- 基于单片机的智能书架控制系统设计
点击链接下载protues仿真设计资料：https://download.csdn.net/download/m0_51061483/92081526
- 系统概述
2.1 设计背景与应用意义
随着智能家居与自动化设备的普及，传统书架已经不再仅仅是被动存放书籍的家具，而逐渐向"可管理、可控制、可追踪"的智能终端演进。尤其是在图书馆、档案室、实验室文献柜、企业资料室以及个人高价值藏书环境中，书籍的管理需求往往不仅体现在"存放"上，还体现在"精准定位""权限控制""便捷取用""防止误拿"等方面。
因此，将单片机控制、矩阵化书籍单元管理、按键输入定位、电机驱动门锁等技术融合到书架系统中，可以显著提高书籍存取效率，并增强安全性与智能化水平。
本设计以单片机为控制核心，将书架划分为 4 行 9 列，共 36 个独立存放单元。每个单元对应一个"门/锁"结构，通过电机模拟开闭动作。用户可以通过按键输入书名或编号，系统识别后控制对应单元执行开启或关闭。由于整体电路规模较大，扫描按键与控制输出的任务较多，可能造成按键响应略慢，因此系统在交互逻辑上允许用户多次按键输入，并通过软件滤波、队列处理与提示机制提高可用性。
2.2 系统总体目标
本系统的总体设计目标如下：
1）构建 36 个独立书籍单元的可控书架系统，实现单元级开闭控制；
2）提供按键输入方式，支持输入书名或编号来定位对应书籍单元；
3）通过电机驱动模拟书架门或门锁的开关动作，实现智能化存取；
4）提供操作提示与容错机制，在电路复杂、响应略慢的情况下依然可用；
5）系统运行稳定，可扩展（可扩展显示屏、刷卡、联网等功能）。
- 系统功能设计
3.1 书籍管理功能（4×9 共 36 单元）
系统将书架划分为 4 行 9 列，共 36 个存放单元，每个单元对应一个独立编号。编号可以采用：
- 行列编号方式：R1C1 ~ R4C9
- 序号方式：001~036
例如可定义： - 第 1 行第 1 列 = 1
- 第 1 行第 9 列 = 9
- 第 2 行第 1 列 = 10
...... - 第 4 行第 9 列 = 36
每个单元具备独立控制能力：
- 开启（Open）
- 关闭（Close）
- 状态查询（若具备传感器反馈）
在不增加额外传感器的情况下，系统也可以通过"逻辑状态"记录每个单元的当前状态。例如：用户开启后系统记录为 Open，关闭后记录为 Close，用于避免重复动作或提示用户。
3.2 按键输入控制（输入书名或编号）
系统通过按键输入书名或编号，实现对书架单元的定位与控制。由于硬件按键输入字符的方式可能较复杂，实际工程中通常采用两类方案：
1）数字键盘输入编号 ：用户输入 01~36 的编号即可控制对应单元；
2）字符输入书名：通过多按键实现类似"手机九宫格"的输入方式，或采用简化输入（拼音首字母、书名缩写等），最终映射到编号。
考虑到本系统电路规模较大，按键响应略慢，为了保证可操作性，系统设计上允许重复按键操作，并对输入采用"缓冲队列 + 去抖 + 超时确认"的方式进行处理。用户按键后，系统在一定时间内收集输入，输入完成后按确认键执行开闭动作。
3.3 电机驱动门锁（模拟开闭）
每个单元使用电机模拟书架门或锁的开启和关闭。常见执行机构包括：
- 直流电机 + 齿轮/连杆（成本低，驱动简单）
- 舵机（角度控制方便，适合模拟门）
- 步进电机（定位精确但成本较高）
- 电磁锁/电磁铁（适合"锁"动作，结构简单但需机械复位）
本设计重点强调"电机驱动门锁"，通常可采用直流电机或舵机。为了适配 36 单元的大规模驱动，系统可采用分组驱动策略与输出扩展器，以降低单片机 IO 资源压力，并避免同时驱动过多电机导致电源压降和系统异常。
3.4 操作提示与容错机制（按键响应略慢）
由于 36 路电机控制、按键扫描、输入解析、驱动输出等任务并行执行，系统负载较大，在硬件资源有限或电路较复杂的情况下，可能出现按键响应延迟。系统在交互层应提供以下机制：
- 按键输入显示/提示（LED 闪烁、蜂鸣提示、数码管显示）
- 输入缓冲：允许短时间内输入多次按键后统一处理
- 重复按键容错：同一按键事件多次触发也不会导致逻辑错乱
- 超时自动确认：用户停止输入一段时间后自动进入确认环节
- 指令队列：电机动作执行期间可继续录入下一条指令，避免"卡死等待"
