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。

51单片机 ESP8266模块 APP控制继电器，物联网DIY入门新手指南

题目

大家好，超子能力有限，技术不高，有什么错误的地方，欢迎批评指正。超子之前写过一篇STM32单片机配合ESP8266的WiFi模块接入阿里云生活物联网平台的DIY实验，有小伙伴问我51单片机能不能实现，答案是能。那么今天超子就给大家介绍下51单片机的实现方法。

程序设计中，我们使用的软件是Keil集成开发环境，C语言编写。如果大家想要程序源码的话，可以私信我，超子不是专业的程序员，水平不高，大家不嫌弃就行。

一说到51单片机的型号那就太多了，因为我们要使用MQTT协议对接阿里云生活物联网平台，所以对RAM空间要求比较多，一些常见的型号比如89C51，89C52，因为RAM空间太少不能用，所以我们本次DIY程序设计使用的单片机型号是STC12LE5A60S2。

ESP8266模块是通过串口AT指令控制的那种，网上有很多，价格也比较便宜，非常适合我们做DIY。

虽然我们前面使用STM32单片机做了第一个DIY设计，但是考虑到有些小伙伴，没有看过，所以超子还是说的详细一点，把每一个步骤再重新走一遍。

图1

首先进入我们自己的阿里云生活物联网平台，然后创建项目，我们就创建一个51单片机DIY项目吧，以后所有51单片机相关的DIY设计，我们都加入到这个项目内。

图2

项目建立完毕后，可以在项目列表中，看到51单片机DIY项目，旁边的第一个DIY设计项目，是上次STM32单片机DIY设计时建立的。然后我们点击51单片机DIY项目，进入项目管理界面。

图3

接下来，我们需要创建新产品。

图4

产品名称就叫51单片机插座，大家也可以起自己喜欢的名字。然后所属品类选择电工照明下的插座。节点类型选择设备，不接入网关，因为ESP8266可以连接WiFi路由器，直接具备接云的能力，所以是直连设备，不需要网关。连网方式一定要注意，虽然ESP8266是WiFi模块，但是不能选择WiFi连网，因为我们使用的是通用的，AT指令控制的ESP8266，没有在阿里云生活物联网平台认证，不兼容阿里云生活物联网平台APP的配网协议，如果我们选择WiFi方式的话，配网过不去，程序设计就无法进行了。所以我们取个巧，使用蜂窝连接方式，跳过阿里云生活物联网平台APP的配网，我们可以用ESP8266模块自己的APP配网或是直接把WiFi的SSID以及密码写在程序里。然后数据格式选择JSON，不适用ID2认证，最后点击完成就行了。

图5

产品建立完成后，我们要先进行第1步的功能定义的设置，我们选择的是电工照明分类下的插座，所以阿里云生活物联网平台自动帮我们添加了电源开关的功能属性。所以这一步我们不需要做什么额外的设置，直接点击下一步：设备调试。

图6

我们新建设备的时候，为了跳过配网协议，所以故意选择了蜂窝的连接方式，所以我们随便选一个通过认证的模组就行，选哪个型号都不会影响我们的DIY设计。

图7

选好模组后，我们点击新增测试设备，每个产品下可以添加最多50个免费的测试设备，我们做DIY程序设计，50个足够我们用了。

图8

新增测试设备时，我们要输入设备名称，就叫D001吧，超子喜欢用这种编号命名设备，大家可以根据喜好自己设置设备名称，然后点击确定就行。

图9

然后会弹出激活凭证，也就是三元组信息，这个是登录阿里云生活物联网平台的认证信息，稍后我们修改51单片机C语言程序时要用到这些重要信息。然后我们点击下一步：人机交互。

