矩阵按键介绍

  独立按键与单片机连接时，每一个按键都需要单片机的一个 I/O 口，若某单片机系统需较多按键，如果用独立按键便会占用过多的 I/O 口资源。单片机系统中 I/O 口资源往往比较宝贵，当用到多个按键时为了减少 I/O 口引脚，引入了矩阵按键。

  无论是独立键盘还是矩阵键盘，单片机检测其是否被按下的依据都是一样的，也就是检测与该键对应的 I/O 口是否为低电平。独立键盘有一端固定为低电平，此种方式编程比较简单。而矩阵键盘两端都与单片机 I/O 口相连，因此在检测时需编程通过单片机 I/O 口送出低电平。检测方法有多种，最常用的是行列扫描和线翻转法。

  • 行列扫描法:先送一列为低电平，其余几列全为高电平(此时我们确定了列数)，然后立即轮流检测一次各行是否有低电平，若检测到某一行为低电平(这时我们又确定了行数)，则我们便可确认当前被按下的键是哪一行哪一列的，用同样方法轮流送各列一次低电平，再轮流检测一次各行是否变为低电平，这样即可检测完所有的按键，当有键被按下时便可判断出按下的键是哪一个键。当然我们也可以将行线置低电平，扫描列是否有低电平。从而达到整个键盘的检测。
  • 线翻转法： 使所有行线为低电平时，检测所有列线是否有低电平，如果有，就记录列线值；然后再翻转，使所有列线都为低电平，检测所有行线的值，由于有按键按下，行线的值也会有变化，记录行线的值。从而就可以检测到全部按键。

硬件设计

  本实验用到的硬件资源如下：

  1. 静态数码管
  2. 4*4矩阵键盘

  4*4矩阵键盘模块电路图如下所示：

  从上图中可以看出，该电路是独立的，4*4矩阵按键引出的8根控制管脚并未直接连接到51单片机的IO上，而是连接到JP3端子上。电路中的ARRAY_H1表示矩阵键盘第1行，ARRAY_L1表示矩阵键盘第1列。

软件设计

  本实验通过数码管显示矩阵按键S1-S16按下后键值0-F。
  使用P1口来检测4*4矩阵按键，使用P0口控制静态数码管。单片机的P17口连接矩阵键盘的第1行，P13口连接矩阵键盘第1列。

实物接线图
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#include "reg52.h"

// 使用宏定义矩阵按键控制口
#define KEY_MATRIX_PORT P1
// 使用宏定义数码管段码口
#define SMG_A_DP_PORT P0

// 对系统默认数据类型进行重命名
typedef unsigned int u16;
typedef unsigned char u8;

//共阴极数码管显示0~F的段码数据
u8 gsmg_code[17] = {0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f,0x77,0x7c,0x39,0x5e,0x79,0x71};

// 延时函数
void delay_10us(u16 ten_us)
{
	while(ten_us--);
}

/********************************************************************
  *函数名: key_matrix_ranks_scan
	*函数功能:使用行列式扫描方法，检测矩阵按键是否按下，按下则返回对应键值
	*输入:无
	*输出: key_value：1-16，对应S1-S16键，
				 0：按键未按下
*********************************************************************/
u8 key_matrix_ranks_scan()
{
	u8 key_value = 0;
	
	KEY_MATRIX_PORT = 0xF7; // 11110111 第一列赋值为0，其余全为1
	if(KEY_MATRIX_PORT != 0xF7) // 判断第一列按键是否按下
	{
		delay_10us(1000); // 消抖
		switch(KEY_MATRIX_PORT) // 保存第一列按键按下后的键值
		{
			case 0x77: key_value = 1;break;  // 01110111 S1按下
			case 0xB7: key_value = 5;break;  // 10110111 S5按下
			case 0xD7: key_value = 9;break;  // 11010111 S9按下
			case 0xE7: key_value = 13;break; // 11100111 S13按下
		}
	}
	while(KEY_MATRIX_PORT != 0xF7); // 等待按键松开
	
