。完整的主程序圖如圖3-3所示。 圖3-3 主程序的流程圖 在定時器的參數(shù)中，選擇定時器T1的8位自動裝載模式，每250us產(chǎn)生一次溢出中斷，中斷服務程序如圖3-4所示。 圖3-4中斷服務程序流程圖 （4）軟硬件調(diào)試方案 軟件調(diào)試方案：偉福軟件中，在“文件\新建文件”中，新建C語言源程序文件，編寫相應的程序。在“文件\新建項目”的菜單中，新建項目并將C語言源程序文件包括在項目文件中。 在 “項目\編譯”菜單中將C源文件編譯，檢查語法錯誤及邏輯錯誤。在編譯成功后，產(chǎn)生以 “*.hex”和“*.bin” 后綴的目標文件。 硬件調(diào)試方案：在設計平臺中，將單片機的P3.0-P3.3分別與獨立式鍵盤的相應位通過插線連接起來。 在偉福中將程序文件編譯成目標文件后，運行MCU下載程序，選擇相應的flash 數(shù)據(jù)文件，點擊“編程”按鈕，將程序文件下載到單片機的Flash中。 然后，上電重新啟動單片機，檢查所編寫的程序是否達到題目的要求，是否全面完整地完成試題的內(nèi)容。 3.1.3 程序設計（僅供參考的C語言源程序） //晶振：11.0592M T1-250微秒 按鍵P10 P11 P12 P13 /*變量的定義: show_val: 顯示的值0-59 init_val: 初始值 state_val: 狀態(tài)值 0-計數(shù)狀態(tài);1-設置狀態(tài);2-閃爍狀態(tài) shan_val: key_val1: 四個按鍵的值 255-無鍵;1-設置鍵 2-增一鍵 3-減一鍵 4-確定鍵 T1_cnt: 定時器計數(shù)溢出數(shù) cnt_val: 倒計時的數(shù)值 led_seg_code：數(shù)碼管7段碼 */ #include "reg51.h" //包含文件 sbit P1_0=P1^0; //設置鍵 sbit P1_1=P1^1; //增一鍵 sbit P1_2=P1^2; //減一鍵 sbit P1_3=P1^3; //確定鍵 unsigned char data shan_val; //閃爍時LED的開/關狀態(tài) unsigned char data cnt_val; //保存倒計數(shù)的當前值 unsigned int data T1_cnt; //保存定時器溢出次數(shù) unsigned char data key_val_new,key_val_old;//存放當前掃描的鍵和前一次按下的鍵值 unsigned char data state_val; //狀態(tài)值 unsigned char data show_val; //存放需要在數(shù)碼管顯示的數(shù)字 unsigned char data init_val; //暫存倒計數(shù)的初始值 char code led_seg_code[10]={0x3f,0x06,0x05b,0x04f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f}; //----------延時-------------- void delay(unsigned int i) //大約延時i*2個微秒 { while(--i);} //-----------按鍵掃描------------- unsigned char scan_key() { unsigned char i; i=P1&0x0f; delay(100); //延時，去抖動 if (i==(P1&0x0f)) { if (P1_0==0) { i=1; } else { if (P1_1==0) { i=2;} else { if (P1_2==0) { i=3;} else { if (P1_3==0) { i=4;} } } } } else { i=255; } return i; } //---------數(shù)碼管顯示--------------- void led_show(unsigned int v) { unsigned char i; if (state_val!