【51单片机实验笔记】开关篇（二） 矩阵按键

目录

  • 前言
  • 原理图分析
    • 矩阵按键
    • 扫描算法
  • 软件实现
    • 1. 矩阵键盘检测
    • 2. 简易计算器实现
  • 总结

前言

本节内容，我们学习一下矩阵按键，它是独立按键的阵列形式，常见的应用即键盘。

本节涉及到的封装源文件可在《模块功能封装汇总》中找到。

本节完整工程文件已上传GitHub，仓库地址，欢迎下载交流！

原理图分析

矩阵按键

上一节中，我们实现了多个独立按键的驱动及检测，我们每个按键都连接了一个IO。但当所需按键较多时，比如需要100个独立按键，使用之前的接线方式显然会消耗非常多的IO口资源。参考LED点阵思想，采用并联结构的矩阵按键可以有效解决这个问题。类似地，我们采用动态扫描的方式检测每个按键。

图1 矩阵按键
图2 矩阵按键原理图

扫描算法

具体来说，有两种主流扫描方法，各有特点。现介绍如下：

反转法
1. 先对所有行输入低电平，读取所有列的输出。显然，没有按键按下的列依然保持高电平，有按键按下的列则为低电平。 记录有按键按下的列号。
2. 翻转IO引脚输入输出关系，对所有列输入低电平，读取所有行的输出。同理，也可以得到被按下按键的行号。由于前后两次扫描速度极快，远远大于人的反应速度，所以不存在反转过程中松开或更换按键的情况。
3. 至此，可以唯一确定被按下键的位置。

优点： 只需扫描2次就能确定按键位置，效率高。
缺点： 依赖于硬件的IO翻转速度。只能检测单键，组合键无法检测。

扫描法
1. 逐行输入0，读取所有列的输出。显然，没有按键按下的列依然保持高电平，有按键按下的列则为低电平。 一旦有某列为低电平，按键位置就被唯一确定。
2. 完成一次整体扫描需要4次。也可以逐列扫描，原理一致。

优点： 只要扫描到就能直接确定按键位置，实现简单。
缺点： 完成一次整体扫描需要4次，效率稍低。只适用于较小规模的矩阵按键

软件实现

1. 矩阵键盘检测

实现了反转法和扫描法两种检测扫描方法。实验现象为按下一个键，蜂鸣器短鸣，数码管显示对应（0~F）的数值。

matrix_key.h

#ifndef _MATRIX_KEY_H_
#define _MATRIX_KEY_H_

#include "delay.h"
#include "beep.h"
#include "smg.h"

#define MATRIX_PORT	P1

// 矩阵按键单次响应（0）或连续响应（1）开关
#define MatrixKEY_MODE 0


sbit ROW_PORT_1 = P1^7;
sbit ROW_PORT_2 = P1^6;
sbit ROW_PORT_3 = P1^5; // 共用了蜂鸣器引脚
sbit ROW_PORT_4 = P1^4;

sbit COL_PORT_1 = P1^3;
sbit COL_PORT_2 = P1^2;
sbit COL_PORT_3 = P1^1;
sbit COL_PORT_4 = P1^0;

void check_matrixKey_turn();
void check_matrixKey_scan();

#endif

matrix_key.c

#include "matrix_key.h"
/** 
 **  @brief    实现了矩阵按键的两种扫描方式
 **			   1. 与数码管、蜂鸣器联动
 **			   2. 按下一个键，数码管显示对应（0~F）的数值
 **			   3. 按下至未松开过程中，屏蔽其他按键
 **  @author   QIU
 **  @date     2023.05.08
 **/


/*-------------------------------------------------------------------*/

// 存储按下的行列
u8 row, col;
// 按键当前状态，true按下中，false已释放
u8 key_now_state = false;


/**
 **  @brief   读取电平
 **  @param   state: 0-列，1-行
 **  @retval  返回列（行）数
 **/
u8 read_port(bit state){
	u8 dat;
	if(state) dat = MATRIX_PORT >> 4; // 如果是行，取高四位
	else dat =  MATRIX_PORT & 0x0f;   // 如果是列，取低四位
	// 从左上开始为第一行，第一列
	switch(dat){
		// 0000 1110 第4列(行)
		case 0x0e: return 4;
		// 0000 1101 第3列(行)
		case 0x0d: return 3;
		// 0000 1011 第2列(行)
		case 0x0b: return 2;
		// 0000 0111 第1列(行)
		case 0x07: return 1;
		// 0000 1111 没有按下
		case 0x0f: return 0;
		// 多键同时按下不响应
		default: return 0;
	}
}



