单片机创新设计

全院选修课程

A VR单片机

嵌入式系统入门

作业题目：基于AVR单片机mega16的

密码防盗键盘设计

学生姓名： X X X

专业班级：自动化09-1

学号： 5409010101xx

院系：电气信息工程学院

密码防盗键盘

摘要：本实验是基于A VR mega16 单片机所设计的，可以实现键位与数字动态显示的一种新型密码防盗键盘。通过单片机内部产生随机数，使用LED数码七段数码管予以显示，每一个数码管对应一个键位。单片机对各个键位进行扫描，确定键位的输入。

关键词：mega16七段数码管ULN2003 密码防盗

一、目的、用途、功能

1. 目的：

设计一种投资少，简单易行，仅仅只是在现在的设备的基础之上稍加改造，又能从根本上解决摄像头拍摄盗取密码的设备。

2.用途与功能：

我们就设想让键上的10个数字位置分布可变。10个键上的数字是由七段数码管显示。每次取款时，键盘上数字的分布都会随机变化。因而知道了键的位置并不能绝对判断出键上的数字是多少。因此会给犯罪分子获得提款人的密码造成麻烦，从而解决摄像头盗取密码的难题。

二、硬件设计

2.1 硬件设计思想

键盘的数字和键位关系不固定，而且通过单片机内部产生随机数，通过LED数码管显示出来，每一个数码管对应一个键位。基本设备是基于AVR单片机，外围设备采用的是12个七段数码管，2个ULN2003芯片，11个七段数码管， 1个74LS248芯片，若干电阻，电源电池。

部分硬件方案论述

1 .七段数码管扫描显示方式的方案比较

方案一：静态显示方式：静态显示方式是指当显示器显示某一字符时，七段数码管的每段发光二极管的位选始终被选中。在这种显示方式下，每一个LED数码管显示器都需要一个8位的输出口进行控制。静态显示主要的优点是显示稳定，在发光二极管导通电流一定的情况下显示器的亮度大，系统运行过程中，在需要更新显示内容时，CPU才去执行显示更新子程序，这样既节约了CPU的时间，又提高了CPU的工作效率。其不足之处是占用硬件资源较多，每个LED数码管需要独占8条输出线。随着显示器位数的增加，需要的I/O口线也将增加。

方案二：动态显示方式：动态显示方式是指一位一位地轮流点亮每位显示器（称为扫描），即每个数码管的位选被轮流选中，多个数码管公用一组段选，段选数据仅对位选选中的数码管有效。对于每一位显示器来说，每隔一段时间点亮一次。显示器的亮度既与导通电流有关，也与点亮时间和间隔时间的比例有关。通过调整电流和时间参数，可以既保证亮度，又保证显示。若显示器的位数不大于8位，则显示器的公共端只需一个8位I/O口进行动态

扫描（称为扫描口），控制每位显示器所显示的字形也需一个8位口（称为段码输出）。动态显示器的优点是节省硬件资源，成本较低。但在控制系统运行过程中，要保证显示器正常显示，CPU必需每隔一段时间执行一次显示子程序，占用CPU大量时间，降低了CPU的工作效率，同时显示亮度较静态显示器低。

由于AVR ATmega16 单片机本身提供的I/O口有限，因此我们选择方案二——动态扫描方式。扫描方式中在轮流点亮扫描过程中，每位显示器的点亮时间是极为短暂的约1ms，但由于人的视觉暂留现象及发光二极管的余辉效应，尽管实际上各位显示器并非同时点亮，但只要扫描的速度足够快，给人的印象就是一组稳定的显示数据，不会有闪烁感。节约了电能，节省了I/O口。

2. 键盘连接方式方案比较

方案一：独立式键盘

一个具有4个按键的独立式键盘，每一个按键的一端都接地，另一端接mega16的I/O 口。独立式键盘每一按键都需要一根I/O线，占用mega16的硬件资源较多。因此独立式键盘只适合按键较少的场合。键盘是一组按键或开关的集合，键盘接口向计算机提供被按键的代码。特点：使用方便、结构复杂、成本高。

