基于proteus的51单片机开发实例24-矩阵键盘（行列式键盘）

1. 基于proteus的51单片机开发实例24-矩阵键盘

1.1. 实验目的

图1 矩阵键盘电路

本实例我们来学习矩阵键盘（行列式键盘）的电路设计、编程实现。目的是通过较少的I/O口来识别多个按键。

1.2. 设计思路

我们在前面已经学习过独立按键，在独立按键电路中，一个按键连接单片机的一位I/O端口。这样通过检测I/O的状态就能很方便的识别该按键是否按下。这种电路的优点是：电路简单，程序简单，缺点是一个按键就要占用一个I/O口。我们知道，51单片机总共只有4个8位I/O口，如果外部电路功能较多，I/O口就会不够用，例如如果电路中接了一个8位数码管，又接了16个按键，那么即使数码管采用动态扫描法 也需要占用16个I/O口（8位I/O口用于连接数码管8个段，另8位I/O口用于控制8位数码管的每一位），这时如果按键还是采用独立按键的接法，每个按键接一位I/O口，那么又要占用16个I/O口，这样就把单片机的I/O口全部占完了，如果这时候想加一个蜂鸣器，就没有多余的I/O口了。所以很与必要考虑如何用较少的I/O口实现更多的功能。

矩阵键盘就是基于用较少I/O口连接更多按键的思路实现的。通常将多个按键排列成矩阵形式，这也是矩阵键盘名称的由来，编程时，是按照矩阵的行、列组合判断是那个按键被按下的，因此又称为行列式键盘。

1.3. 基础知识

最常见的矩阵键盘是4*4键盘，其实现方法是将16个按键按照4x4矩阵方式连接，如下图所示。从连接方式来看，有4根行线和4根列线。每个行线和列线的交汇处就是一个按键位。这样总共有8根线就可以实现16个按键的检测，比一个按键连接一个I/O口节省了一半的I/O端口。

图2 矩阵键盘结构

矩阵键盘的工作原理

一般矩阵键盘都会将按键按照一定的规律赋予不同的标号（例如按照从左到右的顺序，或者从上到下的顺序），当检测到有按键按下后，根据被按下的按键序号赋予一定的键值。程序中就可以根据键值进行相应的处理。

在51单片机中，对于矩阵键盘的处理方法是：使用行列扫描法，将键盘的行线和列线分别连接到单片机的I/O口线上，然后按照如下步骤操作：

第一步：判断是否有按键按下

将行线全部输出低电平，全部列线输出高电平，然后将列线置为输入状态，检测列线的状态，只要有一根列线为低电平 ，就表示矩阵键盘中有按键被按下了。

第二步：按键消除抖动

在第一步中如果检测到有按键按下，则使用软件消抖的方法延时20ms左右，再次判断是否有列线为低电平，如果仍有列线为低电平，则认为确实有按键被按下，则进入到第三步处理，否则，认为是抖动，不予识别，继续回到第一步重新开始按键检测。

第三步：按键识别

确认有按键被按下后，接下来就是最关键的内容：确定那个按键被按下。这需要用逐行扫描的方法来确定。先扫描第一行，即将第一行对应的端口输出低电平，然后读每一列的电平，当出现某一列为低电平，说明该列与第一行的交叉点的按键被按下，如果所有列都是高电平，说明第一行的按键都未被按下，那么开始扫描第二行，以此类推，直到找到被按下的键所在的行与列的交叉点。

第四步：键值确定

在第三步中，当确定有按键被按下，则按照事先确定好的按键序号，根据行与列的交叉位置确定键值。简直一般按照一定的规律排列，例如1,2,3,4....。例如确定第一行第一列的交叉点按键为1号按键，第一行与第二列交叉点的按键为2号按键....第四行与第四列的交叉点的按键为16号按键。

