02-51单片机数码管与矩阵键盘

一、数码管模块

1.数码管介绍

如图所示为一个数码管的结构图：

• 说明：
  1. 数码管上下各有五个引脚，其中上下中间的两个引脚是联通的，一般为数码管的公共端，分为共阴极或共阳极；
  2. 其它八个引脚分别对应八个二极管，从 a ~ g 包括右下角的点，每个二极管与就近的引脚一一对应。

2.单片机数码管电路图

2.1数码管电路图

• 说明：
  1. 如图所示的电路图，可以看到使用的是两个四位一体的共阴极数码管，八个数码管的段选全部并联一起引出，每个数码管一个位选公共端；
  2. 在通过数码管显示数字的时候，先要确定通过哪个数码管显示数字，将其公共端赋为 0 ，其它数码管公共端赋为 1 ，即为共阴极。然后将指定段 0 ~ 7 赋值 0（熄灭） 1（点亮），以此显示相应的数字；

2.2 74HC138译码器

• 为了节约 MCU 的 IO 口，这里用到了译码器：

• 说明：
  1. 这是一个三通道输入，八通道输出的译码器，其中 P22 - P24 是对应的单片机上的 I/O 口，一共三个；
  2. Y0 - Y7 对应的是 LED1 - LED8 八个数码管的公共端，字母上面都有一个横线，低电平有效，因此可以推测这里的数码管共阴极。计算机里三位二进制对应一位八进制，三位二进制范围：000 ~ 111，转换为八进制就是 0 ~ 7，正好 8 个数字，对应八个数码管公共端，这样既可以实现通过三个引脚，控制八个数码管公共端信号了；
  3. G1、G2A、G2B和 GND 为使能端，字母上面有横线的默认是低电平有效。

2.3 74HC245驱动芯片

• 说明
  1. 74HC245 是一种三态输出、八路信号收发器，主要应用于大屏显示，以及其它的消费类电子产品中增加驱动；
  2. 它具有双向输出功能，即 DIR 方向控制，当 DIR=1 时，由 A 到 B，等于 0 时，由 B 到 A，因为这里是给数码管供电，即 A 为输入端，B为输出端，因此直接将 DIR 接 VCC，输出使能 OE 接 GND。

3.数码管实验

3.1指定数码管显示指定数值

• 代码演示

#include <REGX52.H>// 定义一个数组，存放0~9的数值编码
unsigned char Nums[] = {0x3F,0x06,0x5B,0x4F,0x66,0x6D,0x7D,0x07,0x7F,0x6F};
void Nixie(unsigned char LEDNum, ShowNum)
{// 选择点亮哪个LEDswitch(LEDNum){case 1:P2_4=0;P2_3=0;P2_2=0;break;case 2:P2_4=0;P2_3=0;P2_2=1;break;case 3:P2_4=0;P2_3=1;P2_2=0;break;case 4:P2_4=0;P2_3=1;P2_2=1;break;case 5:P2_4=1;P2_3=0;P2_2=0;break;case 6:P2_4=1;P2_3=0;P2_2=1;break;case 7:P2_4=1;P2_3=1;P2_2=0;break;case 8:P2_4=1;P2_3=1;P2_2=1;break;}P0 = Nums[ShowNum];
}void main()
{Nixie(7, 4);while(1);
}

• 说明：
  1. 上面演示的结果：使用 LED7 显示数字4，可以指定使用哪个数码管显示指定数值；
  2. 将 0 ~ 9数字的段码数据存放到一个数组中，函数调用时传入对应的数字的下标索引，取出要显示数字的段码数据。断码数据对照数码管电路图计算，a ~ dp 分别对应八位二进制的低位到高位，想让数码管哪个 LED 亮，就将对应二进制位赋 1 就行；
  3. 通过 switch 语句确定要使用哪一个数码管显示数字。

3.2数码管动态显示

• 代码演示

#include <REGX52.H>
#include <INTRINS.H>// 定义一个数组，存放0~9的数值编码
unsigned char Nums[] = {0x3F,0x06,0x5B,0x4F,0x66,0x6D,0x7D,0x07,0x7F,0x6F};void Delayxms(unsigned int xms)		//@12.000MHz
{unsigned char i, j;while(xms){i = 2;j = 239;do{while (--j);} while (--i);xms--;}
}void Nixie(unsigned char LEDNum, ShowNum)
{// 选择点亮哪个LEDswitch(LEDNum){case 1:P2_4=0;P2_3=0;P2_2=0;break;case 2:P2_4=0;P2_3=0;P2_2=1;break;case 3:P2_4=0;P2_3=1;P2_2=0;break;case 4:P2_4=0;P2_3=1;P2_2=1;break;case 5:P2_4=1;P2_3=0;P2_2=0;break;case 6:P2_4=1;P2_3=0;P2_2=1;break;case 7:P2_4=1;P2_3=1;P2_2=0;break;case 8:P2_4=1;P2_3=1;P2_2=1;break;}P0 = Nums[ShowNum];// 用于消影Delayxms(1);P0=0x00;
}void main()
{while(1){Nixie(8, 1);// Delayxms(20);Nixie(7, 2);// Delayxms(20);Nixie(6, 3);// Delayxms(20);}
}