/**
 **  @brief   矩阵按键处理
 **  @param   参数说明
 **  @retval  返回值
 **/
void key_pressed(){
	u8 key_val;
	// 如果不是连续模式
	if(!MatrixKEY_MODE) key_now_state = true; 
	// 蜂鸣器响应，第三行连接P1.5，不响
	beep_once(50, 2000);
	
	// 计算显示的字符
	key_val = (row-1)*4 + (col - 1);
	if(key_val >= 0 && key_val <= 9) key_val += '0';
	else key_val += 'A' - 10;
	// 字符显示
	smg_showChar(key_val, 1, false);
}

/**
 **  @brief   (反转法)检测按键（单键），按住过程中屏蔽其他按键。同列需全部松开才能再次响应
 **  @param   无
 **  @retval  无
 **/
void check_matrixKey_turn(){
	// 所有行置低电平，列置高电平
	MATRIX_PORT = 0x0f;
	// 读取所有列电平
	col = read_port(0);
	// 如果有效键按下，延时消抖
	if(col) delay_ms(10);
	else {key_now_state = false;return;} // 注意，if else还是需要括号的，与case 不同
	// 所有列置低电平，行置高电平
	MATRIX_PORT = 0xf0;
	// 读取所有行电平
	row = read_port(1);
	// 如果有键按下(当前未按下)，响应
	if(row && !key_now_state) key_pressed();
	else return;
}


/**
 **  @brief   (扫描法)检测按键，本例扫描列
 **  @param   无
 **  @retval  无
 **/
void check_matrixKey_scan(){
	u8 i;
	for(i=0;i<4;i++){
		MATRIX_PORT = ~(0x08>>i); // 逐列置0，且所有行置1
		row = read_port(1); // 读取行
		if(!row && col == i+1)key_now_state = false; // 当前扫描列无有效键按下
		else if(row && !key_now_state){       // 有效键按下且为松开状态
			delay_ms(10);
			row = read_port(1); // 再次读取行
			if(row) {col = i+1;key_pressed();} 
		}
	}
}

main.c

#include "matrix_key.h"
#include "smg.h"

/** 
 **  @brief    实验现象：矩阵按键按下，数码管显示对应数字，同时蜂鸣器作按键提示音
 **  @author   QIU
 **  @date     2023.05.08
 **/

/*-------------------------------------------------------------------*/

void main(){
	
	smg_showChar(' ', 1, false);
	
	while(1){
		// 反转法
		// check_matrixKey_turn();
		// 扫描法
		check_matrixKey_scan();
	}
}

注意：由于开发板中矩阵按键共用了蜂鸣器的引脚P1.5，因此按下按键的时候蜂鸣器会发出响声。此为硬件电路问题，属正常现象。

2. 简易计算器实现

模仿计算器的键位分布，定义键位如下图所示。
在这里插入图片描述
配合数码管显示，可以实现简单的加减乘除四则运算，支持浮点数和负数计算。

为了减少各模块的耦合，将计算器的具体处理部分抽至calculator.h、calculator.c中，原本矩阵键盘的源代码文件几乎无需改动。

matrix_key.h

#ifndef _MATRIX_KEY_H_
#define _MATRIX_KEY_H_

#include "public.h"
// 将具体处理部分集成到另个文件中，减少耦合
#include "calculator.h" 

#define MATRIX_PORT	P1

// 矩阵按键单次响应（0）或连续响应（1）开关
#define MatrixKEY_MODE 0


sbit ROW_PORT_1 = P1^7;
sbit ROW_PORT_2 = P1^6;
sbit ROW_PORT_3 = P1^5; // 共用了蜂鸣器引脚
sbit ROW_PORT_4 = P1^4;

sbit COL_PORT_1 = P1^3;
sbit COL_PORT_2 = P1^2;
sbit COL_PORT_3 = P1^1;
sbit COL_PORT_4 = P1^0;


void check_matrixKey_turn();
void check_matrixKey_scan();

#endif

matrix_key.c

#include "matrix_key.h"