=2) //動態(tài)掃描 {i=v%10; //取要顯示的數(shù)的個位 P0=led_seg_code[i]; //轉(zhuǎn)換為7段碼 P2=0xfe; //顯示個位 delay(15); //延時 i=v%100/10; //取十位 P0=led_seg_code[i]; //轉(zhuǎn)換為7段碼 P2=0xfd; //顯示十位 delay(5); //延時 } else { P0=led_seg_code[0]; //處于閃爍狀態(tài) if (shan_val) { P2=0xff; } //將數(shù)碼管的關閉 else { P2=0xfc; } //將數(shù)碼管的打開 } } //----------定時器T1中斷服務程序--------------- void timer1() interrupt 3 //T1中斷，250us中斷一次 { T1_cnt++; switch (state_val) { case 0: if(T1_cnt>3999) //如果計數(shù)>3999, 計時1s { T1_cnt=0; if(cnt_val!=0) { cnt_val--;} else {state_val=2;} //定時計數(shù)到0時，切換狀態(tài) show_val=cnt_val; } break; case 2: if(T1_cnt>1999) //如果計數(shù)>1999, 計時0.5s { T1_cnt=0; shan_val=!shan_val; } //閃爍狀態(tài) break; } } //---------主程序---------------- main() {init_val=59; //初始化各變量 cnt_val=init_val; show_val=cnt_val; state_val=0; key_val_old=255; T1_cnt=0; shan_val=0; //初始化51的寄存器 TMOD=0x20; //用T1計時 8位自動裝載定時模式 TH1=0x19; //250微秒溢出一次; 250=(256-x)*12/11.0592 -> x= 230.4 TL1=0x19; EA=1; //打開總中斷允許 ET1=1; //開中斷允許 TR1=1; //開定時器T1 while(1) { key_val_new=scan_key(); // 255表示無鍵按下 if (key_val_new!=key_val_old) { // 只有當前掃描的鍵值與上次掃描的不同，才判斷是有鍵按下 key_val_old=key_val_new; switch (key_val_new) { case 1: //設置鍵 state_val=1; //處于設置狀態(tài) TR1=1; //停止計時 show_val=init_val; //顯示原來的倒計數(shù)初始值 break; case 2: if(state_val==1) //只有在設置狀態(tài)，增1鍵才有用 { if (init_val>0) //更改原來的倒計數(shù)初始值 {init_val--; } else {init_val=59;} show_val=init_val;//顯示更改后的倒計數(shù)初始值 } break; case 3: if(state_val==1) //只有在設置狀態(tài)，減1鍵才有用 { if (init_val<59) //更改原來的倒計數(shù)初始值 {init_val++; } else {init_val=0;} show_val=init_val; //顯示更改后的計數(shù)初始值 } break; case 4: if(state_val!=0) //如果已處于計數(shù)模式，確認鍵不起作用 { cnt_val=init_val; //將初始值賦給計數(shù)變量 show_val=cnt_val; //將計數(shù)變量的數(shù)字顯示 TR1=1; //啟動定時器T1 state_val=0; //將狀態(tài)切換為計數(shù)模式 } break; } } led_show(show_val); //動態(tài)掃描 } } 3.2 交通燈 設計一個基于單片機的交通燈信號控制器。已知東、西、南、北四個方向各有紅黃綠色三個燈，在東西方向有兩個數(shù)碼管，在南北方向也有兩個數(shù)碼管。要求交通燈按照表1進行顯示和定時切換，并要求在數(shù)碼管上分別倒計時顯示東西、南北方向各狀態(tài)的剩余時間。 