51单片机从入门到精通：理论与实践指南综合应用——实战篇（九）

追逐梦想的路上没有捷径

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电子密码锁（液晶、矩阵键盘的综合应用）

[1 电子密码锁简介](#1 电子密码锁简介)

[2 电子密码锁的实现](#2 电子密码锁的实现)

[1 硬件接线及编程思路和技巧](#1 硬件接线及编程思路和技巧)

[2 程序代码示例及讲析](#2 程序代码示例及讲析)

编程思路详解

[1. 初始化 LCD 和矩阵键盘](#1. 初始化 LCD 和矩阵键盘)

[2. 创建一个主循环来不断扫描矩阵键盘的状态](#2. 创建一个主循环来不断扫描矩阵键盘的状态)

[3. 当检测到按键按下时，更新 LCD 显示的内容，并将按键值添加到输入缓冲区](#3. 当检测到按键按下时，更新 LCD 显示的内容，并将按键值添加到输入缓冲区)

[4. 如果用户完成了整个密码输入，则比较输入的密码与预设密码](#4. 如果用户完成了整个密码输入，则比较输入的密码与预设密码)

[5. 根据匹配结果执行相应的动作（开锁或保持锁定状态）](#5. 根据匹配结果执行相应的动作（开锁或保持锁定状态）)

[6. 提供反馈给用户，例如成功或失败的消息](#6. 提供反馈给用户，例如成功或失败的消息)

[3 典型训练任务](#3 典型训练任务)

[任务一增设控制键](#任务一增设控制键)

[任务二自动点焊机控制系统的实现](#任务二自动点焊机控制系统的实现)

设计思路

[1. 用户界面与密码验证](#1. 用户界面与密码验证)

[2. 设置菜单与参数配置](#2. 设置菜单与参数配置)

[3. 再次密码验证](#3. 再次密码验证)

[4. 焊接过程监控](#4. 焊接过程监控)

[5. 数据记录与分析](#5. 数据记录与分析)

总结

电子密码锁（液晶、矩阵键盘的综合应用）

1 电子密码锁简介

电子密码锁是一种基于数字或字符序列进行身份验证的安全设备。它广泛应用于各种场合，如家庭门禁、办公室安全系统、保险箱等。与传统的机械锁相比，电子密码锁提供了更高的灵活性和安全性，因为它允许用户自定义密码，并且易于修改。

电子密码锁的核心在于其输入机制（通常为矩阵键盘）和显示界面（如LCD），以及内部的微控制器用于处理输入、验证密码并控制锁的状态。此外，还可以集成其他功能，比如时间戳记录、多次错误尝试后的锁定机制等，以增强系统的安全性和功能性。

2 电子密码锁的实现

1 硬件接线及编程思路和技巧

硬件组件选择

微控制器：Arduino Uno 或者更高级别的开发板（如 STM32）
矩阵键盘：4x4 键盘模块，提供16个按键
LCD 显示器：1602 或 2004 液晶显示器，支持文本显示

硬件接线

对于 Arduino Uno：

矩阵键盘 ：
- 行引脚 (R1-R4) 连接到 Arduino 的 D2-D5 引脚。
- 列引脚 (C1-C4) 连接到 Arduino 的 D6-D9 引脚。
LCD 显示器 ：
- RS, E, D4-D7 分别连接到 Arduino 的 D10-D14 引脚。
- VSS 接地，VDD 接 +5V，VEE 通过电位器接地，RW 接地，LED+ 接 +5V，LED- 接限流电阻后接地。

编程思路

初始化 LCD 和矩阵键盘。
创建一个主循环来不断扫描矩阵键盘的状态。
当检测到按键按下时，更新 LCD 显示的内容，并将按键值添加到输入缓冲区。
如果用户完成了整个密码输入，则比较输入的密码与预设密码。
根据匹配结果执行相应的动作（开锁或保持锁定状态）。
提供反馈给用户，例如成功或失败的消息。

2 程序代码示例及讲析

#include <Keypad.h> // 引入矩阵键盘库
#include <LiquidCrystal.h> // 引入LCD库

// 定义LCD使用的引脚
const int rs = 10, en = 11, d4 = 12, d5 = 13, d6 = 14, d7 = 15;
LiquidCrystal lcd(rs, en, d4, d5, d6, d7);