/** 
 **  @brief    实现了矩阵按键的两种扫描方式
 **  @author   QIU
 **  @date     2024.02.14
 **/


/*-------------------------------------------------------------------*/

// 存储按下的行列
u8 row, col;
// 按键当前状态，true按下中，false已释放
u8 key_now_state = false;



/**
 **  @brief   读取电平
 **  @param   state: 0-列，1-行
 **  @retval  返回列（行）数
 **/
u8 read_port(bit state){
	u8 dat;
	if(state) dat = MATRIX_PORT >> 4; // 如果是行，取高四位
	else dat =  MATRIX_PORT & 0x0f;   // 如果是列，取低四位
	// 从左上开始为第一行，第一列
	switch(dat){
		// 0000 1110 第4列(行)
		case 0x0e: return 4;
		// 0000 1101 第3列(行)
		case 0x0d: return 3;
		// 0000 1011 第2列(行)
		case 0x0b: return 2;
		// 0000 0111 第1列(行)
		case 0x07: return 1;
		// 0000 1111 没有按下
		case 0x0f: return 0;
		// 多键同时按下不响应
		default: return 0;
	}
}



/**
 **  @brief   矩阵按键处理函数
 **  @param   参数说明
 **  @retval  返回值
 **/
void key_pressed(){
	// 如果不是连续模式
	if(!MatrixKEY_MODE) key_now_state = true; 
	// 计算器处理函数
	calculator_deal_key(row, col);
}



/**
 **  @brief   (反转法)检测按键（单键），按住过程中屏蔽其他按键。同列需全部松开才能再次响应
 **  @param   无
 **  @retval  无
 **/
void check_matrixKey_turn(){
	// 所有行置低电平，列置高电平
	MATRIX_PORT = 0x0f;
	// 读取所有列电平
	col = read_port(0);
	// 如果有效键按下，延时消抖
	if(col){
		// 当且仅当松开状态才进一步检测
		if(!key_now_state) delay_ms(10);
		else return;
	}else{
		key_now_state = false;
		return;
	} 
	// 所有列置低电平，行置高电平
	MATRIX_PORT = 0xf0;
	// 读取所有行电平
	row = read_port(1);
	// 如果有键按下(当前未按下)，响应
	if(row && !key_now_state) key_pressed();
	else return;
}


/**
 **  @brief   (扫描法)检测按键，本例扫描列
 **  @param   无
 **  @retval  无
 **/
void check_matrixKey_scan(){
	u8 i;
	for(i=0;i<4;i++){
		MATRIX_PORT = ~(0x08>>i); // 逐列置0，且所有行置1
		row = read_port(1); // 读取行
		if(!row && col == i+1)key_now_state = false; // 当前扫描列无有效键按下
		else if(row && !key_now_state){       // 有效键按下且为松开状态
			delay_ms(10);
			row = read_port(1); // 再次读取行
			if(row) {col = i+1;key_pressed();} 
		}
	}
}

calculator.h

#ifndef __CALCULATOR_H__
#define __CALCULATOR_H__

#include "public.h"

// 键值枚举
typedef enum{
	KEY_0 = 0,
	KEY_1,
	KEY_2,
	KEY_3,
	KEY_4,
	KEY_5,
	KEY_6,
	KEY_7,
	KEY_8,
	KEY_9,
	Dot,
	Addition,
	Subtraction,
	Multiplication,
	Division,
	Calculation
}Key_Value;

extern u8 xdata smg_val[];

void calculator_deal_key(u8, u8);

#endif

calculator.c

#include "calculator.h"
#include "beep.h"
#include "smg.h"
/** 
 **  @brief    计算器相关函数封装
 **  @author   QIU
 **  @date     2024.02.17
 **/
/*-------------------------------------------------------------------*/


// 管理一个用于数码管显示的字符数组，以'\0'结尾
u8 xdata smg_val[10] = {'0', 0};
// 前数值，当前数值
double pre_value = 0, now_value = 0;
// 小数点后位数，整数部分位数
u8 dot_num = 0, pre_dot_num = 0, integer_num = 0, pre_integer_num = 0;
// 存储上一个运算符（默认为加法）
u8 pre_operator_val = Addition;
// 小数点启用标志，新数据输入标志
bit flag_dot = false, flag_new_data = true;
// 矩阵键盘键值数组（4 x 4）
u8 code Matrix_Key_Value[4][4] = {
	{KEY_7, KEY_8, KEY_9, Addition},
	{KEY_4, KEY_5, KEY_6, Subtraction},
	{KEY_1, KEY_2, KEY_3, Multiplication},
	{KEY_0, Dot, Calculation, Division}
};