这些机制能显著提升在复杂电路环境下的可用性，使"多按几次就行"成为可接受的操作体验，而不是系统缺陷。
- 系统电路设计
4.1 电路总体结构与模块划分
本系统硬件电路规模较大，为实现 36 个单元控制，电路可划分为以下模块：
1）单片机主控模块
2）按键输入模块（矩阵键盘或独立按键）
3）显示与提示模块（可选）
4）36 路电机驱动模块
5）输出扩展模块（IO 扩展芯片/移位寄存器）
6）电源模块（多路供电与稳压）
7）保护与抗干扰模块（ESD、EMI、反灌电压保护）
8）状态反馈模块（可选：限位开关/霍尔/光电传感器）
9）书籍映射存储模块（EEPROM/Flash）
系统设计的核心难点在于：多路电机驱动与 IO 资源扩展。单片机本身 IO 数量有限，不可能直接控制 36 路电机，因此必须采用扩展与分层控制策略。
4.2 单片机主控模块
4.2.1 主控芯片选择与功能职责
单片机作为系统大脑，主要负责：
- 按键扫描与输入解析（书名/编号）
- 映射查表：输入内容 → 单元编号
- 生成电机控制命令：开/关/停止
- 控制输出扩展模块
- 处理电机动作队列与定时控制
- 保存书籍信息与状态
- 与显示/提示模块交互
芯片选型建议：
- IO 资源丰富：建议选 STM32、ESP32、Nuvoton、AVR 等
- 具备足够定时器与通信接口：SPI/I2C/UART
- 具备足够 Flash 以存储映射表与字符串索引
4.2.2 时钟、复位与看门狗电路
- 时钟：外部晶振保证稳定时间基准，利于电机控制定时精度
- 复位：按键复位 + 上电复位，保证上电状态一致
- 看门狗：防止电机动作与按键扫描中出现异常死机
4.2.3 调试与下载接口
由于系统复杂，必须预留调试接口：
- SWD/ISP 下载
- 串口日志输出（用于调试按键响应慢、指令队列拥堵等问题）
4.3 按键输入模块（矩阵键盘/独立按键）
4.3.1 按键输入形式
系统按键输入可采用：
1）4×4 或 4×3 矩阵键盘 ：可实现数字与功能键输入
2）独立按键组合 ：如"上下左右确认返回"模式
3）编码器旋钮 + 按键 ：可快速选择编号
4）多键输入书名：类似 T9 输入法或拼音首字母
考虑到用户描述"按键输入书名或编号"，最稳妥方案是：
- 默认编号输入
- 书名输入作为扩展（可通过多次按键选择书名列表）
4.3.2 矩阵键盘扫描电路特点
矩阵键盘优点是节省 IO：
- 例如 4×4 键盘只需 8 根 IO 就能实现 16 个键
缺点是需要扫描逻辑，并且在电路规模大时，扫描周期可能变长，导致响应慢。因此在软件上必须优化扫描频率与任务优先级。
4.3.3 按键去抖与抗干扰
由于系统含电机驱动，电机启停可能引入电磁干扰，导致按键误触发。应采取：
- 按键硬件上拉/下拉稳定电平
- RC 滤波（可选）
- 软件去抖（必需）
- 关键输入采用"按下确认 + 松开确认"的双状态判断
4.4 显示与提示模块（可选）
4.4.1 显示模块作用
显示模块不是必须，但对"书名/编号输入"和"电路复杂、响应慢"的场景很重要。它可以用于：
- 显示输入的编号或字符
- 显示当前选中的书籍名称
- 显示单元执行状态：Opening/Closing/Done/Error
- 提示用户"请稍候"或"重复按键即可"
4.4.2 可选显示方案
- 1602/2004 LCD：成本低，显示信息足够
- OLED：显示清晰，适合多行文字
- 数码管：适合编号显示（01~36）
- 指示灯组合：每次按键闪烁确认，提供最低成本提示
4.4.3 蜂鸣器提示（可选）
蜂鸣器在每次按键确认、动作完成、错误发生时发声提示，可以弥补视觉提示不足，提高交互体验。
4.5 36 路电机驱动模块
4.5.1 电机类型与驱动需求
若每个单元使用：
- 直流电机：需要 H 桥或单向驱动 + 机械回位
- 舵机：需要 PWM 控制信号（1~2ms 脉宽，周期 20ms）
- 步进电机：需要步进驱动器与脉冲输出
- 电磁锁：需要驱动电流较大的开关管，通电开锁断电锁闭或反之
在 36 路控制中，最常见且成本可控的方案是：
- 舵机用于门的开闭（角度可控）
- 电磁锁用于锁扣动作（结构简单）
- 或直流电机配合限位开关实现开关定位
4.5.2 分组驱动思想（避免同时驱动 36 路）
出于成本、供电与安全考虑，系统通常不允许 36 路电机同时动作，而是采取分组或队列执行：
- 同一时刻最多允许 1~2 路电机动作