方案二：矩阵式键盘

我们采用4×3矩阵式键盘，键盘的行线X0～X3通过电阻接+5V，当键盘没有键闭合时，所有的行线和列线断开，行线X0～X3均呈高电平。当键盘上某一键闭合时，该键所对应的行线与列线短路，此时该行线的电平将由被短路的列线电平所决定。如果将行线接至单片机的输入端口，列线接至单片机的输出端口，则在单片机的控制下使列线Y0为低电平，其余三根列线Y1、Y2、Y3均为高电平，然后单片机读输入口状态(即键盘行线状态)，若X0、X1、X2、X3均为高电平，则Y0这一列上没有键闭合，如果读出的行线状态不全为高电平，则为低电平的行线和Ｙ0相交的键处于闭合状态。如果Y0这一列没有键闭合，紧接着使列线Y1为低电平，其余列线为高电平，用同样的方法检查Y1这一列有无键闭合，如此类推。这种逐行逐列地检查键盘状态的过程称为对键盘的扫描。CPU对键盘的扫描可以采取程序控制的随机方式，CPU空闲时才扫描键盘；也可以采取定时控制方式，每隔一段时间，CPU对键盘扫描一次；还可以采用中断方式，当键盘上有键闭合时，向CPU请求中断，CPU响应键盘发出的中断请求，对键盘进行扫描，以识别哪一个键处于闭合状态，并对键输入信息作相应处理。

因为如果采用独立式键盘AVR mega16的I/O口对于方案一来说将是远远不够用的，为了节省I/O口，使我们的设计能够顺利进行，我们选用方案二——矩阵连接式键盘。为了能够较为简单的编程，和节省CPU的资源，我们采用定时扫描，每隔一段时间，CPU对键盘扫描一次，并将键值读入。

硬件电路图

图1 硬件电路图

图2 原理图

硬件单元

1. 键盘输入单元：

这是用户使用时将密码输入到银行或单片机内的输入设备，具体结构构成见图：

采用12个按键开关，分别代表0~9十个数字输入键位，一个确认键和一个取消键。采取矩阵式键位设计，此举为减少对单片机的I/O口的使用，同时也是的我们键盘的的外形更好看，使用更人性化。键盘的航线和列现分别接AVR单片机的PORTA0~6七个端口。对键盘的识别方式我们采取行扫描法。具体使用由编程由单片机完成。

图3 输入设备结构图

2. 显示单元：

此设备是用户使用密码防盗键盘的的显示装置，用户通过它来观看键位数字的信息，找到每个键位所对应的密码数字，然后将自己的密码按照显示输入到单片机。

我们采用10个七段数码管，用来显示0~9十个数字，它们分别放在每个按键的上部，它所显示的数字即为下部按键的所输入的数字。为节约单片机的I/O口，对数码管的显示我们采用单片机动态显示方式。我们采用共阴接法，每个共阴极分别接一个200Ω的电阻，用来限流保护七段数码管。在实际焊接中，我们先对每一个数码管进行测定，找出其对应的a, b, c, d, e, f, g数码管的显示段，然后将10个数码管的a显示段全部连接到一起，并接单片机的PORTB0，其他的所有b显示段，c显示段…一直到g显示段分别连接到一起，然后再分别依次连接到单片机的PORTB1~6。由于所有的a, b, c, d, e, f, g数码管的显示段都连在一起，由于单片机的I/O口输出电流最高可输出40ｍA的电流，而七段数码管的共阴极端口需要100ｍA多的电流驱动，为提高电流驱动能力，我们采用ULN2003数码芯片，其作用是放大共阴极电流，相当于一个集成了多个三极管的芯片。(之所以没有选择三级管，是因为三极管引脚多，占用过多的空间，焊接也不方便)，共阴极单个接对应的ULN2003数码芯片，然后再由ULN2003数码芯片接到单片机的I/O口PORTD0~7和PORTC0~2。