/**
 **  @brief   根据按键，更新数码管显示值
 **  @param   参数说明
 **  @retval  返回值
 **/
void update_smg_value(u8 row, u8 col){
	// 取出当前键值
	u8 key_val = Matrix_Key_Value[row - 1][col - 1];
	
	switch(key_val){
		// KEY_0，未进入小数部分，且初始为0的状态下，按下无响应
		case KEY_0: if(!flag_dot && integer_num == 0 && smg_val[0] == '0') return;
		case KEY_1:
		case KEY_2:	
		case KEY_3:
		case KEY_4:	
		case KEY_5:
		case KEY_6:	
		case KEY_7:
		case KEY_8:	
		case KEY_9:	
			// 每次操作符后首次按键，清空显示字符串
			if(flag_new_data){
				flag_new_data = false;
				// 清空smg_val数组
				memset(smg_val, 0, sizeof(smg_val));
				flag_dot = false;
				// 两数的小数最大个数即为运算结果的小数个数
				pre_dot_num = MAX(pre_dot_num, dot_num);
				pre_integer_num = integer_num;
				dot_num = integer_num = 0;
			}
			         
			if(flag_dot){
				// 已按下小数点时，小数部分
				dot_num++;
				smg_val[integer_num + dot_num] = key_val + '0';		
			}else{
				// 还未按下小数点时，整数部分
				smg_val[integer_num] = key_val + '0';
				integer_num++;
			}
			break;
		case Dot:
			// 如果按下运算符后，直接按小数点无效。
			if(flag_new_data && integer_num != 0) return;
			else flag_new_data = false;
			// 如果未进入小数状态，该键有效
			if(!flag_dot){
				flag_dot = true;
				// 如果初始状态为0
				if(integer_num == 0 && smg_val[0] == '0'){
					integer_num++;
					smg_val[integer_num] = '.';
				}else{
					smg_val[integer_num] = '.';
				}
			}
			break;
		case Addition:
		case Subtraction:
		case Multiplication:
		case Division:
		case Calculation:
			// 只有当输入过新数据或者上个运算符为等号时，运算符键才有效
			if(!flag_new_data || pre_operator_val == Calculation){
				double val;
				int num;
				// 将现有显示的字符串转为数值
				pre_value = now_value;
				now_value = atof(smg_val);
				switch(pre_operator_val){
					case Addition: val = pre_value + now_value; num = MAX(pre_dot_num, dot_num); break;
					case Subtraction: val = pre_value - now_value; num = MAX(pre_dot_num, dot_num); break;
					case Multiplication: val = pre_value * now_value; num = pre_dot_num + dot_num; break;
					case Division: val = pre_value / now_value; num = 6; break;
					case Calculation: val = now_value; num = MAX(pre_dot_num, dot_num); break;
				}
				sprintf(smg_val, "%.*f", num, val); 
				pre_operator_val = key_val; 
				flag_new_data = true;
				// 再更新为当前值
				now_value = atof(smg_val);
			}
			break;
		default:break;
	}
}


// 计算器键值处理
void calculator_deal_key(u8 row, u8 col){
	// 蜂鸣器响应，第三行连接P1.5，不响
	beep_once(50, 2000);
	// 更新数码管的值
	update_smg_value(row, col);
}

main.c

#include "matrix_key.h"
#include "smg.h"


int main(void){
	while(1){
		// 矩阵按键扫描
		check_matrixKey_turn();
		// 数码管刷新
		smg_showString(smg_val, 1);
	}
}

总结

矩阵按键的检测方法与其阵列方式息息相关。现在，我们可以尝试在任意的小项目中加入按键模块。

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1. STM32官方标准固件库简介 STM32官方标准固件库是由STMicroelectronics&#xff08;ST&#xff09;提供的一套软件开发工具&#xff0c;旨在简化STM32微控制器的软件开发过程。该固件库提供了丰富的功能和模块&#xff0c;涵盖了STM32微控制器的各种外设&#xff0c;包括但不…
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