// 定义矩阵键盘行和列引脚
const byte ROWS = 4; // 四行
const byte COLS = 4; // 四列
char keys[ROWS][COLS] = {
  {'1','2','3','A'},
  {'4','5','6','B'},
  {'7','8','9','C'},
  {'*','0','#','D'}
};
byte rowPins[ROWS] = {2, 3, 4, 5}; // 行引脚
byte colPins[COLS] = {6, 7, 8, 9}; // 列引脚
Keypad keypad = Keypad(makeKeymap(keys), rowPins, colPins, ROWS, COLS);

// 预设密码
const String password = "1234";
String inputPassword = "";

void setup() {
  Serial.begin(9600);
  lcd.begin(16, 2); // 初始化LCD
  lcd.print("Enter Password:");
}

void loop() {
  char key = keypad.getKey(); // 获取按下的键值
  
  if (key) {
    Serial.println(key);
    
    if (key == '#') { // 用户完成输入
      checkPassword();
    } else if (key == '*') { // 清除当前输入
      inputPassword = "";
      lcd.clear();
      lcd.print("Enter Password:");
    } else {
      inputPassword += key;
      lcd.setCursor(inputPassword.length()-1, 1);
      lcd.print("*"); // 显示星号代替实际输入字符
    }
  }
}

void checkPassword() {
  lcd.clear();
  if (inputPassword == password) {
    lcd.print("Access Granted");
    // 这里可以添加解锁的动作，比如打开继电器等
  } else {
    lcd.print("Access Denied");
    // 可以触发报警或其他安全措施
  }
  delay(2000);
  lcd.clear();
  lcd.print("Enter Password:");
  inputPassword = ""; // 清空输入密码
}

这段代码实现了基本的电子密码锁功能，包括从矩阵键盘读取输入并在LCD上显示，以及验证用户输入的密码是否正确。成功输入正确的密码后，屏幕上会显示"Access Granted"，否则会显示"Access Denied"。

编程思路详解

在设计电子密码锁的编程逻辑时，遵循一个清晰且结构化的流程是非常重要的。以下是针对你提到的编程思路的详细解释，并结合代码实现来帮助理解每个步骤。

1. 初始化 LCD 和矩阵键盘

首先，你需要初始化所有外部设备，包括LCD和矩阵键盘。这一步骤确保了你的程序可以在启动时正确配置这些组件，以便它们能够正常工作。

#include <Keypad.h> // 引入矩阵键盘库
#include <LiquidCrystal.h> // 引入LCD库

// 定义LCD使用的引脚
const int rs = 10, en = 11, d4 = 12, d5 = 13, d6 = 14, d7 = 15;
LiquidCrystal lcd(rs, en, d4, d5, d6, d7);

// 定义矩阵键盘行和列引脚
const byte ROWS = 4; // 四行
const byte COLS = 4; // 四列
char keys[ROWS][COLS] = {
  {'1','2','3','A'},
  {'4','5','6','B'},
  {'7','8','9','C'},
  {'*','0','#','D'}
};
byte rowPins[ROWS] = {2, 3, 4, 5}; // 行引脚
byte colPins[COLS] = {6, 7, 8, 9}; // 列引脚
Keypad keypad = Keypad(makeKeymap(keys), rowPins, colPins, ROWS, COLS);

void setup() {
  Serial.begin(9600);
  lcd.begin(16, 2); // 初始化LCD
  lcd.print("Enter Password:");
}

2. 创建一个主循环来不断扫描矩阵键盘的状态

接下来是创建主循环（loop()函数），它将不断运行以检查是否有按键被按下。这是通过调用 keypad.getKey() 方法来实现的，该方法会返回最近按下的键值，如果没有按键被按下则返回空值。

void loop() {
  char key = keypad.getKey(); // 获取按下的键值
  
  if (key) { // 如果有按键被按下
    handleKeyPress(key); // 处理按键事件
  }
}

3. 当检测到按键按下时，更新 LCD 显示的内容，并将按键值添加到输入缓冲区

每当检测到按键被按下时，程序应该更新LCD上的显示内容，并将按键值添加到用户输入的缓冲区中。这里我们使用了一个名为 handleKeyPress 的辅助函数来处理按键逻辑。

String inputPassword = ""; // 用户输入的密码

void handleKeyPress(char key) {
  if (key == '#') { // 用户完成输入
    checkPassword();
  } else if (key == '*') { // 清除当前输入
    inputPassword = "";
    lcd.clear();
    lcd.print("Enter Password:");
  } else {
    inputPassword += key;
    lcd.setCursor(inputPassword.length()-1, 1);
    lcd.print("*"); // 显示星号代替实际输入字符
  }
}