1.4. 电路设计

本实例电路图如图1所示。矩阵键盘电路与单片机的P3口的8额I/O连接，P0口连接一个共阳极数码管，用于演示按键序号，指示那个按键被按下。

1.5. 程序设计

本实例程序代码如下。

为了能让大家更为直观的理解矩阵键盘的扫描原理，本例的代码非常详细的列出了整个矩阵键盘的行列扫描过程，没有采用更简洁的编程方法。

#include<AT89X51.h> //

sbit P34=P3^4; //端口引脚定义

sbit P35=P3^5; //

sbit P36=P3^6; //

sbit P37=P3^7; //

//共阳极数码管段码表，0~9,A,b,c,d,E,F,H,P

unsigned char code Tab[ ]={0xc0,0xf9,0xa4,0xb0,0x99,0x92,0x82,0xf8,0x80,0x90,

0x88,0x83,0xc6,0xa1,0x86,0x8e,0x89}; //

//定义键值的全局变量

unsigned char keyval;

//延时函数

void led_delay(void)

{

unsigned char j;

for(j=0;j<200;j++)

;

}

//数码管显示键值

void display(unsigned char k)

{

P0=Tab[k]; //键值送数码管显示

led_delay(); //延时

}

// void delay20ms(void)

{

unsigned char i,j;

for(i=0;i<100;i++)

for(j=0;j<60;j++)

;

}

void main(void)

{

EA=1; //总中断开启

ET0=1; //定时器T0中断开启

TMOD=0x01; //定时器T0工作方式1

TH0=(65536-500)/256; //定时器初值

TL0=(65536-500)%256; //定时器初值

TR0=1; //开启定时器

keyval=0x00; //键值初始化为0

P2=0xFC;//数码管公共端打开，允许显示

while(1)

{

display(keyval); //数码管显示键值

}

}

//定时器T0中断服务程序

void time0_interserve(void) interrupt 1 using 1

{

TR0=0; //进中断后，先关闭定时器

P3=0xf0; //行线电平全部置低电平，列线全部置高电平

if((P3&0xf0)!=0xf0) //如果列线中有低电平，说明有键被按下

delay20ms(); //延时，消除按键抖动

if((P3&0xf0)!=0xf0) //消抖后仍有列线为低电平，则认为确实有按键按下

{

//扫描第一行

P3=0xfe; //行线第一行置低电平，

if(P34==0) //第一列为低电平，则第一行第一列的按键按下

keyval=1; //按下的按键的键值

if(P35==0) //第二列为低电平，则第一行第二列按键按下

keyval=2; //键值

if(P36==0) //第三列为低电平，则第一行第三列按键按下

keyval=3;

if(P37==0) //第四列为低电平，则第一行第四列按键按下

keyval=4; //

//扫描第二行

P3=0xfd;

if(P34==0)

keyval=5;

if(P35==0)

keyval=6;

if(P36==0)

keyval=7;

if(P37==0)

keyval=8;

//扫描第三行

P3=0xfb;

if(P34==0)

keyval=9;

if(P35==0)

keyval=10;

if(P36==0)

keyval=11;

if(P37==0)

keyval=12;

//扫描第四行

P3=0xf7;

if(P34==0)

keyval=13;

if(P35==0)

keyval=14;

if(P36==0)

keyval=15;

if(P37==0)

keyval=16;

}

TR0=1; //重启定时器

TH0=(65536-500)/256; //定时器赋初值

TL0=(65536-500)%256; //

}

1.6. 实例仿真

编写程序代码，编译生成HEX文件，将HEX文件装载到proteus电路的单片机中，开始仿真，通过按下不同的按键观察数码管显示的键值。

1.7. 总结

通过本实例，我们了解了如何用较少的按键实现矩阵键盘的按键识别。这为我们以后学习如何节约I/O端口打下了基础。

详解单片机的按键检测与控制

按键在单片机控制系统中起到人机交互的作用，通过按键可以输入数据、命令和各种参数，按键侧键测处理是单片机系统设计和开发中一个重要的内容，关系到整个系统的交互性能和稳定性。按键处理形式在单片机系统中有两种形式：直接按键和矩阵编码键盘，下面分别对这两种按键检测电路的特点及编程思路和方法进行分析和介绍。

按键抖动问题产生的原因及解决方法

按键的抖动问题是指按键的触点在闭合和断开瞬间由于接触情况不稳定，从而导致电压信号的抖动现象(由按键的机械特性造成，不可避免)。图8-1所示为一次按键的抖动过程，在按键的前沿和后沿都会有5～10ms的抖动。