表1 交通燈的狀態(tài)切換表 南北方向 東西方向 序號 狀態(tài) 序號 狀態(tài) 1 綠燈亮25秒，紅、黃燈滅 1 紅燈亮30秒，綠、黃燈滅 2 黃燈亮5秒，紅、綠燈滅 3 紅燈亮30秒，綠、黃燈滅 2 綠燈亮25秒，紅、黃燈滅 3 黃燈亮25秒，紅、綠燈滅 回到狀態(tài)1 回到狀態(tài)1 3.2.1模塊1:系統(tǒng)設計 （1）任務分析與整體設計思路 試題要求實現(xiàn)的功能主要包括計時功能、動態(tài)掃描以及狀態(tài)的切換等幾部分。 計時功能：要實現(xiàn)計時功能則需要使用定時器來計時，通過設置定時器的初始值來控制溢出中斷的時間間隔，再利用一個變量記錄定時器溢出的次數(shù)，達到定時1秒中的功能。當計時每到1秒鐘后，東西、南北信號燈各狀態(tài)的暫存剩余時間的變量減1。當暫存剩余時間的變量減到0時，切換到下一個狀態(tài)，同時將下一個狀態(tài)的初始的倒計時值裝載到計時變量中。開始下一個狀態(tài)，如此循環(huán)重復執(zhí)行。 動態(tài)掃描：需要使用4個數(shù)碼管分別顯示東西、南北的倒計時數(shù)字，將暫存各狀態(tài)剩余時間的數(shù)字從變量中提取出“十位”和“個位”，用動態(tài)掃描的方式在數(shù)碼管中顯示。 整個程序依據(jù)定時器的溢出數(shù)來計時，每計時1S則相應狀態(tài)的剩余時間減1，一直減到0時觸發(fā)下一個狀態(tài)的開始。 （2）單片機型號及所需外圍器件型號，單片機硬件電路原理圖 圖3-5 交通燈硬件電路原理圖 選用MCS51系列AT89S51單片機作為微控制器，選擇兩個四聯(lián)的共陰極數(shù)碼管組成8位顯示模塊，由于AT89S51單片機驅(qū)動能力有限，采用兩片74HC244實現(xiàn)總線的驅(qū)動，一個74HC244完成共陰極數(shù)碼管位控線的控制和驅(qū)動，另一個74HC244完成數(shù)碼管的7段碼輸出，在7段碼輸出口上各串聯(lián)一個100歐姆的電阻對7段數(shù)碼管限流。用P3口的P3.0-P3.5完成發(fā)光二極管的控制，實現(xiàn)交通燈信號的顯示，每個發(fā)光二極管串聯(lián)500歐姆電阻起限流作用。硬件電路原理圖如圖3-5所示。 （3）程序設計思路，單片機資源分配以及程序流程 ①單片機資源分配 單片機P3口的P3.0-P3.1引腳用作輸出，控制發(fā)光二極管的顯示。在計時模塊中，需要定義兩個數(shù)組變量（init_sn[3]，init_ew[3])來存儲東西、南北兩個方向在不同狀態(tài)中倒計時的初始值，題目中每個方向的交通燈共有3種顯示狀態(tài)，因此數(shù)組元素個數(shù)為3。還需要定義兩個變量( cnt_ sn, cnt_ ew)暫存東西、南北兩個方向的倒計時剩余時間。 在狀態(tài)的切換中，為了明確當前處于哪種狀態(tài)，東西、南北方向各設置一個狀態(tài)變量(state_val_sn, state_val_ew),當?shù)褂嫊r的剩余時間到零時，狀態(tài)變量增1，表示啟動下一個狀態(tài)，當該變量增到3時變?yōu)?，回到序號為1的狀態(tài)。 ②程序設計思路 在設計中，由于沒有鍵盤功能，因此只涉及定時計數(shù)和動態(tài)掃描功能。主程序?qū)⒆兞砍跏蓟? 后，設置單片機定時器和中斷特殊功能寄存器的初始值，將定時器T1的工作方式設置為8位自動 裝載模式，定時器每隔250us產(chǎn)生一次溢出。 在初始化變量與寄存器后，主程序進入一個循環(huán)結(jié)構，在循環(huán)中只做動態(tài)掃描的工作，根據(jù)東西、南北兩向的剩余時時間進行動態(tài)掃描顯示。 計時以及狀態(tài)的切換通過定時器的中斷服務程序來實現(xiàn)，在中斷服務程序中，每計時到一秒時，則各方向當前狀態(tài)的剩余時間減1，一直減到0時觸發(fā)下一個狀態(tài)的開始，改變交通燈的指示。 ③程序流程 圖3-7 交通燈主程序流程圖 圖3-8 中斷服務程序流程圖 （4）軟硬件調(diào)試方案 軟件調(diào)試方案：偉福軟件中，在“文件\新建文件”中，新建C語言源程序文件，編寫相應的程序。在“文件\新建項目”的菜單中，新建項目并將C語言源程序文件包括在項目文件中。 在 “項目\編譯”菜單中將C源文件編譯，檢查語法錯誤及邏輯錯誤。在編譯成功后，產(chǎn)生以 “*.hex”和“*.bin” 后綴的目標文件。 硬件調(diào)試方案：在設計平臺中，將單片機的P3.0-P3.5分別與獨立式鍵盤的相應位通過插線連接起來。 