4. 如果用户完成了整个密码输入，则比较输入的密码与预设密码

当用户输入完毕并按下确认键（如 '#' 键）后，程序需要验证输入的密码是否正确。这通常涉及到将用户输入与预设密码进行比较。

const String password = "1234"; // 预设密码

void checkPassword() {
  lcd.clear();
  if (inputPassword == password) {
    lcd.print("Access Granted");
    // 这里可以添加解锁的动作，比如打开继电器等
  } else {
    lcd.print("Access Denied");
    // 可以触发报警或其他安全措施
  }
  delay(2000);
  lcd.clear();
  lcd.print("Enter Password:");
  inputPassword = ""; // 清空输入密码
}

5. 根据匹配结果执行相应的动作（开锁或保持锁定状态）

如果输入的密码匹配成功，程序可以执行开锁操作，例如激活继电器来解锁门；如果不匹配，则可能发出警报声或者简单地提示错误信息。这部分具体取决于硬件设计和应用需求。

6. 提供反馈给用户，例如成功或失败的消息

无论密码验证的结果如何，都应该给用户提供明确的反馈。这可以通过LCD显示消息、LED指示灯、蜂鸣器声音等方式来实现。上述代码中已经包含了在LCD上显示"Access Granted"或"Access Denied"的例子。

通过以上步骤，你可以构建一个功能完整的电子密码锁系统。每一步都紧密相连，形成了一个闭环控制系统，从接收用户输入开始，经过验证过程，最终给出适当的响应。这种结构不仅保证了系统的可靠性，还使得代码易于维护和扩展。

3 典型训练任务

任务一增设控制键

为了增加额外的功能键，如取消、确认或清除，你可以调整矩阵键盘的布局，重新定义某些按键的功能。例如，'A' 键可以被设置为取消键，当用户按下此键时，清空当前输入并返回初始状态；'#' 键作为确认键，表示用户已完成输入。

修改后的代码片段

if (key == 'A') { // 新增取消功能
  inputPassword = "";
  lcd.clear();
  lcd.print("Enter Password:");
} else if (key == '#') { // 确认输入
  checkPassword();
} else if (key == '*') { // 清除当前输入
  if (!inputPassword.isEmpty()) {
    inputPassword.remove(inputPassword.length() - 1);
    lcd.setCursor(inputPassword.length(), 1);
    lcd.print(" ");
  }
} else {
  inputPassword += key;
  lcd.setCursor(inputPassword.length()-1, 1);
  lcd.print("*"); // 显示星号代替实际输入字符
}

任务二自动点焊机控制系统的实现

自动点焊机控制系统是一个更复杂的项目，它不仅需要密码验证，还需要对焊接过程进行全面监控和管理。这可能涉及到焊接参数的设定（如电流、电压）、焊接模式的选择（点焊、连续焊等），以及焊接质量的评估。

简化版设计思路

设计一个用户界面，允许操作员通过密码锁进入设置菜单。
在设置菜单中，提供选项来配置焊接参数，如功率、持续时间等。
开始焊接前，再次要求输入密码以确认操作员的身份。
监控焊接过程中的关键参数，并根据需要调整设置。
记录每次焊接的时间戳和参数，以便后续分析。

设计思路

1. 用户界面与密码验证

首先，设计一个用户界面，允许操作员通过电子密码锁进入设置菜单。这确保了只有授权人员才能访问和修改关键设置。可以使用上一节中提到的电子密码锁作为基础，添加额外的功能键（如确认、取消等）以增强用户体验。

代码片段：

void setup() {
  // 初始化硬件...
  
  // 显示初始提示信息
  lcd.clear();
  lcd.print("Enter Password:");
}

void loop() {
  char key = keypad.getKey(); // 获取按下的键值
  
  if (key) { // 如果有按键被按下
    handleKeyPress(key); // 处理按键事件
  }
}

2. 设置菜单与参数配置

在成功验证密码后，操作员将进入设置菜单，在这里可以选择不同的焊接模式（如点焊、连续焊），并调整焊接参数（如功率、持续时间）。每个选项都应该对应一个明确的操作或设置值。

代码片段：

enum MenuOptions {
  MODE_SELECTION,
  POWER_SETTING,
  DURATION_SETTING,
  START_WELDING,
  BACK_TO_MAIN
};