- 多个请求进入队列按顺序执行
- 执行完成后进入下一条命令
这样可以：
- 降低电源瞬时电流需求
- 减少电机干扰导致的 MCU 重启
- 让控制逻辑更可靠
4.5.3 电机驱动电路（MOSFET/驱动芯片）
对于直流电机或电磁锁，通常采用：
- N 沟道 MOSFET 低端开关
- 三极管驱动（适合小电流）
- 驱动阵列芯片（如 ULN2003/ULN2803）
其中 ULN2803 提供 8 路达林顿驱动，适合多路电磁锁或小直流电机驱动，是多路系统非常典型的方案。
若需要正反转（开/关方向不同），可使用：
- L293D、TB6612FNG 等 H 桥驱动芯片
但 36 路 H 桥成本与体积较大，更适合采用"单向驱动 + 机械复位"或舵机方案。
4.5.4 续流保护与干扰抑制
电机属于感性负载，必须增加：
- 续流二极管（防止反向电压击穿 MOSFET）
- RC 吸收或 TVS（提升抗浪涌能力）
- 电源端大电容（抑制启动电流带来的压降）
4.6 输出扩展模块（解决 IO 不足问题）
4.6.1 为什么需要 IO 扩展
单片机 IO 不足是本系统的核心矛盾之一。
- 若每路电机需要 1 个控制信号，则至少需要 36 路 IO
- 若需要电机正反转或带状态反馈，则 IO 需求更高
因此必须使用输出扩展。
4.6.2 常用扩展方案
1）74HC595 移位寄存器级联
- 1 个 74HC595 提供 8 路输出
- 级联 5 个即可提供 40 路输出
- 只需单片机 3 根线（DATA、CLK、LATCH）
优点：成本低，扩展方便
缺点：输出驱动能力弱，需要配合 ULN2803 或 MOSFET
2）I2C IO 扩展芯片（如 PCF8574、MCP23017）
- I2C 两根线即可扩展 8/16 路 IO
- 可扩展多个地址
优点：电路简单，软件易读
缺点：I2C 在高干扰环境下需更谨慎设计
3）专用驱动阵列 + 扫描控制
例如：采用行列扫描方式控制电机驱动（类似 LED 点阵），但电机控制需要持续时间与较大电流，不适合简单扫描，因此更推荐移位寄存器或 IO 扩展芯片。
4.6.3 推荐组合结构
对于本系统，推荐组合：
- 74HC595（输出扩展） + ULN2803（电流驱动）
实现： - 单片机用 3 根线控制 5 个移位寄存器
- 寄存器输出进入 ULN2803
- ULN2803 输出驱动电磁锁或电机开关管
这样可以在硬件规模庞大时保持结构清晰，并减少 MCU IO 占用。
4.7 电源模块（多路供电与稳压）
4.7.1 供电需求分析
电机驱动是耗电大户，36 个单元即使不同时动作，也需要足够的电源容量与瞬态电流能力。电源一般分为两路：
- 控制电源：3.3V/5V（单片机、IO 扩展、显示）
- 动力电源：6V/12V（电机、舵机、电磁锁）
两路电源必须合理隔离与滤波，避免电机启动导致控制电源跌落。
4.7.2 稳压与滤波设计要点
- 动力电源入口放置大电容（470uF~2200uF）
- 控制电源采用 LDO 或 DC-DC 稳压，输入端加 LC 滤波
- 单片机与 IO 芯片附近布置 0.1uF 去耦电容
- 电机电源与控制地采用合理地线规划，避免地弹跳影响按键输入
4.7.3 电源保护
建议加入：
- 反接保护（肖特基二极管或 MOS 反接保护）
- 保险丝/自恢复保险丝
- TVS 防浪涌保护
这些措施对大规模电机系统尤为重要。
4.8 保护与抗干扰模块
4.8.1 电机干扰来源
电机启停会产生：
- 电磁辐射干扰
- 反电动势
- 电源纹波与压降
这些干扰可能导致按键误触发、显示异常、单片机复位等问题。
4.8.2 硬件抗干扰措施
- 电机端并联电容（例如 0.1uF）抑制火花干扰
- MOSFET 栅极串联电阻（抑制振荡）
- 关键走线远离高电流电机线
- 地线分区、单点汇接
- 信号线可加磁珠与 RC 滤波
4.8.3 软件抗干扰措施
- 按键扫描加去抖与重复确认
- 电机动作执行期间降低按键误判（提高阈值）
- 电源波动检测（可用 ADC 监测 5V/3.3V）
- 看门狗复位防止系统卡死
- 指令队列机制避免系统忙碌时丢失按键
4.9 状态反馈模块（可选）
4.9.1 为什么需要反馈
如果没有反馈，系统只能"假设"门/锁已经开或关，若机械卡住将无法识别。
可选加入：
- 限位开关：检测门到位
- 霍尔传感器：检测磁铁位置
