普中51单片机：矩阵按键扫描与应用详解（五）

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文章目录

  • 引言
  • 电路图
  • 开发板IO连接
  • 矩阵键盘的工作原理
    • 行列扫描
    • 逐行/逐列扫描
  • LCD1602代码库
  • 代码演示——暴力扫描
  • 代码演示——数码管(行列式)
  • 代码演示——线翻转法
  • 代码演示——LCD1602密码锁

引言

矩阵按键是一种通过行列交叉连接的按键阵列，可以有效地减少单片机I/O口的使用。常见的4x4矩阵键盘只需要8个I/O口即可读取16个按键的状态。采用逐行或逐列的“扫描”，就可以读出任何位置按键的状态。

电路图

在这里插入图片描述

开发板IO连接

请添加图片描述
根据图片可以看出，矩阵按键的连接在P1端口，下面是它的原理图。
在这里插入图片描述

注意：牵扯到数码管相连接的实物图，这里不做展示，可查看之前章节的数码管讲解：数码管讲解演示

矩阵键盘的工作原理

矩阵键盘通过行列扫描的方式来检测按键的状态。假设我们有一个4x4的矩阵键盘，它由4条行线和4条列线组成，总共可以检测16个按键。每个按键位于行线和列线的交叉点上。

行列扫描

行列扫描的基本步骤如下：

  1. 初始化：将所有行线设置为高电平，所有列线设置为低电平。
  2. 扫描行：逐行将行线设置为低电平，检测列线的状态。如果某一列线变为低电平，说明该行的某个按键被按下。（扫描列则反之）
  3. 确定列：将检测到的列线设置为高电平，逐列扫描，确定具体的按键位置。

逐行/逐列扫描

逐行/逐列扫描的本质与行列扫描类似，但适用于矩阵键盘接到了任意的I/O口。具体步骤如下：

  • 逐行扫描：将某一行设置为低电平，其余行和列设置为高电平，读取列线数据。
  • 逐列扫描：将某一列设置为低电平，其余行和列设置为高电平，读取行线数据。

LCD1602代码库

注意：LCD1602不过多讲解，后续会提供专门的章节。因为矩阵按键代码牵扯到LCD1602，根据源码可以看如何使用即可，也可以使用上一章的内容，使用数码管进行显示！

  • LCD1602.h
#ifndef __LCD1602_H__
#define __LCD1602_H__

//用户调用函数
void LCD_Init();
void LCD_ShowChar(unsigned char Line,unsigned char Column,char Char);
void LCD_ShowString(unsigned char Line,unsigned char Column,char *String);
void LCD_ShowNum(unsigned char Line,unsigned char Column,unsigned int Number,unsigned char Length);
void LCD_ShowSignedNum(unsigned char Line,unsigned char Column,int Number,unsigned char Length);
void LCD_ShowHexNum(unsigned char Line,unsigned char Column,unsigned int Number,unsigned char Length);
void LCD_ShowBinNum(unsigned char Line,unsigned char Column,unsigned int Number,unsigned char Length);

#endif
  • LCD1602.c
#include <REGX52.H>

//引脚配置：
sbit LCD_RS=P2^6;
sbit LCD_RW=P2^5;
sbit LCD_EN=P2^7;
#define LCD_DataPort P0

//函数定义：
/**
  * @brief  LCD1602延时函数，12MHz调用可延时1ms
  * @param  无
  * @retval 无
  */
void LCD_Delay()
{
	unsigned char i, j;

	i = 2;
	j = 239;
	do
	{
		while (--j);
	} while (--i);
}

/**
  * @brief  LCD1602写命令
  * @param  Command 要写入的命令
  * @retval 无
  */
void LCD_WriteCommand(unsigned char Command)
{
	LCD_RS=0;
	LCD_RW=0;
	LCD_DataPort=Command;
	LCD_EN=1;
	LCD_Delay();
	LCD_EN=0;
	LCD_Delay();
}