• 说明：
  1. 代码演示结果，在 LED8 LED7 LED6 分别显示连续数字 123；
  2. 这里只不过在 while 循环里不断调用函数，在三个数码管快速切换显示数字，利用人眼的余晖效应，类似于多进程的并发。人眼反应不过来，因此看起来是显示了一个连续的数字，实际上是在三个数码管之间快速切换显示；
  3. 显示过程中会有一个问题，就是调用函数的时候，先位选再段选，接着执行下一个函数，调用时也是先位选再段选，但是由于切换太快，切换到下一个位选的时候，下一个段选还没执行到，结果执行了上一个的段选，就导致显示的数值有重影，需要进行消影；
  4. 消影就在每次函数执行的最后，将该位段的段码数据全部置 0 ；
  5. 上面的实现原理是通过单片机的快速扫描实现的，比较消耗单片机的 CPU 资源。

二、LCD1602调试工具

1.LCD1602介绍

这里就是一个微型的显示屏，规格为 2 × 16 ，可以显示两行，每行最多显示 16 个字符。

我们在编写C语言代码的时候，会经常用到 printf 第三方库函数，将运行的结果打印到终端屏幕上，以进行相关的调试工作。在使用单片机的时候，我们也需要查看调试信息，就可以通过这样一块屏幕，然后写好想要的功能函数，通过头文件包含调用，达到输出显示的效果。

2.LCD1602 + 模块化编程

2.1延时函数模块化

模块化编程属于C语言阶段的基础，我在C语言里面有一篇博客专门讲了多文件编程，也就是模块化编程。

• Delay.c（这里的文件名自己随便取，但需要见名知意）

#include <INTRINS.H>void Delayxms(unsigned int xms)		//@12.000MHz
{unsigned char i, j;while(xms){i = 2;j = 239;do{while (--j);} while (--i);xms--;}
}

• Delay.h（头文件名最好与功能文件名相同，只是后缀不相同）

#ifndef __DELAY_H__
#define __DELAY_H__void Delayxms(unsigned int xms);#endif

2.2第三方函数介绍

本笔记是基于B站江科大51单片机视频学习，LCD1602具体的用法还未学习，因此使用江科大提供的模块化功能函数来实现，具体文件的获取，在江科大的网址。

获取文件后，直接将一个.c文件和一个头文件拷贝到和当前项目 main 文件同级目录下，在 main 文件里面包含头文件即可使用。

• 函数介绍

函数	作用
LCD_Init();	初始化
LCD_ShowChar(1,1,‘A’);	显示一个字符（行数，列数，显示的字符）
LCD_ShowString(1,3,“Hello”);	显示字符串（行数，列数，显示的字符串）
LCD_ShowNum(1,9,123,3);	显示无符号十进制数字（行数，列数，显示的数值，数值位数）
LCD_ShowSignedNum(1,13,-66,2);	显示有符号十进制数字（行数，列数，显示的数值，数值位数）
LCD_ShowHexNum(2,1,0xA8,2);	显示十六进制数字（行数，列数，显示的数值，数值位数）
LCD_ShowBinNum(2,4,0xAA,8);	显示二进制数字（行数，列数，显示的数值，数值位数）

2.3LCD1602函数演示

• 代码演示

#include "Delay.h"
#include "LCD1602.h"void main()
{unsigned int num = 0; // 局部变量的定义要放在函数第一行// 记得初始化LCD_Init();
//	LCD_ShowChar(1,1,'A'); // 打印字符 A
//	LCD_ShowString(1,1,"hello world!"); // 打印字符串 hello world!
//	LCD_ShowNum(1,1,123,3); // 打印数值 123
//	LCD_ShowSignedNum(1,1,-66,2); // 打印数值 -66
//	LCD_ShowHexNum(1,1,0xA8,2); // 打印十六进制数 A8
//	LCD_ShowBinNum(1,1,0xAA,8); // 打印二进制数 1010 1010// 显示数值以秒递增while(num < 1000){LCD_ShowNum(1,1,num,3);Delayxms(1000);num++;}while(1);
}