在偉福中將程序文件編譯成目標文件后，運行“MCU下載程序”，選擇相應的flash 數(shù)據(jù)文件，點擊“編程”按鈕，將程序文件下載到單片機的Flash中。 然后，上電重新啟動單片機，檢查所編寫的程序是否達到題目的要求，是否全面完整地完成試題的內(nèi)容。 3.2.2 程序設計（僅供參考的C語言源程序） //晶振：11.0592M T1-250微秒溢出一次 /*變量的定義: show_val_sn,show_val_ew: 顯示的值0-59 state_val_sn,state_val_ew: 狀態(tài)值 南北方向0-綠燈亮;1-黃燈亮;2-紅燈亮 T1_cnt: 定時器計數(shù)溢出數(shù) cnt_sn,cnt_ew: 倒計時的數(shù)值 init_sn[3],init_ew[3] 倒計時 led_seg_code：數(shù)碼管7段碼 */ #include "reg51.h" sbit SN_green=P3^2 ;//南北方向綠燈 sbit SN_yellow=P3^1 ;//南北方向黃燈 sbit SN_red=P3^0 ;//南北方向紅燈 sbit EW_green=P3^5 ;//東西方向綠燈 sbit EW_yellow=P3^4 ;//東西方向黃燈 sbit EW_red=P3^3 ;//東西方向紅燈 unsigned char data cnt_sn,cnt_ew; unsigned int data T1_cnt; unsigned char data state_val_sn,state_val_ew; char code led_seg_code[10]={0x3f,0x06,0x05b,0x04f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f}; char code init_sn[3]={24,4,29}; char code init_ew[3]={29,24,4}; //------------------------ void delay(unsigned int i)//延時 { while(--i); } //------------------------ void led_show(unsigned int u,unsigned int v) { unsigned char i; i=u%10; //暫存?zhèn)€位 P0=led_seg_code[i]; P2=0xbf; delay(100); //延時 i=u%100/10; //暫存十位 P0=led_seg_code[i]; P2=0x7f; delay(100); //延時 i=v%10; //暫存?zhèn)€位 P0=led_seg_code[i]; P2=0xfe; delay(100); //延時 i=v%100/10; //暫存十位 P0=led_seg_code[i]; P2=0xfd; delay(100); //延時 } //------------------------- void timer1() interrupt 3 //T1中斷 { T1_cnt++; if(T1_cnt>3999) //如果計數(shù)>3999, 計時1s { T1_cnt=0; if (cnt_sn!=0) //南北方向計時 { cnt_sn--; } else { state_val_sn++; if (state_val_sn>2) state_val_sn=0; cnt_sn=init_sn[state_val_sn]; switch (state_val_sn) //根據(jù)狀態(tài)值，刷新各信號燈的狀態(tài) { case 0: SN_green=0 ;//南北方向綠燈 SN_yellow=1 ;//南北方向黃燈 SN_red=1 ;//南北方向紅燈 break; case 1: SN_green=1 ;//南北方向綠燈 SN_yellow=0 ;//南北方向黃燈 SN_red=1 ;//南北方向紅燈 break; case 2:SN_green=1 ;//南北方向綠燈 SN_yellow=1 ;//南北方向黃燈 SN_red=0 ;//南北方向紅燈 break; } } if (cnt_ew!