/**
  * @brief  LCD1602写数据
  * @param  Data 要写入的数据
  * @retval 无
  */
void LCD_WriteData(unsigned char Data)
{
	LCD_RS=1;
	LCD_RW=0;
	LCD_DataPort=Data;
	LCD_EN=1;
	LCD_Delay();
	LCD_EN=0;
	LCD_Delay();
}

/**
  * @brief  LCD1602设置光标位置
  * @param  Line 行位置，范围：1~2
  * @param  Column 列位置，范围：1~16
  * @retval 无
  */
void LCD_SetCursor(unsigned char Line,unsigned char Column)
{
	if(Line==1)
	{
		LCD_WriteCommand(0x80|(Column-1));
	}
	else if(Line==2)
	{
		LCD_WriteCommand(0x80|(Column-1+0x40));
	}
}

/**
  * @brief  LCD1602初始化函数
  * @param  无
  * @retval 无
  */
void LCD_Init()
{
	LCD_WriteCommand(0x38);//八位数据接口，两行显示，5*7点阵
	LCD_WriteCommand(0x0c);//显示开，光标关，闪烁关
	LCD_WriteCommand(0x06);//数据读写操作后，光标自动加一，画面不动
	LCD_WriteCommand(0x01);//光标复位，清屏
}

/**
  * @brief  在LCD1602指定位置上显示一个字符
  * @param  Line 行位置，范围：1~2
  * @param  Column 列位置，范围：1~16
  * @param  Char 要显示的字符
  * @retval 无
  */
void LCD_ShowChar(unsigned char Line,unsigned char Column,char Char)
{
	LCD_SetCursor(Line,Column);
	LCD_WriteData(Char);
}

/**
  * @brief  在LCD1602指定位置开始显示所给字符串
  * @param  Line 起始行位置，范围：1~2
  * @param  Column 起始列位置，范围：1~16
  * @param  String 要显示的字符串
  * @retval 无
  */
void LCD_ShowString(unsigned char Line,unsigned char Column,char *String)
{
	unsigned char i;
	LCD_SetCursor(Line,Column);
	for(i=0;String[i]!='\0';i++)
	{
		LCD_WriteData(String[i]);
	}
}

/**
  * @brief  返回值=X的Y次方
  */
int LCD_Pow(int X,int Y)
{
	unsigned char i;
	int Result=1;
	for(i=0;i<Y;i++)
	{
		Result*=X;
	}
	return Result;
}

/**
  * @brief  在LCD1602指定位置开始显示所给数字
  * @param  Line 起始行位置，范围：1~2
  * @param  Column 起始列位置，范围：1~16
  * @param  Number 要显示的数字，范围：0~65535
  * @param  Length 要显示数字的长度，范围：1~5
  * @retval 无
  */
void LCD_ShowNum(unsigned char Line,unsigned char Column,unsigned int Number,unsigned char Length)
{
	unsigned char i;
	LCD_SetCursor(Line,Column);
	for(i=Length;i>0;i--)
	{
		LCD_WriteData(Number/LCD_Pow(10,i-1)%10+'0');
	}
}

/**
  * @brief  在LCD1602指定位置开始以有符号十进制显示所给数字
  * @param  Line 起始行位置，范围：1~2
  * @param  Column 起始列位置，范围：1~16
  * @param  Number 要显示的数字，范围：-32768~32767
  * @param  Length 要显示数字的长度，范围：1~5
  * @retval 无
  */
void LCD_ShowSignedNum(unsigned char Line,unsigned char Column,int Number,unsigned char Length)
{
	unsigned char i;
	unsigned int Number1;
	LCD_SetCursor(Line,Column);
	if(Number>=0)
	{
		LCD_WriteData('+');
		Number1=Number;
	}
	else
	{
		LCD_WriteData('-');
		Number1=-Number;
	}
	for(i=Length;i>0;i--)
	{
		LCD_WriteData(Number1/LCD_Pow(10,i-1)%10+'0');
	}
}

