一种实用的单片机矩阵键盘设计

电子工程师 2017-11-24 809

控制/MCU

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描述

矩阵键盘是单片机外部设备中所使用的排布类似于矩阵的键盘组。矩阵式结构的键盘显然比直接法要复杂一些，识别也要复杂一些，列线通过电阻接正电源，并将行线所接的单片机的I/O口作为输出端，而列线所接的I/O口则作为输入。矩阵键盘的优点是节约单片机IO口，例如普通键盘8个IO口只能用作8个按键，而矩阵键盘能作16个按键。
本文以51单片机为载体介绍一种4*4矩阵键盘实现16个按键操作的原理、电路和软件设计要点。
1、矩阵键盘的一般电路

图 1 矩阵键盘电路
如图 1 矩阵键盘电路所示，4*4矩阵键盘有4行4列按键，单片机4个I/O口接矩阵键盘的行线，另外4个I/O口接矩阵键盘的列线，通过对行线列线的操作完成按键的识别和操作。
2、矩阵键盘的原理
矩阵键盘按键识别的流程一般是这样的：
(1)置第1行为低电平（0），其余行为高电平，读取列线数据，列线有低电平表示有按键按下。
(2)置第2行为低电平（0），其余行为高电平，读取列线数据，列线有低电平表示有按键按下。
......
(N-1)根据行线列线的电平不同可以识别是否有按键按下，哪一个按键按下，获取按键号。
(N) 根据按键号跳转至对应的案件处理程序。
3、一个矩阵键盘程序的例子

图 2为按键处理的主流程，思路是依次拉低按键的各个行，再读取列线的数据，假如列线有低电平，则认为此行有按键按下，标记此行有按键按下并存入行值。
读取列线数据的思路则是这样，依次读取第1-4列，假如读取此列时为低电平，则标记并存入列值。

下面是部分代码：

//（1）按键识别程序
void key()//按键扫描
{
unsigned char key_value_temp;//临时按键值，默认1111 1111（二进制）
key_value=0xff; //键值
key_value_temp=0xff; //键值临时变量
//矩阵键盘程序流程
/*
1、置第1行为0，其余行为高，读取列线数据，列线有低电平表示有按键按下。
2、置第2行为0，其余行为高，读取列线数据，列线有低电平表示有按键按下。
......
3、根据按键号跳转至对应的处理程序
*/
//依次拉低第1234行，读入列线数据
Pin_r_1=0; Pin_r_2=1;Pin_r_3=1;Pin_r_4=1; //拉低第1行。
//Pin_r_1第1行行线，Pin_r_2第2行行线，其余类似
key_value_temp=read_column();//读列数据
if (key_value_temp != 0xff) //表示第一行有按键按下
{key_value=key_value_temp & 0x1f; //获取按键号，例如0001 1101表示第1行第2列的按键按下
}
Pin_r_1=1; Pin_r_2=0;Pin_r_3=1;Pin_r_4=1; //拉低第2行
key_value_temp=read_column();//读列数据
if (key_value_temp != 0xff) //表示第2行有按键按下
{key_value=key_value_temp & 0x2f;
}

Pin_r_1=1; Pin_r_2=1;Pin_r_3=0;Pin_r_4=1; //拉低第3行
key_value_temp=read_column();//读列数据
if (key_value_temp != 0xff) //表示第3行有按键按下
{key_value=key_value_temp & 0x3f;
}
Pin_r_1=1; Pin_r_2=1;Pin_r_3=1;Pin_r_4=0; //拉低第4行
key_value_temp=read_column();//读列数据
if (key_value_temp != 0xff) //表示第4行有按键按下
{key_value=key_value_temp & 0x4f;
}
}

//（2）读取列线数据
unsigned char read_column()//读矩阵键盘的列
{unsigned char key_column;
key_column=0xff;
if(Pin_c_1==0 ) key_column=key_column & 0xfe;//1110 表示第1列按键按下。 key_column的低4位表示按键号，高4位常为1111
if(Pin_c_2==0 ) key_column=key_column & 0xfd;//1101 表示第2列按键按下。
if(Pin_c_3==0 ) key_column=key_column & 0xfb;//1011 表示第3列按键按下。
if(Pin_c_4==0 ) key_column=key_column & 0xf7;//0111 表示第4列按键按下。
return key_column;
}

以上程序对应的键值表如下：

最后在程序中处理键值跳转至相应的操作即可。
有一个4*4矩阵键盘的proteus仿真例子实现了如下功能：
1、利用行扫描法读取4x4矩阵键盘键值；
2、LCD1602上显示按下的按键值。
地址为：
https://item.taobao.com/item.htm?spm=a1z10.1-c.w4004-1807243189.12.bcd01dROFzTk&id=556293299691

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