单片机外设矩阵键盘之行列扫描识别原理与示例

单片机外设矩阵键盘之行列扫描识别原理与示例

1.概述

这篇文章介绍单片机通过行列扫描的方式识别矩阵键盘的按键，通过程序执行相应的操作。

2.行列扫描识别原理

2.1.独立按键识别原理

为什么需要矩阵按键
独立按键操作简单，当数量较多时候会占用单片机的IO口，限制了按键的数量，无法满足需要更多按键的场景，因此矩阵键盘就应用而生了，他的按键数量多占用的IO口却很少。

为什么介绍独立按键
为什么不直接介绍矩阵按键而是先介绍独立按键工作原理那，这是因为矩阵键盘是独立按键数量的升级，矩阵键盘工作原理并没有改变，还是独立按键的工作原理。

一个独立按键工作原理

• 当我们将按键接到单片机上，通过按键控制LED灯的亮灭。
• -他的工作原理是将按键的一端接到单片机IO口，另一端接到GND端
• 当按下按键，连接按键的IO口和GND导通，高电平变为低电平。
• 当检测到IO口为低电平，就让LED灯点亮。
• 松开按键IO口恢复高电平，就让LED灯灭。

多个独立按键工作原理
当我们掌握了一个独立按键控制LED灯的原理后，就可以将多个独立按键用一根导线并联并接到GND，按键另一端接到单片机的每个IO口，形成一列独立按键。

• 定义每个接到单片机IO口上的按键名称
• 当某个按键按下去的时候，对应的IO口引脚就会与GND导通，高电平变为低电平
• 检测低电平的引脚对应的按键，然后通过程序逻辑作出对应操作。

2.2.独立按键升级矩阵按键

当一列独立按键不够用的时候，可以增加多列。但是单片机的IO口是有限的，因此不能介入更多的按键。这个时候就可以采用矩阵接线方式，连接多列独立按键形成行和列的矩阵键盘。

行列扫描工作原理
例如下图中是一个4X4矩阵键盘，KEYIN1~KEYIN4为行，KEYOUT1~KEYOUT4为列。

• 第一列行扫描：如果我们将第一列接到GND，KEYIN1~KEYIN4行接到单片机的4个IO口上那么就是上面的多个独立按键组成一列独立按键场景，当按下某个按键时就会扫描第一列的1~4行按键的高低电平。
• 第二列行扫描：将第二列接到GND，KEYIN1~KEYIN4行接到单片机的4个IO口上，当按下某个按键时就会扫描第二列的1~4行按键的高低电平。
• 第三列行扫描：将第三列接到GND，KEYIN1~KEYIN4行接到单片机的4个IO口上，当按下某个按键时就会扫描第三列的1~4行按键的高低电平。
• 第四列行扫描：将第三列接到GND，KEYIN1~KEYIN4行接到单片机的4个IO口上，当按下某个按键时就会扫描第四列的1~4行按键的高低电平。

行列扫描软件实现原理
了解了矩阵键盘的行列扫描工作原理后，就可以用程序实现行列扫描识别按键。

• 第一列行扫描：将第一列KEYOUT1接到单片机引脚并设置为低电平，就可以模拟硬件电路接到GND，KEYIN1~KEYIN4行接到单片机的4个IO口上设置为高电平，当按下1号按键那么第一行就与第一列接通，第一行的高电平就变为低电平，这个时候就能识别出按下了1号按键。
• 第二列行扫描：将第二列KEYOUT2接到单片机引脚并设置为低电平，KEYIN1~KEYIN4行接到单片机的4个IO口上设置为高电平，当按下5号按键那么第一行就与第二列接通，第一行的高电平就变为低电平，这个时候就能识别出按下了5号按键。
• 第三列行扫描：将第三列KEYOUT3接到单片机引脚并设置为低电平，KEYIN1~KEYIN4行接到单片机的4个IO口上设置为高电平，当按下9号按键那么第一行就与第三列接通，第一行的高电平就变为低电平，这个时候就能识别出按下了9号按键。
• 第四列行扫描：将第四列KEYOUT4接到单片机引脚并设置为低电平，KEYIN1~KEYIN4行接到单片机的4个IO口上设置为高电平，当按下C号按键那么第一行就与第四列接通，第一行的高电平就变为低电平，这个时候就能识别出按下了C号按键。

3.行列扫描实例

根据矩阵键盘的行列扫描原理用程序来实现识别按键，并作出对应的操作。

/*
程序名：行列扫描操作矩阵键盘　　 
编写人：bruce 　　 　
编写时间：2023年12月
硬件支持：STC12C2052AD系列　　
接口说明：　　  
修改日志：　　
　　NO.1-								
*/