	KEY_MATRIX_PORT = 0xFB; // 11111011 第二列赋值为0，其余全为1
	if(KEY_MATRIX_PORT != 0xFB) // 判断第二列按键是否按下
	{
		delay_10us(1000); // 消抖
		switch(KEY_MATRIX_PORT) // 保存第二列按键按下后的键值
		{
			case 0x7B: key_value = 2;break;  // 01111011 S2按下
			case 0xBB: key_value = 6;break;  // 10111011 S6按下
			case 0xDB: key_value = 10;break; // 11011011 S10按下
			case 0xEB: key_value = 14;break; // 11101011 S14按下
		}
	}
	while(KEY_MATRIX_PORT != 0xFB); // 等待按键松开
	
	KEY_MATRIX_PORT = 0xFD; // 11111101 第三列赋值为0，其余全为1
	if(KEY_MATRIX_PORT != 0xFD)
	{
		delay_10us(1000); // 消抖
		switch(KEY_MATRIX_PORT) // 保存第三列按键按下后的键值
		{
			case 0x7D: key_value = 3;break;  // 01111101 S3按下
			case 0xBD: key_value = 7;break;  // 10111101 S7按下
			case 0xDD: key_value = 11;break; // 11011101 S11按下
			case 0xED: key_value = 15;break; // 11101101 S15按下
		}
	}
	while(KEY_MATRIX_PORT != 0xFD); // 等待按键松开
	
	KEY_MATRIX_PORT = 0xFE; // 11111110第四列赋值为0，其余全为1
	if(KEY_MATRIX_PORT != 0xFE)
	{
		delay_10us(1000); // 消抖
		switch(KEY_MATRIX_PORT) // 保存第四列按键按下后的键值
		{
			case 0x7E: key_value = 4;break;  // 01111110 S4按下
			case 0xBE: key_value = 8;break;  // 10111110 S8按下
			case 0xDE: key_value = 12;break; // 11011110 S12按下
			case 0xEE: key_value = 16;break; // 11101110 S16按下
		}
	}
	while(KEY_MATRIX_PORT != 0xFE); // 等待按键松开
	
	return key_value;
}

/********************************************************************
 *函数名: key_matrix_flip_scan
 *函数功能:使用线翻转扫描方法，检测矩阵按键是否按下，按下则返回对应键值
 *输入:无
 *输出: key_value：1-16，对应S1-S16键，
				0：按键未按下
*********************************************************************/
u8 key_matrix_flip_scan()
{
	static u8 key_value = 0;
	
	KEY_MATRIX_PORT = 0x0F; // 给所有行赋值为0，列全为1
	if(KEY_MATRIX_PORT != 0x0F) // 判断按键是否按下
	{
		delay_10us(1000); // 消抖
		if(KEY_MATRIX_PORT != 0x0F)
		{
			// 测试列
			KEY_MATRIX_PORT = 0x0F; // 00001111 行全为0，列全为1
			switch(KEY_MATRIX_PORT) // 保存行为0，按键按下后的列值
			{
				case 0x07: key_value = 1;break; // 00000111 第一列按下
				case 0x0B: key_value = 2;break; // 00001011 第二列按下
				case 0x0D: key_value = 3;break; // 00001101 第三列按下
				case 0x0E: key_value = 4;break; // 00001110 第四列按下
			}
			// 测试行
			KEY_MATRIX_PORT = 0xF0; // 11110000 行全为1，列全为0
			switch(KEY_MATRIX_PORT) // 保存列为0，按键按下后的键值
			{
				case 0x70: key_value = key_value;break; 		 // 01110000 第一行按下
				case 0xB0: key_value = key_value + 4;break;  // 10110000 第二行按下
				case 0xD0: key_value = key_value + 8;break;  // 11010000 第三行按下
				case 0xE0: key_value = key_value + 12;break; // 11100000 第四行按下
			}
			while(KEY_MATRIX_PORT != 0xF0); // 等待按键松开
		}
	}
	else
	{
		key_value = 0;
	}
	
	return key_value;
}

void main()
{
	u8 key = 0;
	while(1)
	{
		// key = key_matrix_ranks_scan(); // 行列扫描
		key = key_matrix_flip_scan(); // 线翻转扫描
		if(key != 0)
			SMG_A_DP_PORT = ~gsmg_code[key - 1]; // 得到的按键值减一换算成数组下标对应0-F段码
	}
}

  行列式扫描原理比较简单，与独立式按键操作类似，即给每一列赋值0，此时的矩阵按键就被分割成独立按键，然后再判断每一列中的按键按下情况，并返回对应的键值。如此循环4组，就可将4列4行按键按下键值全部得到。