=0) //東西方向計時 { cnt_ew--; } else { state_val_ew++; if (state_val_ew>2) state_val_ew=0; cnt_ew=init_ew[state_val_ew]; switch (state_val_ew) //根據(jù)狀態(tài)值，刷新各信號燈的狀態(tài) { case 0: EW_green=1 ;//東西方向綠燈 EW_yellow=1;//東西方向黃燈 EW_red=0 ;//東西方向紅燈 break; case 1: EW_green=0 ;//東西方向綠燈 EW_yellow=1 ;//東西方向黃燈 EW_red=1 ;//東西方向紅燈 break; case 2: EW_green=1 ;//東西方向綠燈 EW_yellow=0 ;//東西方向黃燈 EW_red=1 ;//東西方向紅燈 break; } } } } //------------------------- main() {//初始化各變量 cnt_sn=init_sn[0]; cnt_ew=init_ew[0]; T1_cnt=0; state_val_sn=0; //啟動后，默認工作在序號為1的狀態(tài) state_val_ew=0; //初始化各燈的狀態(tài) SN_green=0 ;//南北方向綠燈亮 SN_yellow=1 ;//南北方向黃燈滅 SN_red=1 ;//南北方向紅燈滅 EW_green=1 ;//東西方向綠燈滅 EW_yellow=1;//東西方向黃燈滅 EW_red=0 ;//東西方向紅燈亮 //初始化51的寄存器 TMOD=0x20;//用T1計時 8位自動裝載定時模式 TH1=0x19;//0x4b; //500微秒溢出一次; 250=(256-x)*12/11.0592 -> x= 230.4 TL1=0x19; EA=1; //開中斷 ET1=1; TR1=1; //開定時器T1 while(1) { led_show(cnt_sn,cnt_ew);}} //主程序結(jié)束 3.3.3 密碼鎖 單片機控制的密碼鎖設計。AT89S52單片機P1引腳外接獨立式按鍵S1-S8，分別代表數(shù)字鍵0-5、確定鍵、取消鍵。單片機從P3.0-P3.3輸出4個信號，分別為1個電磁開鎖驅(qū)動信號和密碼錯誤指示、報警輸出、已開鎖指示信號，分別用發(fā)光二極管L1-L4指示。P3.4接一有源蜂鳴器，用于實現(xiàn)提示音。 基本要求： （1）初始密碼為123450，輸完后按確定鍵開鎖，取消鍵清除所有輸入，每次按鍵有短“滴”聲按鍵提示音。 （2）密碼輸入正確后，輸出一個電磁鎖開鎖信號與已開鎖信號，并發(fā)出兩聲短“滴”聲提示。4秒后開鎖信號與已開鎖指示清零。 （3）密碼輸入錯誤時，發(fā)出一聲長“滴”聲錯誤指示提示音，并密碼錯誤指示燈亮，三次密碼錯誤時，發(fā)出長鳴聲報警，并密碼錯誤指示燈亮，報警指示燈亮，此后15秒內(nèi)無法再次輸入密碼，15秒過后，清除所有報警和指示。 （4）5秒內(nèi)無任何操作后，清除所有輸入內(nèi)容，等待下次輸入。 3.3.1模塊1 系統(tǒng)設計 （1）分析任務要求。寫出系統(tǒng)整體設計思路 根據(jù)題目的要求，需要考慮如下幾個任務：按鍵的輸入，密碼的判斷，密碼輸入正確或錯誤的計時、輸出信號的控制等。 鍵盤的輸入：由于需要輸入6個數(shù)字作為密碼，先要判斷按鍵時數(shù)字鍵還是功能鍵，若判斷為數(shù)字鍵按下，則需要將每次鍵盤的輸入內(nèi)容依次暫存在一個數(shù)組中。在每次按鍵輸入時，需要啟動定時器實現(xiàn)待機計時（5秒）。若5秒內(nèi)沒有輸入內(nèi)容則清除已輸入的內(nèi)容。 密碼的判斷和計時：在按下確認鍵之后，要將輸入的內(nèi)容與初始密碼核對，如果密碼正確，輸出相應的指示，同時還要啟動定時器實現(xiàn)4s的計時。如果密碼錯誤，錯誤計數(shù)變量增1，同時輸出密碼指示信號，若錯誤次數(shù)超過3s，則輸出報警等信號，同時啟動定時器實現(xiàn)15秒的計時。 輸出信號的控制主要根據(jù)按鍵輸入與密碼的核對情況來決定。 整體程序設計思想： 程序分為主程序和中斷服務程序兩個主要部分，主程序完成變量和單片機特殊功能寄存器的初始化后，進入一個循環(huán)結(jié)構。在循環(huán)中，首先判斷有無按鍵按下，若有按鍵則判斷是否數(shù)字鍵還是功能鍵，根據(jù)按鍵的情況執(zhí)行相應的功能。