- 光电开关：检测门状态
4.9.2 反馈信号处理
反馈信号同样需要去抖与抗干扰，尤其是限位开关会产生抖动，可采用：
- 硬件 RC
- 软件延时确认（例如到位后连续 50ms 保持稳定才确认）
- 程序设计
5.1 软件总体架构
5.1.1 模块化设计原则
为了应对复杂电路与较慢按键响应，软件必须做到：
- 任务分层：输入、控制、执行、提示分离
- 非阻塞运行：避免长时间 delay
- 状态机驱动：按键输入与电机动作均采用状态机
- 指令队列：避免输入丢失，提高可用性
- 统一调度：使用定时器节拍调度各任务
5.1.2 核心任务划分
1）系统初始化模块
2）按键扫描模块
3）输入缓冲与解析模块（编号/书名）
4）书籍映射管理模块
5）电机命令队列模块
6）电机执行控制模块（定时、开关、到位判断）
7）输出扩展驱动模块（74HC595/IO 扩展）
8）显示与提示模块
9）存储模块（保存映射与状态）
5.2 系统初始化模块
5.2.1 初始化内容
- GPIO 初始化：按键、提示灯、蜂鸣器
- 通信初始化：SPI/I2C（若使用扩展芯片或显示屏）
- 定时器初始化：1ms/10ms 节拍
- 输出扩展初始化：清零所有电机控制位
- 读取书籍映射表与门锁状态（可选）
- 显示欢迎界面或闪灯提示系统启动完成
5.2.2 安全默认状态
上电默认所有门锁处于"关闭"状态，所有电机输出为关闭，避免上电误动作。
5.3 按键扫描模块
5.3.1 扫描周期与去抖策略
建议每 10ms 扫描一次按键矩阵，去抖策略：
- 采样连续 3~5 次稳定才确认按下
- 确认按下后产生一次按键事件
- 松开也可确认，避免长按重复触发
5.3.2 按键响应慢的原因与软件优化
按键响应慢通常原因包括：
- 扫描频率低
- 同时处理电机动作导致 CPU 忙
- 显示刷新占用过多时间
- I2C/SPI 总线通信较慢
因此优化方向： - 扫描任务优先级提高
- 电机动作采用非阻塞状态机
- 显示刷新降低频率（例如 200ms 一次）
- 输入事件采用队列缓存，避免丢键
并且在交互提示中允许用户"重复按键"。
5.4 输入缓冲与解析模块（书名/编号）
5.4.1 编号输入方案
编号输入是最可靠的方式：
- 输入两位数：01~36
- 按确认键执行
系统维护输入缓冲区： - buf[0]、buf[1]
- 输入超时自动清空
- 输入不足两位时不执行
5.4.2 书名输入简化策略
考虑按键输入书名复杂，实际可采用：
- 书名缩写或首字母
- 书名列表循环选择（按上下键翻页，确认选中）
- 或仅支持编号输入，书名作为显示提示用数据表实现映射
即：用户输入编号后，系统显示该编号对应书名，完成"书名/编号"体验。
5.4.3 输入容错与重复按键
针对"电路过于庞大，按键反应有点慢"，软件采取：
- 同一键短时间重复按下只认一次（防抖）
- 但允许用户重复输入（再次按确认也可执行）
- 若输入解析失败，提示"ERR"并清空缓冲
5.5 书籍映射管理模块
5.5.1 映射表结构设计
系统需要将：
- 书名（字符串）
- 书籍编号（1~36）
- 单元位置（行、列）
建立映射关系。
可用结构体： - id：1~36
- name：书名字符串
- row、col
- state：门锁状态（开/关）
5.5.2 存储方式
映射表可存储在：
- Flash 固定表（适合书籍固定不变）
- EEPROM 可修改表（适合可维护）
对于较长书名，建议固定表 + 索引列表，减少 EEPROM 写入与占用。
5.5.3 查找方式
- 编号输入：直接索引数组 book[id]
- 书名输入：字符串匹配或哈希匹配（可简化为前缀匹配）
5.6 电机命令队列模块
5.6.1 为什么需要队列
36 个单元控制意味着用户可能连续操作多本书。如果电机动作执行需要时间（例如 1~2 秒），系统如果阻塞等待电机完成，会导致按键扫描停顿，表现为"按键反应慢"。
因此必须用命令队列：
- 用户每次确认产生一条指令（开/关、目标单元）
- 指令进入队列
- 电机执行模块从队列取出指令逐个执行
这样即使电机在动作，按键输入仍可响应并缓存。
5.6.2 队列数据结构
队列元素可包含：
- target_id：1~36
- action：OPEN/CLOSE
- duration_ms：动作持续时间
- retry：失败重试次数
队列容量可设置为 8~16 条，足够一般使用。