/**
  * @brief  在LCD1602指定位置开始以十六进制显示所给数字
  * @param  Line 起始行位置，范围：1~2
  * @param  Column 起始列位置，范围：1~16
  * @param  Number 要显示的数字，范围：0~0xFFFF
  * @param  Length 要显示数字的长度，范围：1~4
  * @retval 无
  */
void LCD_ShowHexNum(unsigned char Line,unsigned char Column,unsigned int Number,unsigned char Length)
{
	unsigned char i,SingleNumber;
	LCD_SetCursor(Line,Column);
	for(i=Length;i>0;i--)
	{
		SingleNumber=Number/LCD_Pow(16,i-1)%16;
		if(SingleNumber<10)
		{
			LCD_WriteData(SingleNumber+'0');
		}
		else
		{
			LCD_WriteData(SingleNumber-10+'A');
		}
	}
}

/**
  * @brief  在LCD1602指定位置开始以二进制显示所给数字
  * @param  Line 起始行位置，范围：1~2
  * @param  Column 起始列位置，范围：1~16
  * @param  Number 要显示的数字，范围：0~1111 1111 1111 1111
  * @param  Length 要显示数字的长度，范围：1~16
  * @retval 无
  */
void LCD_ShowBinNum(unsigned char Line,unsigned char Column,unsigned int Number,unsigned char Length)
{
	unsigned char i;
	LCD_SetCursor(Line,Column);
	for(i=Length;i>0;i--)
	{
		LCD_WriteData(Number/LCD_Pow(2,i-1)%2+'0');
	}
}

代码演示——暴力扫描

这个程序初始化LCD显示屏并不断扫描4x4矩阵键盘。当按键被按下时，相应的键号会显示在LCD1602上。延迟函数确保按键消抖，以避免多次检测到单次按键。

扫描4x4矩阵键盘。它依次将每一列设置为低电平，并检查每一行是否有低电平信号，表示按键被按下。返回相应的键号。

#include <REGX52.H>
#include "LCD1602.h"

void DelayXms(unsigned int xms)	//@12.000MHz
{
	unsigned char data i, j;
	
	while(xms)
	{
		i = 2;
		j = 239;
		do
		{
			while (--j);
		} while (--i);
		xms--;
	}
}

unsigned char MatrixKey()
{
	unsigned char keyNumber = 0;

	P1 = 0xff;
	P1_3 = 0;//第一列低电平
	if(P1_7 == 0)
	{
		DelayXms(1);
		while(P1_7 == 0);
		DelayXms(1);
		keyNumber = 1;
	}
	if(P1_6 == 0)
	{
		DelayXms(1);
		while(P1_6 == 0);
		DelayXms(1);
		keyNumber = 5;
	}
	if(P1_5 == 0)
	{
		DelayXms(1);
		while(P1_5 == 0);
		DelayXms(1);
		keyNumber = 9;
	}
	if(P1_4 == 0)
	{
		DelayXms(1);
		while(P1_4 == 0);
		DelayXms(1);
		keyNumber = 13;
	}

	P1 = 0xff;
	P1_2 = 0;//第二列低电平
	if(P1_7 == 0)
	{
		DelayXms(1);
		while(P1_7 == 0);
		DelayXms(1);
		keyNumber = 2;
	}
	if(P1_6 == 0)
	{
		DelayXms(1);
		while(P1_6 == 0);
		DelayXms(1);
		keyNumber = 6;
	}
	if(P1_5 == 0)
	{
		DelayXms(1);
		while(P1_5 == 0);
		DelayXms(1);
		keyNumber = 10;
	}
	if(P1_4 == 0)
	{
		DelayXms(1);
		while(P1_4 == 0);
		DelayXms(1);
		keyNumber = 14;
	}