• 说明：
  1. 上面分别调试了一下，LCD1602相应的函数；
  2. 后面做了一个计时器，从0开始以秒为单位递增到最大 999。

三、矩阵键盘

1.矩阵键盘介绍

1.1矩阵键盘实物介绍

• 介绍：
  1. 如图所示，为一个 4×4 的矩阵键盘，可以通过8个 I/O 口控制16个按键；
  2. 一个独立按键，就需要分配一个 I/O 口，但如果按键很多时，还这样分配，比较浪费资源，因此将按键按照行列分布，这样只需要使用行数 + 列数个 I/O 口就可以操作多个按键；
  3. 矩阵键盘获取按键状态的原理和独立按键一样，即将公共端设为低电平，I/O 口读到数据为 0 代表按下，为 1 代表松开。

1.2矩阵键盘电路图

• 说明：
  1. 矩阵键盘原理图如图所示，可以看到，这里将16个按键，通过8个 I/O 口控制；
  2. 单独看第一行，就和前面学习的独立按键一样，P17 为公共端，将公共端设置低电平，P10 - P13 就相当于段选端，控制S1 - S4四个按键，谁传回 I/O 的数据为 0 ，就能判断谁按下了。然后，去逐行扫描，就能分别读取每个按键的状态，因为扫描速度非常块，因此我们人在操作的过程中感觉每个按键都是实时判断的一样，本质上是同一时间只能判断一行或者一列；
  3. 上面将每行作为公共端，也可以将每列作为公共端，因此就分为行刷新和列刷新两种方式，为了防止 I/O 口干扰其它模块，这里选择使用列刷新的方式进行实验。

2.矩阵键盘 + LCD1602案例

2.1按下按键显示数值

这里采用模块化编程，各个文件的代码演示如下：

• MatrixKey.c

#include <REGX52.H>
#include "Delay.h"unsigned char MatrixKey()
{// 定义变量，用于保存按下按键对应的数值unsigned char num=0;// 将公共端初始化，全部置于高电平P1=0xFF;P1_3=0; // 将当前要扫描的列公共端置于低电平if(P1_7==0){Delayxms(20);while(P1_7==0);Delayxms(20);num=1;}if(P1_6==0){Delayxms(20);while(P1_6==0);Delayxms(20);num=5;}if(P1_5==0){Delayxms(20);while(P1_5==0);Delayxms(20);num=9;}if(P1_4==0){Delayxms(20);while(P1_4==0);Delayxms(20);num=13;}P1=0xFF;P1_2=0;if(P1_7==0){Delayxms(20);while(P1_7==0);Delayxms(20);num=2;}if(P1_6==0){Delayxms(20);while(P1_6==0);Delayxms(20);num=6;}if(P1_5==0){Delayxms(20);while(P1_5==0);Delayxms(20);num=10;}if(P1_4==0){Delayxms(20);while(P1_4==0);Delayxms(20);num=14;}P1=0xFF;P1_1=0;if(P1_7==0){Delayxms(20);while(P1_7==0);Delayxms(20);num=3;}if(P1_6==0){Delayxms(20);while(P1_6==0);Delayxms(20);num=7;}if(P1_5==0){Delayxms(20);while(P1_5==0);Delayxms(20);num=11;}if(P1_4==0){Delayxms(20);while(P1_4==0);Delayxms(20);num=15;}P1=0xFF;P1_0=0;if(P1_7==0){Delayxms(20);while(P1_7==0);Delayxms(20);num=4;}if(P1_6==0){Delayxms(20);while(P1_6==0);Delayxms(20);num=8;}if(P1_5==0){Delayxms(20);while(P1_5==0);Delayxms(20);num=12;}if(P1_4==0){Delayxms(20);while(P1_4==0);Delayxms(20);num=16;}// 将结果返回return num;
}

• MatrixKey.h

#ifndef __MATRIXKEY_H__
#define __MATRIXKEY_H__unsigned char MatrixKey();#endif

• main.c

#include "Delay.h"
#include "LCD1602.h"
#include "MatrixKey.h"void main()
{	// 51单片机里局部变量必须放在函数的首行unsigned char KeyNum=0;LCD_Init();LCD_ShowString(1, 1, "MatrixKey");while(1){KeyNum=MatrixKey();// 加判断是为了防止被 0 刷新掉。显示不出来if(KeyNum){LCD_ShowNum(2, 1, KeyNum, 2);}}
}

• 说明：
  1. 上面代码演示效果为：按下矩阵键盘的按键，在LCD1602屏幕上显示对应的数值，如：按下 S12 会在键盘上显示12；
  2. 这里采用的是列刷新的方式，即将 P10 - P13 作为每一列的公共端，先将公共端整体初始化为高电平，然后将当前要扫描的列的公共端置低电平，去判断这一列的四个按键的回馈信号是 0 还是 1 ，为 0 则将变量 num 赋值为按键对应的数值，然后将结果作为函数返回值返回即可，如果没有按键按下，返回的就是默认值0。再继续去扫描下一列，如此循环；
  3. 主函数里只需要不停调用矩阵键盘扫描函数即可，如果函数返回值为 0 ，不调用函数显示，如果非 0 ，则调用函数显示。加 if 判断的原因就是防止结果被 0 刷新，因为程序执行很快，这边刚获取返回值，刚打印到屏幕，函数又执行了几遍，返回 0 ，将 0 赋值给了 KeyNum ，打印 KeyNum 的值，这样上一次运行的结果还没看清，就被 0 刷新了。