然后根據(jù)密碼是否正確的判斷情況，執(zhí)行相應的操作。循環(huán)中最后將需要顯示的內(nèi)容通過動態(tài)掃描在數(shù)碼管上顯示。 中斷服務程序只要實現(xiàn)三個狀態(tài)的計時，待機時需要計時5秒，密碼正確需要計時5s，密碼3次輸入錯誤需要計時15秒。當前處于何種計時，由主程序根據(jù)密碼判斷結(jié)果來決定。 （2）選擇單片機型號和所需外圍器件型號，設計單片機硬件電路原理圖 采用MCS51系列單片機At89S51作為主控制器，外圍電路器件包括數(shù)碼管驅(qū)動、蜂鳴器的輸出驅(qū)動、獨立式鍵盤以及發(fā)光二極管的輸出等。 數(shù)碼管驅(qū)動采用2個四聯(lián)共陰極數(shù)碼管顯示，由于單片機驅(qū)動能力有限，采用74HC244作為數(shù)碼管的驅(qū)動。在74HC244的7段碼輸出線上串聯(lián)100歐姆電阻起限流作用。 蜂鳴器的驅(qū)動采用PNP三極管8550來驅(qū)動，低電平有效。 獨立式按鍵使用上提拉電路連接，在沒有鍵按下時，輸出高電平。發(fā)光二極管串聯(lián)500歐姆電阻再接到電源上，當輸入為低電平時，發(fā)光二極管導通發(fā)光。 硬件電路原理圖如圖3-9所示。 圖3-9 密碼鎖電路原理圖 （3）分析軟件任務要求，寫出程序設計思路，分配單片機內(nèi)部資源，畫出程序流程圖 軟件任務要求主要包括按鍵掃描、密碼判斷、動態(tài)掃描輸入的內(nèi)容、計時、指示信號輸出以及蜂鳴器提示音的輸出等。主程序主要完成變量與寄存器的初始化、按鍵的掃描與判斷、密碼的判斷以及數(shù)碼管動態(tài)掃描顯示等。主程序流程圖如圖3-10所示。 圖3-10 密碼鎖的主程序流程圖 中斷服務程序主要完成三種定時的計時工作，包括①按鍵之后啟動的待機計時，當待機超過5s則清除已輸入的內(nèi)容。②密碼輸入正確之后的計時，4s之后清除開鎖驅(qū)動信號與已開鎖指示信號。 ③密碼輸入錯誤3次的計時，計時15s,在則15s內(nèi)無法再次輸入密碼，15秒過后清除所有報警與指示。中斷服務程序流程圖如圖3-11所示。 圖3-11 密碼鎖中斷服務程序流程圖 單片機資源的分配與變量的定義： 密碼的輸入與判斷需要定義4個變量。原始密碼存儲在數(shù)組init_val[6]中。鍵盤輸入的密碼存儲在數(shù)據(jù)show_val[6]中，變量 key_index的值表示當前按鍵是六位密碼中的哪一位，每輸入一個密碼數(shù)字該變量增一。密碼輸入錯誤的次數(shù)暫存在變量error_num中。 計時功能需要5個變量。模式變量cnt_state存儲計時屬于什么狀態(tài)，0表示待機計時，1表示密碼正確的計時，2表示密碼錯誤3次的計時。三個變量（cnt_val_15s,cnt_val_5s, cnt_val_4s）分別實現(xiàn)待機、密碼正確和密碼錯誤3次后的計時工作。定時器T1每250ms產(chǎn)生一次中斷，變量T1_cnt記錄定時器溢出中斷的次數(shù)，當記錄到4000時表示計時1秒。 （4）設計系統(tǒng)軟件調(diào)試方案、硬件調(diào)試方案及軟硬件聯(lián)合調(diào)試方案 軟件調(diào)試方案：偉福軟件中，在“文件\新建文件”中，新建C語言源程序文件，編寫相應的程序。在“文件\新建項目”的菜單中，新建項目并將C語言源程序文件包括在項目文件中。 在 “項目\編譯”菜單中將C源文件編譯，檢查語法錯誤及邏輯錯誤。在編譯成功后，產(chǎn)生以 “*.hex”和“*.bin” 后綴的目標文件。 硬件調(diào)試方案：在設計平臺中，將單片機的P1.0-P1.7分別與8個獨立式鍵盤通過插線連接起來，將P3.0-P3.3分別與4個發(fā)光二極管連接起來，P3.4與蜂鳴器的輸入連接起來。 在偉福中將程序文件編譯成目標文件后，將下載線安裝在實驗平臺的下載線接口上，運行“MCU下載程序”，選擇相應的flash 數(shù)據(jù)文件，點擊“編程”按鈕，將程序文件下載到單片機的Flash中。 然后，上電重新啟動單片機，檢查所編寫的程序是否達到題目的要求，是否全面完整地完成試題的內(nèi)容。 