	P1 = 0xff;
	P1_1 = 0;//第三列低电平
	if(P1_7 == 0)
	{
		DelayXms(1);
		while(P1_7 == 0);
		DelayXms(1);
		keyNumber = 3;
	}
	if(P1_6 == 0)
	{
		DelayXms(1);
		while(P1_6 == 0);
		DelayXms(1);
		keyNumber = 7;
	}
	if(P1_5 == 0)
	{
		DelayXms(1);
		while(P1_5 == 0);
		DelayXms(1);
		keyNumber = 11;
	}
	if(P1_4 == 0)
	{
		DelayXms(1);
		while(P1_4 == 0);
		DelayXms(1);
		keyNumber = 15;
	}

	P1 = 0xff;
	P1_0 = 0;//第四列低电平
	if(P1_7 == 0)
	{
		DelayXms(1);
		while(P1_7 == 0);
		DelayXms(1);
		keyNumber = 4;
	}
	if(P1_6 == 0)
	{
		DelayXms(1);
		while(P1_6 == 0);
		DelayXms(1);
		keyNumber = 8;
	}
	if(P1_5 == 0)
	{
		DelayXms(1);
		while(P1_5 == 0);
		DelayXms(1);
		keyNumber = 12;
	}
	if(P1_4 == 0)
	{
		DelayXms(1);
		while(P1_4 == 0);
		DelayXms(1);
		keyNumber = 16;
	}

	return keyNumber;
} 

void main()
{
	LCD_Init();
	LCD_ShowString(1,1,"helloword");
	while(1)
	{
		unsigned char temp = MatrixKey();
		if(temp)
		{
			LCD_ShowNum(2,1,temp,2);
		}
	}
}

代码演示——数码管(行列式)

程序初始化数码管并不断扫描4x4矩阵键盘。当按键被按下时，相应的键号会显示在数码管上。延迟函数确保按键消抖，以避免多次检测到单次按键。（9之后的数字显示的是字母A~E），数码管如何连接可参考此博客：数码管讲解演示

#include <REGX52.H>

//共阴极数码管显示 0~F 的段码数据
unsigned char gsmg_code[17]={0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,
0x7f,0x6f,0x77,0x7c,0x39,0x5e,0x79,0x71};

void DelayXms(unsigned int xms)	//@12.000MHz
{
	unsigned char data i, j;
	
	while(xms)
	{
		i = 2;
		j = 239;
		do
		{
			while (--j);
		} while (--i);
		xms--;
	}
}

unsigned char MatrixRanksScan()
{
	unsigned char keyNum = 0;
	P1 = 0xf7;//第一列低电平
	if(P1 != 0xf7)//表示第一列有按键按下
	{
		DelayXms(1);//消抖处理
		switch(P1)
		{
			case 0x77:
				keyNum = 1;
				break;
			case 0xb7:
				keyNum = 5;
				break;
			case 0xd7:
				keyNum = 9;
				break;
			case 0xe7:
				keyNum = 13;
				break;
		}
	}
	while(P1 != 0xf7);

	P1 = 0xfb;//第二列低电平
	if(P1 != 0xfb)//表示第一列有按键按下
	{
		DelayXms(1);//消抖处理
		switch(P1)
		{
			case 0x7b:
				keyNum = 2;
				break;
			case 0xbb:
				keyNum = 6;
				break;
			case 0xdb:
				keyNum = 10;
				break;
			case 0xeb:
				keyNum = 14;
				break;
		}
	}
	while(P1 != 0xfb);

	P1 = 0xfd;//第三列低电平
	if(P1 != 0xfd)//表示第一列有按键按下
	{
		DelayXms(1);//消抖处理
		switch(P1)
		{
			case 0x7d:
				keyNum = 3;
				break;
			case 0xbd:
				keyNum = 7;
				break;
			case 0xdd:
				keyNum = 11;
				break;
			case 0xeb:
				keyNum = 15;
				break;
		}
	}
	while(P1 != 0xfd);