图8-1　按键抖动示意图

对于时钟是微秒级的单片机而言，键盘的抖动有可能造成单片机对一次按键的多次处理。为了提高系统的稳定性，我们必须采用有效的方式消除抖动。

去除抖动可以采用硬件方式和软件方式。硬件方式一般是在按键与单片机的输入通道上安装硬件去抖电路(如RS触发器)。软件方式的实现方法是：当查询到电路中有按键按下时，先不进行处理，而是先执行10～20ms的延时程序，延时程序结束后，再次查询按键状态，若此时按键仍为按下状态，则视为按键被按下。

按键检测电路及应用

1. 独立式按键

独立式键盘相互独立，每个按键占用一根I/O口线，每根I/O口线上的按键工作状态不会影响其他按键的工作状态，CPU可直接读取该I/O线的高/低电平状态。这种按键硬件、软件结构简单，判键速度快，使用方便，但占用I/O口线较多，适用于按键数量较少的系统中。

独立连接式键盘连接如图8-2所示。当没有键被按下时，所有的数据输入线均为高电平;当任意一个按键被按下时，与之相连的数据输入线将变为低电平;通过相应指令，可以判断是否有键被按下。

图8-2　独立式键盘接口设计

【例8-1】 利用单片机的P1.0～P1.34个I/O口检测4个按键的触发信息，以实现不同功能的控制。

硬件电路参见图8-2所示，C51参考程序如下：

2. 矩阵式按键

在单片机系统中，当按键数量较多时，为了减少IO口的使用，通常将按键排列成矩阵型式。例如下例中的16个按键，被排列成了如图8-3所示的4X4矩阵方式。该矩阵式键盘由4根行线和4根列线组成，每个行线和列线的交叉点是一个按键。

【例8-2】 将矩阵式键盘的按键值通过数码管显示出来。

电路连接如图8-3所示(电源和震荡电路未标出)。

图8-3　矩阵式键盘按键显示电路图

如何判断被按下的键值呢?

分析如下：

根据下面的电路图，如果已知P1.0端口被置为低电平“0”，那么当按键K0被按下时，可以肯定P1.4端口的电平也变为了低电平“0”。基于这个原理，总结矩阵键盘识别按键的步骤如下：

a)首先判断是否有按键被按下

本例中矩阵键盘中P1端口低4位连接的是列线，高4位连接的是行线。将全部行线置为低电平“0”，全部列线置为高电平“1”。然后检测列线的状态。只要有一根列线的电平为低，则表示有按键被按下。否则没有按键按下。

b)按键消抖

当判断到有按键被按下后，还要进行消抖处理，以确认真正有按键被按下。

c)按键识别

当确认有键被按下后，采用逐行扫描的方法来确定是哪一个按键被按下。先扫描第一行，即将第一行输出低电平“0”，然后读取列值，那一列出现低电平“0”，则说明该列与第一行交叉处的按键被按下。如果读入的列值全部为"1"，说明与第一行连接的按键均没有被按下。那么接下来开始扫描第二行，以此类推。直到完成全部行线的扫描。

C51程序如下：

矩阵式键盘与I/O接口应用

【例8-3】 四位数字密码锁

四位数字密码锁功能：通过键盘输入密码，当输入密码与内置密码相同时，继电器动作，表示密码锁解开。为了简化功能，该密码锁只使用12个键(即4x3键盘)，其中S1~S9为1~9数字键，S10为0数字键，S11为“*”键作为确认键使用，而S12为“#”键作为复位键，键盘接口电路如图8-4所示，键值布局如表8-1所示。

图8-4　行列式键盘电路连接图

表8-1　键盘布局表

单片机上电时，数码管显示“0000”，此时输入数字，数码管将显示按键值，数字逐个向左递增，四次输入完毕，四个数码管显示输入的数，此时按“*”号按键将启动比较，若输入数字与内设密码相同，继电器动作。如不同，则系统复位等待重新输入密码。当按“#”号键，系统复位，数码管显示“0000”。

在上面键扫描程序基础上增加的源程序如下：

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