5.7 电机执行控制模块
5.7.1 电机动作状态机
电机控制建议使用状态机：
1）IDLE：空闲，等待队列命令
2）START：启动电机输出
3）RUN：保持输出，计时运行
4）STOP：停止输出，更新状态
5）DONE：动作完成，取下一条命令
6）ERROR：超时或反馈异常（若有反馈）
整个过程非阻塞，每个 10ms 或 1ms 更新一次。
5.7.2 动作时间控制
如果没有反馈传感器，动作时间必须严格控制：
- 开启动作：例如 800ms
- 关闭动作：例如 800ms
执行完即停止，避免电机堵转发热。
如果采用舵机，则输出目标角度并等待稳定即可。
5.7.3 限流与保护策略
- 禁止同一单元在短时间内反复开关（加入冷却时间）
- 电机堵转保护：运行超过最大时长立即停止
- 多次失败可进入错误状态并提示用户
5.8 输出扩展驱动模块
5.8.1 74HC595 驱动逻辑
如果使用 74HC595 级联输出，软件需要维护一个输出位图：
- out_bits[40]（或 5 个字节）
每次更新某一路电机输出，就修改位图，然后一次性移位刷新。
刷新过程： - 拉低 LATCH
- 依次移入 40 位数据
- 拉高 LATCH 锁存输出
5.8.2 避免频繁刷新导致卡顿
按键慢的另一个原因是输出刷新耗时。优化方法：
- 仅在输出变化时刷新
- 将刷新放到低频任务中（例如 1ms 或 10ms 触发，不要在大量循环中重复刷新）
- 或采用 DMA/SPI 硬件加速移位（高级 MCU 可用）
5.9 显示与提示模块
5.9.1 提示信息设计
显示/提示应覆盖以下场景：
- 输入过程中显示已输入数字
- 输入完成提示目标单元与书名
- 电机动作中显示"OPENING/CLOSING"
- 动作完成提示"DONE"
- 错误提示"ERR"
- 在按键响应慢时提示"按键可重复操作"或"请稍候"
5.9.2 提示灯与蜂鸣器节奏
- 每次按键有效：短鸣或 LED 闪一下
- 动作开始：长鸣一次或 LED 常亮
- 动作完成：两声短鸣
这些反馈能显著改善用户体验，让用户知道系统确实已接收按键，减少误认为"没反应"而重复按键造成混乱。
5.10 存储模块（参数与状态保存）
5.10.1 保存内容
可保存：
- 每个单元当前状态（开/关）
- 书籍映射表（若允许修改）
- 最近一次操作记录（可选）
5.10.2 写入策略与寿命保护
由于 EEPROM 写入次数有限：
- 仅在动作完成后写入状态
- 状态变化才写入
- 可采用批量写入或延时写入（例如 5 秒内多次变化只写一次）
- 程序示例代码（模块化示例）
c
#include <stdint.h>
#include <stdbool.h>
#include <string.h>
/* =========================
宏定义与常量
========================= */
#define CELL_ROWS 4
#define CELL_COLS 9
#define CELL_NUM 36
#define QUEUE_SIZE 16
#define OPEN_TIME_MS 800
#define CLOSE_TIME_MS 800
#define MOTOR_COOLDOWN_MS 200
/* =========================
硬件抽象接口（需用户实现）
========================= */
// 读取按键事件（10ms 调用一次）
typedef enum {
KEY_NONE = 0,
KEY_0, KEY_1, KEY_2, KEY_3, KEY_4,
KEY_5, KEY_6, KEY_7, KEY_8, KEY_9,
KEY_OPEN, // 开门键
KEY_CLOSE, // 关门键
KEY_OK, // 确认键
KEY_CLR // 清除键
} key_event_t;
extern key_event_t Key_ScanEvent10ms(void);
// 输出扩展：设置某个单元电机输出（示例：单信号控制）
extern void Motor_OutputSet(uint8_t cell_id, bool on);
// 显示接口
extern void UI_ShowInput(const char *buf);