	P1 = 0xfe;//第四列低电平
	if(P1 != 0xfe)//表示第一列有按键按下
	{
		DelayXms(1);//消抖处理
		switch(P1)
		{
			case 0x7e:
				keyNum = 4;
				break;
			case 0xbe:
				keyNum = 8;
				break;
			case 0xde:
				keyNum = 12;
				break;
			case 0xee:
				keyNum = 16;
				break;
		}
	}
	while(P1 != 0xfe);
	return keyNum;
}

void main()
{
	unsigned char temp = 0;
	P0 = ~gsmg_code[temp];
	while(1)
	{
		temp = MatrixRanksScan();
		if(temp)
		{
			P0 = ~gsmg_code[temp];
		}
	}
}

代码演示——线翻转法

线翻转法是一种用于矩阵键盘扫描的技术，特别适用于单片机控制的场景。它通过交替设置行和列的电平来检测按键的按下位置。扫描4x4矩阵键盘。它首先将列设置为低电平，并检查是否有按键按下。如果有按键按下，则进一步检查行，确定具体的按键位置，并返回相应的键值。

#include <REGX52.H>

//共阴极数码管显示 0~F 的段码数据
unsigned char gsmg_code[17]={0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,
0x7f,0x6f,0x77,0x7c,0x39,0x5e,0x79,0x71};

void DelayXms(unsigned int xms)	//@12.000MHz
{
	unsigned char data i, j;
	
	while(xms)
	{
		i = 2;
		j = 239;
		do
		{
			while (--j);
		} while (--i);
		xms--;
	}
}

unsigned char MatrixFlipScan()
{
	unsigned char key_value = 0;	

	P1 = 0x0f;
	if(P1 != 0x0f)//列被按下
	{
		DelayXms(1);//消抖处理
		
		if(P1 != 0x0f)
		{
			//测试列
			switch(P1)
			{
				case 0x07://第一列有按键按下
					key_value = 1;
					break;
				case 0x0b://第二列有按键按下
					key_value = 2;
					break;
				case 0x0d://第三列有按键按下
					key_value = 3;
					break;
				case 0x0e://第四列有按键按下
					key_value = 4;
					break;	
			}
			//测试行
			P1 = 0xf0;
			switch(P1)
			{
				case 0x70://第一行有按键按下
					key_value = key_value;
					break;
				case 0xb0://第二行有按键按下
					key_value = key_value+4;
					break;
				case 0xd0://第三行有按键按下
					key_value = key_value+8;
					break;
				case 0xe0://第四行有按键按下
					key_value = key_value+12;
					break;	
			}
		}
	}
	return key_value;
}

void main()
{
	unsigned char temp = 0;
	P0 = ~gsmg_code[temp];
	while(1)
	{
		temp = MatrixFlipScan();
		if(temp)
		{
			P0 = ~gsmg_code[temp];
		}
	}
}

代码演示——LCD1602密码锁

这个程序初始化LCD显示屏并不断扫描4x4矩阵键盘。当按键被按下时，相应的键号会显示在LCD上。用户可以输入密码并进行验证，正确的密码会显示“OK PASS”，错误的密码会显示“ERR”。密码输入和验证，如果按下S1S10（键号110），则输入密码。如果按下S11（键号11），则确认密码是否正确。如果按下S12（键号12），则取消输入，重置密码。

#include <REGX52.H>
#include "LCD1602.h"

void DelayXms(unsigned int xms)	//@12.000MHz
{
	unsigned char data i, j;
	
	while(xms)
	{
		i = 2;
		j = 239;
		do
		{
			while (--j);
		} while (--i);
		xms--;
	}
}

unsigned char MatrixKey()
{
	unsigned char keyNumber = 0;