2.2矩阵键盘密码锁

• 代码演示

#include "Delay.h"
#include "LCD1602.h"
#include "MatrixKey.h"unsigned char KeyNum; // 获取键盘数值
unsigned int Password, count; // 存储密码，count用于计算输入数值个数void main()
{	LCD_Init();LCD_ShowString(1, 1, "Password:");while(1){KeyNum=MatrixKey();// 如果键盘扫描的返回值非 0 才执行相应的代码if(KeyNum){if(KeyNum<=10){if(count<4){Password*=10;Password+=(KeyNum%10);}count++;LCD_ShowNum(1, 10, Password, 4);}if(KeyNum==11){if(Password==1234){// 字符串后面的空格是防止上一次结果的干扰，因此通过空格刷新掉LCD_ShowString(2, 1, "Hello Boss!!!   ");Password=0;count=0;LCD_ShowNum(1, 10, Password, 4);}else{LCD_ShowString(2, 1, "Password Error! ");Password=0;count=0;LCD_ShowNum(1, 10, Password, 4);}}if(KeyNum==12){Password=0;count=0;LCD_ShowNum(1, 10, Password, 4);// 16个空格，将提示栏全部刷新为空LCD_ShowString(2, 1, "                ");}}}
}

• 说明：
  1. 运行效果：输入正确的四位数密码，会打印：Hello Boss!!! ，密码输入错误会打印：Password Error!。最多输入四位，如果已经输入了四位，再输入无效，每次输入完密码按下确认键显示密码正确与否的同时，密码全部恢复为 0000，按取消密码全部恢复为 0000 ，可以再重新输入；
  2. 将键盘 S1 - S10 作为数字键，分别代表 1 - 9 和 0，但是键盘扫描函数的返回值为 0 的话，那么就不会进来执行相关代码了，因此这里的 0 需要通过算法来获得。即用返回值对 10 取余，1 - 9 对 10 取余还是 1 - 9，10 对 10 取余就是0；
  3. 但是屏幕显示的数值是四位数密码，前面键盘按下输出数值的时候，都是后一个会把前一个数值刷新掉。那这里需要实现四位数显示也需要简单的算法，通过一个变量 Password 专门用于存放密码，（注意：Password变量要用无符号 int ，因为无符号 char 最大只能是 255，用 char 变量会越界），Password 初始值为0，对其先乘 10 再加上按键输入值，如此循环，每次对上一次的 Password 值乘10，加上下一次返回值的数值，就能实现多位密码；
  4. 为了限制最多输入四个数值，定义 count 变量用于记录按键输入次数，每输入一次，count + 1，通过条件判断最多输入 4 次，超过四次，不会再执行 Password 赋值操作；
  5. 将 S11 和 S12 作为确认键和取消键，条件判断函数返回值为 11，执行确认键的功能：如果输入的密码正确，则打印 Hello Boss!!! ，同时将 Password 和 count 设置回初始化值0，并且将密码显示为 0000 ，以便下次运行使用。字符串后面的空格是为了将上一次运行的结果刷新掉，保证屏幕只有我们需要显示的结果。如果密码错误，打印 Password Error! ，同样将密码变量和计数变量设为初始值，屏幕显示为 0000；
  6. 条件判断返回值为 12，则执行取消功能，同样将密码变量和计数变量设为初始值，屏幕密码显示为 0000，提示行全部清空。
     上一次的 Password 值乘10，加上下一次返回值的数值，就能实现多位密码；
  7. 为了限制最多输入四个数值，定义 count 变量用于记录按键输入次数，每输入一次，count + 1，通过条件判断最多输入 4 次，超过四次，不会再执行 Password 赋值操作；
  8. 将 S11 和 S12 作为确认键和取消键，条件判断函数返回值为 11，执行确认键的功能：如果输入的密码正确，则打印 Hello Boss!!! ，同时将 Password 和 count 设置回初始化值0，并且将密码显示为 0000 ，以便下次运行使用。字符串后面的空格是为了将上一次运行的结果刷新掉，保证屏幕只有我们需要显示的结果。如果密码错误，打印 Password Error! ，同样将密码变量和计数变量设为初始值，屏幕显示为 0000；
  9. 条件判断返回值为 12，则执行取消功能，同样将密码变量和计数变量设为初始值，屏幕密码显示为 0000，提示行全部清空。