extern void UI_ShowStatus(const char *msg, uint8_t cell_id);
extern void UI_ShowBookName(uint8_t cell_id, const char *name);
// 蜂鸣器/LED 提示（可选）
extern void Beep_Short(void);
extern void Beep_Long(void);
/* =========================
书籍映射结构体
========================= */
typedef struct {
uint8_t id; // 1~36
uint8_t row; // 0~3
uint8_t col; // 0~8
char name[24]; // 书名（简化长度）
bool is_open; // 逻辑状态
} book_cell_t;
static book_cell_t g_cells[CELL_NUM];
/* =========================
命令队列结构体
========================= */
typedef enum { ACT_OPEN = 0, ACT_CLOSE } action_t;
typedef struct {
uint8_t cell_id; // 1~36
action_t act; // 开/关
uint16_t duration_ms; // 动作持续时间
} cmd_t;
static cmd_t g_queue[QUEUE_SIZE];
static uint8_t q_head = 0, q_tail = 0;
static bool q_full = false;
/* =========================
队列操作
========================= */
static bool Queue_IsEmpty(void)
{
return (!q_full && (q_head == q_tail));
}
static bool Queue_IsFull(void)
{
return q_full;
}
static bool Queue_Push(cmd_t cmd)
{
if (Queue_IsFull()) return false;
g_queue[q_tail] = cmd;
q_tail = (q_tail + 1) % QUEUE_SIZE;
if (q_tail == q_head) q_full = true;
return true;
}
static bool Queue_Pop(cmd_t *out)
{
if (Queue_IsEmpty()) return false;
*out = g_queue[q_head];
q_head = (q_head + 1) % QUEUE_SIZE;
q_full = false;
return true;
}
/* =========================
输入缓冲：两位编号输入
========================= */
static char input_buf[3] = {0}; // "01"~"36"
static uint8_t input_len = 0;
static action_t pending_act = ACT_OPEN;
static void Input_Clear(void)
{
memset(input_buf, 0, sizeof(input_buf));
input_len = 0;
UI_ShowInput("--");
}
static int Input_ToCellID(void)
{
if (input_len != 2) return -1;
int id = (input_buf[0] - '0') * 10 + (input_buf[1] - '0');
if (id < 1 || id > CELL_NUM) return -1;
return id;
}
/* =========================
初始化书籍映射表（示例）
========================= */
static void Cells_Init(void)