#include <STC12C2052AD.H> //STC12Cx052或STC12Cx052AD系列单片机头文件
// 定义LED灯
sbit LED = P3^7;
// 定义行扫描按键
sbit KEYIN1 = P1^0;
sbit KEYIN2 = P1^1;
sbit KEYIN3 = P1^2;
sbit KEYIN4 = P1^3;

//定义列扫描按键
sbit KEYOUT1 = P1^4;
sbit KEYOUT2 = P1^5;
sbit KEYOUT3 = P1^6;
sbit KEYOUT4 = P1^7;

/*
函数名：毫秒级CPU延时函数
调  用：DELAY_MS (?);
参  数：1~65535（参数不可为0）
返回值：无
结  果：占用CPU方式延时与参数数值相同的毫秒时间
备  注：应用于1T单片机时i<600，应用于12T单片机时i<125
*/
void DELAY_MS (unsigned int a){
	unsigned int i;
	while( a-- != 0){
		for(i = 0; i < 600; i++);
	}
}


/*
作用：行列扫描方式识别矩阵键盘按键
参数：返回识别到的按键
返回：
*/
unsigned char keyScan(){
	unsigned char keyNum;
	/*
		扫描第一列行上面的按键
	*/
	KEYIN1,KEYIN2,KEYIN3,KEYIN4 = 1;
	KEYOUT2,KEYOUT3,KEYOUT4 = 1;
	// 第一列设置为低电平
	KEYOUT1 = 0;
	if(!KEYIN1 || !KEYIN2 || !KEYIN3 || !KEYIN4 ){
		DELAY_MS(20);
		if(!KEYIN1 || !KEYIN2 || !KEYIN3 || !KEYIN4){
			if(!KEYIN1){
				keyNum = 1;
			}
			if(!KEYIN2){
				keyNum = 2;
			}
			if(!KEYIN3){
				keyNum = 3;
			}
			if(!KEYIN4){
				keyNum = 4;
			}
		}
		//等待按键松开
		while(!KEYIN1 || !KEYIN2 || !KEYIN3 || !KEYIN4);
	}
	
	/*
		扫描第二列行上面的按键
	*/
	KEYIN1,KEYIN2,KEYIN3,KEYIN4 = 1;
	KEYOUT1,KEYOUT3,KEYOUT4 = 1;
	// 第二列设置为低电平
	KEYOUT2 = 0;
	if(!KEYIN1 || !KEYIN2 || !KEYIN3 || !KEYIN4 ){
		DELAY_MS(20);
		if(!KEYIN1 || !KEYIN2 || !KEYIN3 || !KEYIN4){
			if(!KEYIN1){
				keyNum = 5;
			}
			if(!KEYIN2){
				keyNum = 6;
			}
			if(!KEYIN3){
				keyNum = 7;
			}
			if(!KEYIN4){
				keyNum = 8;
			}
		}
		//等待按键松开
		while(!KEYIN1 || !KEYIN2 || !KEYIN3 || !KEYIN4);
	}
	
	/*
		扫描第三列行上面的按键
	*/
	KEYIN1,KEYIN2,KEYIN3,KEYIN4 = 1;
	KEYOUT1,KEYOUT2,KEYOUT4 = 1;
	// 第三列设置为低电平
	KEYOUT3 = 0;
	if(!KEYIN1 || !KEYIN2 || !KEYIN3 || !KEYIN4 ){
		DELAY_MS(20);
		if(!KEYIN1 || !KEYIN2 || !KEYIN3 || !KEYIN4){
			if(!KEYIN1){
				keyNum = 9;
			}
			if(!KEYIN2){
				keyNum = 10;
			}
			if(!KEYIN3){
				keyNum = 11;
			}
			if(!KEYIN4){
				keyNum = 12;
			}
		}
		//等待按键松开
		while(!KEYIN1 || !KEYIN2 || !KEYIN3 || !KEYIN4);
	}
	
	/*
		扫描第四列行上面的按键
	*/
	KEYIN1,KEYIN2,KEYIN3,KEYIN4 = 1;
	KEYOUT1,KEYOUT2,KEYOUT3 = 1;
	// 第四列设置为低电平
	KEYOUT4 = 0;
	if(!KEYIN1 || !KEYIN2 || !KEYIN3 || !KEYIN4 ){
		DELAY_MS(20);
		if(!KEYIN1 || !KEYIN2 || !KEYIN3 || !KEYIN4){
			if(!KEYIN1){
				keyNum = 13;
			}
			if(!KEYIN2){
				keyNum = 14;
			}
			if(!KEYIN3){
				keyNum = 15;
			}
			if(!KEYIN4){
				keyNum = 16;
			}
		}
		//等待按键松开
		while(!KEYIN1 || !KEYIN2 || !KEYIN3 || !KEYIN4);
	}
	return keyNum;

}

void main(){
	while(1){
		switch(keyScan()){
			case 1:
				LED = 0;
				break;
			case 2:
				LED = 1;
				break;
			default:
				LED =1;
		}
	}

}