3.3.2 程序設計 //晶振11.0592MHz，T1每250微秒中斷，按鍵P1.0-P1.7，發(fā)光二極管接P3.0-P3.3，p3.4 /*變量的定義: show_val[6]: 顯示的值 init_val[6]: 密碼初始值 key_val: 返回按鍵的值 255-表示無按鍵按下 key_index: 當前按鍵是哪一位密碼 T1_cnt: 定時器計數(shù)溢出數(shù) cnt_val_15s: 報警計時的數(shù)值 cnt_val_5s: 待機時間計時 cnt_val_4s: 輸入正確，等待4秒清除開鎖信號 cnt_state: 計時狀態(tài) error_num: 錯誤次數(shù) led_seg_code：數(shù)碼管7段碼 */ #include "reg51.h" /*說明key0=P1^0; key1=P1^1;key2=P1^2; key3=P1^3;key4=P1^4;key5=P1^5;enter=P1^6;esc=P1^7;*/ sbit relay_open=P3^0; //電磁鎖開鎖驅(qū)動 sbit pw_error=P3^1; //密碼錯誤信號 sbit alarm_out=P3^2; //報警輸出 sbit open_lock=P3^3; //已開鎖指示信號 sbit audio_out=P3^4; //有源蜂鳴器 unsigned char data cnt_val_15s,cnt_val_5s,cnt_val_4s,cnt_state; unsigned int data T1_cnt; unsigned char data key_val,key_index,key_val_old; unsigned char data state_val,error_num; unsigned char data show_val[6]; char code init_val[6]={1,2,3,4,5,0}; char code led_seg_code[11]={0x3f,0x06,0x05b,0x04f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f,0x00}; //led_seg_code[0-9]代表0-9 led_seg_code[10]=0x00數(shù)碼管不顯示任何內(nèi)容 //--------延時程序---------------- void delay(unsigned int i)//延時 { while(--i); } //--------清除輸入內(nèi)容---------- void init_variant() {unsigned char i; for(i=0;i<6;i++) show_val[i]=10; //led_seg_code[10]=0x00表示數(shù)碼管不顯示任何內(nèi)容 key_index=0; //沒有任何輸入或清除所有輸入時，保存當前鍵的位置 } //---------按鍵掃描--------------- unsigned char scan_key() { unsigned char i,k; i=P1; if (i==0xff && cnt_state!=2) { k=255; } //無鍵按下 else //有鍵按下 { delay(500); //延時去抖動 if(i!=P1) {k=255;} else { TR1=1; //有鍵按下則開定時器，啟動待機計時 cnt_val_5s=0; switch (i) { case 0xfe: k=0; break; case 0xfd: k=1; break; case 0xfb: k=2; break; case 0xf7: k=3; break; case 0xef: k=4; break; case 0xdf: k=5; break; case 0xbf: k=6; break; case 0x7f: k=7; break; } } } return k; } //---------數(shù)碼管顯示--------------- void led_show() {P0=led_seg_code[show_val[0]]; P2=0xdf; delay(500); P0=led_seg_code[show_val[1]]; P2=0xef; delay(500); P0=led_seg_code[show_val[2]]; P2=0xf7; delay(500); P0=led_seg_code[show_val[3]]; P2=0xfb; delay(500); P0=led_seg_code[show_val[4]]; P2=0xfd; delay(500); P0=led_seg_code[show_val[5]]; P2=0xfe; delay(500); } //--------定時器T1中斷服務程序----------------- void