{
for (uint8_t i = 0; i < CELL_NUM; i++) {
g_cells[i].id = i + 1;
g_cells[i].row = i / CELL_COLS;
g_cells[i].col = i % CELL_COLS;
g_cells[i].is_open = false;
// 示例：默认书名可按编号生成或写死表
snprintf(g_cells[i].name, sizeof(g_cells[i].name), "BOOK_%02d", i + 1);
}
}
/* =========================
按键任务（10ms）
========================= */
static void KeyTask_10ms(void)
{
key_event_t ev = Key_ScanEvent10ms();
if (ev == KEY_NONE) return;
// 有效按键提示（减少"没反应"的感觉）
Beep_Short();
if (ev >= KEY_0 && ev <= KEY_9) {
if (input_len < 2) {
input_buf[input_len++] = (char)('0' + (ev - KEY_0));
input_buf[input_len] = '\0';
UI_ShowInput(input_buf);
} else {
// 超出两位，自动覆盖或忽略
Input_Clear();
input_buf[input_len++] = (char)('0' + (ev - KEY_0));
input_buf[input_len] = '\0';
UI_ShowInput(input_buf);
}
return;
}
if (ev == KEY_CLR) {
Input_Clear();
return;
}
if (ev == KEY_OPEN) { pending_act = ACT_OPEN; UI_ShowStatus("ACT=OPEN", 0); return; }
if (ev == KEY_CLOSE) { pending_act = ACT_CLOSE; UI_ShowStatus("ACT=CLOSE", 0); return; }
if (ev == KEY_OK) {
int id = Input_ToCellID();
if (id < 0) {
UI_ShowStatus("ERR INPUT", 0);
Beep_Long();
Input_Clear();
return;
}
// 显示书名提示
UI_ShowBookName((uint8_t)id, g_cells[id - 1].name);
cmd_t cmd;
cmd.cell_id = (uint8_t)id;
cmd.act = pending_act;
cmd.duration_ms = (pending_act == ACT_OPEN) ? OPEN_TIME_MS : CLOSE_TIME_MS;
if (!Queue_Push(cmd)) {
UI_ShowStatus("QUEUE FULL", (uint8_t)id);
Beep_Long();
} else {
UI_ShowStatus("CMD OK", (uint8_t)id);
}
Input_Clear();
return;
}
}
/* =========================
电机执行状态机（10ms 调用）
========================= */
typedef enum { M_IDLE=0, M_START, M_RUN, M_STOP, M_COOLDOWN } motor_state_t;
static motor_state_t m_state = M_IDLE;
static cmd_t cur_cmd;
static uint16_t m_timer = 0;
static uint16_t cooldown_timer = 0;
static void MotorTask_10ms(void)
{
switch (m_state) {
case M_IDLE:
if (Queue_Pop(&cur_cmd)) {