图10

和使用STM32单片机做DIY设计时一样，我们使用阿里云生活物联网平台的公版APP，也就是云智能APP。我们打开上图中红圈所示的开关。

图11

然后我们点击未设置，选择一个界面。

图12

自己喜欢哪个，选一个就行，然后点击确认。

图13

然后页面下方，我们要配置APP功能，同STM32单片机DIY时一样，我们主要设置多语言管理，填写品牌名称，设备名称，产品编号等等，大家根据喜好自己填一个就。最下方我们看到了天猫精灵，插座是天猫精灵支持的品类，所以可以直接绑定天猫精灵的账号，用天猫精灵控制开关，非常方便。然后我们点击下一步：批量投产。

图14

我们勾选上充分了解的对勾，然后点击开发完成，到此我们整个项目的配置就算完成了，就下来我们要修改51单片机的程序了。

图15

首先看esp8266.c源文件，wifi_mode变量用于设置使用哪种方式进行配网，大家根据注释自行选择就行，如果选择0的话，SSID和密码要在esp8266.h头文件中设置。

图16

然后我们需要修改mqtt.h头文件中的6个字符串，最麻烦的就是第3个，也就是MQTT协议中CONNECT报文中的包含的密码信息。我们一个一个来，讲一下怎么修改。

我们先看第6个需要修改的字符串，服务器的域名，格式如下所示：

*.iot-as-mqtt.cn-shanghai.aliyuncs.com

我们把*号替换成我们自己设备的ProductKey，这个ProductKey就是我们新建设备时弹出的3元组信息，图9所示，以我新建的设备作为例子，我们修改一下，最终结果如下：

a1jWDQfzbVB.iot-as-mqtt.cn-shanghai.aliyuncs.com

然后看第4和第5个字符串， 都是Topic主题，第4个set是用来接收控制开关命令推送的Topic，我们需要订阅它，第5个post是用来往服务器上传数据的，这次的实验post不是关键点。那么这两个Topic再那找呢？看下图。

图17

测试设备点击红圈圈中的查看。

图18

然后在Topic列表下，可以看到post和set，根据自己设备的实际内容，修改程序中第4和第5个字符串即可。

接下来看第1个字符串，也就是MQTT协议中CONNECT报文中包含的客户端ID信息，格式如下：

*|securemode=3,signmethod=hmacsha1|

其中*号是设备名称，以我的设备为例，修改一下，结果如下：

D001|securemode=3,signmethod=hmacsha1|

然后再看第2个字符串，也就是MQTT协议中CONNECT报文中包含的用户名信息，格式如下：

*&#

其中*号是设备名称 ，#号是ProductKey，都是图9中的三元组信息，就以我的设备为例，修改一下，结果如下：

D001&a1jWDQfzbVB

最后再看最麻烦的第3个字符串，也就是MQTT协议中CONNECT报文中包含的密码信息，需要经过一步加密，我们先要构建待加密的明文字符串，格式如下：

clientId*deviceName*productKey#

其中*号是设备名称 ，#号是ProductKey，以我的设备为例，修改一下，结果如下：

clientIdD001deviceNameD001productKey a1jWDQfzbVB

加密用的秘钥是图9中，三元组信息里的DeviceSecret，我们网上找一个加密算法的网站。

图19

我们复制待加密的字符串和密钥的时候，一定要多检查，不要多空格，不要多回车，错一点加密后的结果都不会正确的，所以大家一定要小心。加密后的结果就是第3个字符串的内容，到此6个需要修改的字符串我们都修改完毕了，重新编译程序，下载到开发板就行了。然后我们再回到阿里云生活物联网平台。

图20

我们进入第3步，人机交互设置页面，我们点击红圈所示的内容，然后弹出页面，需要我们填写设备名称，以我的为例，填上D001，然后就可以生成我们需要的，添加设备的二维码，因为文章中不能出现二维码，所以超子就不展示了。到此我们本次51单片机的DIY程序设计，基本就完成了。

大家如果有什么想做的，或者有什么想法，都可以评论区留言告诉超子哦~~~

想要程序的小伙伴，可以举手哦~~~

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