timer1() interrupt 3 //T1中斷 { T1_cnt++; if(T1_cnt>3999) //如果計數(shù)>3999, 計時1s { T1_cnt=0; switch (cnt_state) { case 0: //待機，需要計時5s if(cnt_val_5s<5) { cnt_val_5s++;} else { cnt_val_5s=0; init_variant();//待機計時到5秒時，清除輸入的內(nèi)容 TR1=0; //停止計時 } break; case 1://密碼輸入正確，需要計時4s if(cnt_val_4s<4) { cnt_val_4s++;} else { cnt_val_4s=0; init_variant();//密碼輸入正確，計時到4秒時，清除輸入的內(nèi)容 open_lock=1; //已開鎖信號清零 relay_open=1; //開鎖信號清零 cnt_state=0; TR1=0; //停止計時 } break; case 2: //密碼輸入錯誤3次，計時15s if(cnt_val_15s<15) { cnt_val_15s++;} else { cnt_val_15s=0; init_variant();//三次密碼錯誤時，計時15秒，清除輸入的內(nèi)容 open_lock=1; // 清除所有指示和報警 relay_open=1; alarm_out=1; pw_error=1; cnt_state=0; TR1=0; //停止計時 } break; } } } //--------判斷鍵盤輸入內(nèi)容與密碼是否一致------ unsigned char check_input_pw() { unsigned char i,k; k=1; for(i=0;i<6;i++) { k=k && (show_val[i]==init_val[i]); } return k; } //---------主程序---------------- main() { //初始化各變量 audio_out=1; P3=0xff; cnt_val_15s=0; cnt_val_5s=0; cnt_val_4s=0; cnt_state=0; //0-待機計時5s狀態(tài);1-密碼正確，計時4s狀態(tài) ;2-三次密碼錯誤，處于計時15秒狀態(tài)。 T1_cnt=0; error_num=0; key_val_old=255; init_variant(); //初始化51的寄存器 TMOD=0x20; //用T1計時 8位自動裝載定時模式 TH1=0x19; //500微秒溢出一次; 250=(256-x)*12/11.0592 -> x=19 TL1=0x19; EA=1; //開中斷 ET1=1; TR1=0; //開定時器T1 while(1) { key_val=scan_key(); //按鍵輸入，有鍵按下key_val為0-7，無鍵按下key_val為255。 if (key_val!=key_val_old) { key_val_old=key_val; if (key_val!=255&& cnt_state!=2) { audio_out=0; delay(100); //延時去抖動 audio_out=1; switch (key_val) { case 0: case 1: case 2: case 3: case 4: case 5: if(key_index<6) //密碼為6位，超過6位視為輸入無效 { show_val[key_index]=key_val; key_index++; } break; case 6: //確認鍵 if(check_input_pw()) {//密碼正確 error_num=0; //密碼輸入錯誤次數(shù)清零 //--------- pw_error=1; //密碼錯誤指示燈滅 relay_open=0; //開鎖驅(qū)動信號燈亮 open_lock=0; //已開鎖信號燈亮 //--------- delay(50000); //兩聲短“滴”聲 audio_out=0;