m_state = M_START;
}
break;
case M_START:
// 启动电机输出
Motor_OutputSet(cur_cmd.cell_id, true);
m_timer = 0;
UI_ShowStatus((cur_cmd.act == ACT_OPEN) ? "OPENING" : "CLOSING", cur_cmd.cell_id);
m_state = M_RUN;
break;
case M_RUN:
m_timer += 10;
if (m_timer >= cur_cmd.duration_ms) {
m_state = M_STOP;
}
break;
case M_STOP:
// 停止电机输出，更新逻辑状态
Motor_OutputSet(cur_cmd.cell_id, false);
if (cur_cmd.act == ACT_OPEN) g_cells[cur_cmd.cell_id - 1].is_open = true;
else g_cells[cur_cmd.cell_id - 1].is_open = false;
UI_ShowStatus("DONE", cur_cmd.cell_id);
Beep_Short();
Beep_Short();
// 冷却时间，避免频繁动作
cooldown_timer = 0;
m_state = M_COOLDOWN;
break;
case M_COOLDOWN:
cooldown_timer += 10;
if (cooldown_timer >= MOTOR_COOLDOWN_MS) {
m_state = M_IDLE;
}
break;
default:
m_state = M_IDLE;
break;
}
}
/* =========================
主循环示例
========================= */
// 由定时器中断置位 flag_10ms
extern volatile bool flag_10ms;
int main(void)
{
Cells_Init();
Input_Clear();
while (1) {
if (flag_10ms) {
flag_10ms = false;
KeyTask_10ms();
MotorTask_10ms();
}
// 可扩展：显示刷新任务、存储任务、日志任务等
}
}- 系统性能与"按键响应慢"的工程分析
7.1 按键响应慢的真实原因
"按键响应慢"并不一定是按键硬件本身的问题，而往往由系统整体复杂度造成：
- 按键扫描周期被拉长（例如 50ms 才扫描一次）
- CPU 被大量 IO 刷新占用（例如频繁刷新移位寄存器）
- 电机动作使用阻塞延时（例如 delay 800ms）导致无法扫描按键
- 显示刷新或字符串处理耗时过多
- 电机干扰导致按键抖动，需要更严格的去抖判断
7.2 本设计的优化策略总结
为了在电路庞大的情况下仍可使用，本设计采用：
- 10ms 节拍扫描按键
- 输入事件队列化，避免丢键
- 电机动作状态机，避免阻塞
- 输出扩展"只在变化时刷新"，减少时间开销
- 提示机制（蜂鸣器/显示），降低用户焦虑感
- 允许用户重复按键操作，系统不会因为重复输入而逻辑混乱
7.3 进一步提升响应速度的可行措施
若需要进一步提升性能，可考虑：
- 使用更高性能 MCU（主频更高、带 DMA 的 SPI）
- 使用硬件键盘编码芯片或中断按键输入
- 将显示刷新与输入解析分离成低优先级任务
- 电机驱动采用独立控制板或协处理器
- 将书名查找改为哈希表或编号索引减少字符串比较
- 总结
本系统基于单片机实现智能书架控制，将书架划分为 4 行 9 列共 36 个独立单元，通过按键输入书名或编号对指定单元进行开闭控制，并采用电机驱动模拟书架门或门锁动作，实现智能化存取。硬件设计通过输出扩展模块解决 IO 不足问题，并使用驱动阵列与保护电路实现安全可靠的多路执行控制；软件设计采用模块化结构、命令队列与状态机机制，使系统即便在电路规模较大、按键响应略慢的情况下仍能稳定运行，并支持用户重复按键完成控制。通过提示与容错机制、抗干扰设计、电源分区与负载分组执行策略，系统具备良好的可扩展性与工程实用性，可应用于图书馆资料管理、实验室文献柜、个人智能藏书等多种场景。