	P1 = 0xff;
	P1_3 = 0;//第一列低电平
	if(P1_7 == 0)
	{
		DelayXms(1);
		while(P1_7 == 0);
		DelayXms(1);
		keyNumber = 1;
	}
	if(P1_6 == 0)
	{
		DelayXms(1);
		while(P1_6 == 0);
		DelayXms(1);
		keyNumber = 5;
	}
	if(P1_5 == 0)
	{
		DelayXms(1);
		while(P1_5 == 0);
		DelayXms(1);
		keyNumber = 9;
	}
	if(P1_4 == 0)
	{
		DelayXms(1);
		while(P1_4 == 0);
		DelayXms(1);
		keyNumber = 13;
	}

	P1 = 0xff;
	P1_2 = 0;//第二列低电平
	if(P1_7 == 0)
	{
		DelayXms(1);
		while(P1_7 == 0);
		DelayXms(1);
		keyNumber = 2;
	}
	if(P1_6 == 0)
	{
		DelayXms(1);
		while(P1_6 == 0);
		DelayXms(1);
		keyNumber = 6;
	}
	if(P1_5 == 0)
	{
		DelayXms(1);
		while(P1_5 == 0);
		DelayXms(1);
		keyNumber = 10;
	}
	if(P1_4 == 0)
	{
		DelayXms(1);
		while(P1_4 == 0);
		DelayXms(1);
		keyNumber = 14;
	}

	P1 = 0xff;
	P1_1 = 0;//第三列低电平
	if(P1_7 == 0)
	{
		DelayXms(1);
		while(P1_7 == 0);
		DelayXms(1);
		keyNumber = 3;
	}
	if(P1_6 == 0)
	{
		DelayXms(1);
		while(P1_6 == 0);
		DelayXms(1);
		keyNumber = 7;
	}
	if(P1_5 == 0)
	{
		DelayXms(1);
		while(P1_5 == 0);
		DelayXms(1);
		keyNumber = 11;
	}
	if(P1_4 == 0)
	{
		DelayXms(1);
		while(P1_4 == 0);
		DelayXms(1);
		keyNumber = 15;
	}

	P1 = 0xff;
	P1_0 = 0;//第四列低电平
	if(P1_7 == 0)
	{
		DelayXms(1);
		while(P1_7 == 0);
		DelayXms(1);
		keyNumber = 4;
	}
	if(P1_6 == 0)
	{
		DelayXms(1);
		while(P1_6 == 0);
		DelayXms(1);
		keyNumber = 8;
	}
	if(P1_5 == 0)
	{
		DelayXms(1);
		while(P1_5 == 0);
		DelayXms(1);
		keyNumber = 12;
	}
	if(P1_4 == 0)
	{
		DelayXms(1);
		while(P1_4 == 0);
		DelayXms(1);
		keyNumber = 16;
	}

	return keyNumber;
}

void main()
{
	unsigned int password = 0;
	unsigned int countkey = 0;
	LCD_Init();
	LCD_ShowString(1,1,"Password:");

	while(1)
	{
		unsigned char temp = MatrixKey();
		if(temp)
		{
			if(temp<=10)//如果S1~S10按键按下，进行输入密码
			{
				if(countkey < 4)
				{
					password*=10;
					password+=temp%10;//获取一位密码
					countkey++;		
				}
				LCD_ShowNum(2,1,password,4);//更新密码
			}
			if(temp == 11)//S11确认
			{
				if(password == 2345)//2345定义为正确密码
				{
					LCD_ShowString(1,14,"O K");
					LCD_ShowString(2,13,"PASS");
				}
				else
				{
					LCD_ShowString(1,14,"ERR");
					password = 0;//初始密码
					countkey = 0;//初始次数
					LCD_ShowNum(2,1,password,4);//更新密码
				}
			}
			if(temp == 12)//S12取消键
			{
				password = 0;//初始密码
				countkey = 0;//初始次数
				LCD_ShowNum(2,1,password,4);//更新密码	
			}
		}
	}
}

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