MenuOptions currentOption = MODE_SELECTION;
String weldingMode = "Point Weld"; // 默认为点焊模式
int powerSetting = 50; // 功率默认值
int durationSetting = 1000; // 持续时间默认值（毫秒）

void enterSettingsMenu() {
  lcd.clear();
  lcd.setCursor(0, 0);
  switch (currentOption) {
    case MODE_SELECTION:
      lcd.print("Select Mode:");
      break;
    case POWER_SETTING:
      lcd.print("Set Power:");
      lcd.setCursor(0, 1);
      lcd.print(powerSetting);
      break;
    case DURATION_SETTING:
      lcd.print("Set Duration:");
      lcd.setCursor(0, 1);
      lcd.print(durationSetting);
      break;
    case START_WELDING:
      lcd.print("Start Welding?");
      break;
    case BACK_TO_MAIN:
      lcd.print("Back to Main");
      break;
  }
}

3. 再次密码验证

为了增加安全性，在开始焊接之前，系统会再次要求输入密码以确认操作员的身份。这是为了避免误操作或未经授权的操作。

代码片段：

bool confirmOperatorIdentity() {
  String confirmationPassword = "";
  lcd.clear();
  lcd.print("Confirm ID:");

  while (confirmationPassword.length() < password.length()) {
    char key = keypad.getKey();
    if (key == '#') {
      break;
    } else if (key != NO_KEY) {
      confirmationPassword += key;
      lcd.setCursor(confirmationPassword.length()-1, 1);
      lcd.print("*");
    }
  }

  return confirmationPassword == password;
}

4. 焊接过程监控

一旦确认了操作员身份，系统将启动焊接过程，并实时监控关键参数（如电流、电压）。如果任何参数偏离预设范围，系统应该能够及时响应并采取适当措施，例如暂停焊接或发出警报。

代码片段：

void startWelding() {
  if (!confirmOperatorIdentity()) {
    lcd.clear();
    lcd.print("Access Denied!");
    delay(2000);
    return;
  }

  lcd.clear();
  lcd.print("Welding...");

  // 假设我们有一个模拟传感器读取焊接电流
  int current = analogRead(A0); // 读取电流传感器数据

  for (long i = 0; i < durationSetting; i++) {
    // 监控焊接过程中电流是否正常
    if (current < MIN_CURRENT || current > MAX_CURRENT) {
      lcd.clear();
      lcd.print("Current Error!");
      stopWelding();
      return;
    }
    delay(1); // 模拟焊接持续时间
  }

  lcd.clear();
  lcd.print("Weld Complete");
  recordWeldingData();
}

5. 数据记录与分析

每次焊接完成后，系统应该记录下焊接的时间戳和参数，以便后续进行数据分析。这些数据可以帮助评估焊接质量和优化未来的焊接过程。

代码片段：

void recordWeldingData() {
  File dataFile = SD.open("weld_data.txt", FILE_WRITE);

  if (dataFile) {
    dataFile.print(millis()); // 记录时间戳
    dataFile.print(",");
    dataFile.print(weldingMode);
    dataFile.print(",");
    dataFile.print(powerSetting);
    dataFile.print(",");
    dataFile.println(durationSetting);
    dataFile.close();
  } else {
    Serial.println("Error opening file");
  }
}

总结

以上是简化版自动点焊机控制系统的设计思路及部分代码示例。该系统结合了电子密码锁的安全机制、用户友好的设置菜单、焊接过程中的实时监控以及数据记录功能。对于更专业的应用场景，建议采用工业级的解决方案，并遵循相关的安全标准。此外，实际开发时还需要考虑更多细节，比如如何与焊接设备通信、处理高电压和大电流的安全问题等。

51单片机从入门到精通：理论与实践指南综合应用——实战篇（九）

电子密码锁（液晶、矩阵键盘的综合应用）

1 电子密码锁简介

2 电子密码锁的实现

1 硬件接线及编程思路和技巧

2 程序代码示例及讲析

编程思路详解

1. 初始化 LCD 和矩阵键盘

2. 创建一个主循环来不断扫描矩阵键盘的状态

3. 当检测到按键按下时，更新 LCD 显示的内容，并将按键值添加到输入缓冲区

4. 如果用户完成了整个密码输入，则比较输入的密码与预设密码

5. 根据匹配结果执行相应的动作（开锁或保持锁定状态）

6. 提供反馈给用户，例如成功或失败的消息

3 典型训练任务

任务一 增设控制键

任务二 自动点焊机控制系统的实现

设计思路

1. 用户界面与密码验证

2. 设置菜单与参数配置

3. 再次密码验证

4. 焊接过程监控

5. 数据记录与分析

总结

任务一增设控制键

任务二自动点焊机控制系统的实现