单片机矩阵按键单片机学习：单片机独立按键和矩阵键盘概念及原理|技术文档|上海羊羽卓进出口贸易有限公司

单片机学习：单片机独立按键和矩阵键盘概念及原理

1.按键分类与输入原理

按键按照结构原理科分为两类，一类是触点式开关按键，如机械式开关、导电橡胶式开关灯;另一类是无触点式开关按键，如电气式按键，磁感应按键等。前者造价低，后者寿命长。目前，微机系统中最常见的是触点式开关按键。

在单片机 应用系统中，除了复位按键有专门的复位电路及专一的复位功能外，其他按键都是以开关状态来设置控制功能或输入数据的。当所设置的功能键或数字键按下时，计算机应用系统应完成该按键所设定的功能，键信息输入时与软件结构密切相关的过程。

对于一组键或一个键盘，总有一个接口电路与CPU相连。CPU可以采用查询或中断方式了解有无将按键输入，并检查是哪一个按键按下，将该键号送人累加器，然后通过跳转指令转入执行该键的功能程序，执行完成后再返回主程序。

2.按键结构与特点

微机键盘通常使用机械触点式按键开关，其主要功能式把机械上的通断转换为电气上的逻辑关系。也就是说，它能提供标准的TTL逻辑电平，以便于通用数字系统的逻辑电平相容。机械式按键再按下或释放时，由于机械弹性作用的影响，通常伴随有一定的时间触点机械抖动，然后其触点才稳定下来。其抖动过程如下图1所示，抖动时间的长短与开关的机械特性有关，一般为5-10ms。在触点抖动期间检测按键的通与断，可能导致判断出错，即按键一次按下或释放错误的被认为是多次操作，这种情况是不允许出现的。为了克服你、按键触点机械抖动所致的检测误判，必须采取消抖措施。按键较少时，可采用硬件消抖;按键较多式，采用软件消抖。

图1 按键触点机械抖动

(1)按键编码

一组按键或键盘都要通过I/O口线查询按键的开关状态。根据键盘结构的不同，采用不同的编码。无论有无编码，以及采用什么编码，最后都要转换成为与累加器中数值相对应的键值，以实现按键功能程序的跳转。

(2)键盘程序

一个完整的键盘控制程序应具备以下功能：

a.检测有无按键按下，并采取硬件或软件措施消抖。

b.有可靠的逻辑处理办法。每次只处理一个按键，期间对任何按键的操作对系统不产生影响，且无论一次按键时间有多长，系统仅执行一次按键功能程序。

c.准确输出按键值(或键号)，以满足跳转指令要求。

3.独立按键与矩阵键盘

(1)独立按键

单片机控制系统中，如果只需要几个功能键，此时，可采用独立式按键结构。

独立按键式直接用I/O口线构成的单个按键电路，其特点式每个按键单独占用一根I/O口线，每个按键的工作不会影响其他I/O口线的状态。独立按键的典型应用如图所示。独立式按键电路配置灵活，软件结构简单，但每个按键必须占用一个I/O口线，因此，在按键较多时，I/O口线浪费较大，不宜采用。独立按键如图2所示。

图2 独立键盘

独立按键的软件常采用查询式结构。先逐位查询没跟I/O口线的输入状态，如某一根I/O口线输入为低电平，则可确认该I/O口线所对应的按键已按下，然后，再转向该键的功能处理程序。

(2)矩阵键盘

单片机系统中，若使用按键较多时如电子密码锁、电话机键盘等一般都至少有12到16个按键，通常采用矩阵键盘。

矩阵键盘又称行列键盘，它是用四条I/O线作为行线，四条I/O线作为列线组成的键盘。在行线和列线的每个交叉点上设置一个按键。这样键盘上按键的个数就为4*4个。这种行列式键盘结构能有效地提高单片机系统中I/O口的利用率。

矩阵键盘的工作原理

最常见的键盘布局如图3所示。一般由16个按键组成，在单片机中正好可以用一个P口实现16个按键功能，这也是在单片机系统中最常用的形式，4*4矩阵键盘的内部电路如图4所示。

图3 矩阵键盘布局图

图4 矩阵键盘内部电路图

当无按键闭合时，P3.0~P3.3与P3.4~P3.7之间开路。当有键闭合时，与闭合键相连的两条I/O口线之间短路。判断有无按键按下的方法是：第一步，置列线P3.4~P3.7为输入状态，从行线P3.0~P3.3输出低电平，读入列线数据，若某一列线为低电平，则该列线上有键闭合。第二步，行线轮流输出低电平，从列线P3.4~P3.7读入数据，若有某一列为低电平，则对应行线上有键按下。综合一二两步的结果，可确定按键编号。但是键闭合一次只能进行一次键功能操作，因此须等到按键释放后，再进行键功能操作，否则按一次键，有可能会连续多次进行同样的键操作。

识别按键的方法很多其中，最常见的方法是扫描法

按键按下时，与此键相连的行线与列线导通，行线在无按键按下时处在高电平。如果所有的列线都处在高电平，则按键按下与否不会引起行线电平的变化，因此必须使所有列线处在电平。这样，当有按键按下时，改键所在的行电平才回由高变低。才能判断相应的行有键按下。

独立按键数量少，可根据实际需要灵活编码。矩阵键盘，按键的位置由行号和列号唯一确定，因此可以分别对行号和列号进行二进制编码，然后两值合成一个字节，高4位是行号，低4位是列号。

4.键盘的工作方式

对键盘的响应取决于键盘的工作方式，键盘的工作方式应根据实际应用系统中的CPU的工作状况而定，其选取的原则是既要保证CPU能及时响应按键操作，又不要过多占用CPU的工作时间。通常键盘的工作方式有三种，编程扫描、定时扫描和中断扫描。

(1)编程扫描方式

编程扫描方式是利用CPU完成其它工作的空余时间，调用键盘扫描子程序来响应键盘输入的要求。在执行键功能程序时，CPU不再响应键输入要求，直到CPU重新扫描键盘为止。

(2)定时扫描方式

定时扫描方式就是每隔一段时间对键盘扫描一次，它利用单片机内部的定时器产生一定时间(例如10ms)的定时，当定时时间到就产生定时器溢出中断。CPU响应中断后对键盘进行扫描，并在有按键按下时识别出该键，再执行该键的功能程序。

(3)中断扫描方式

上述两种键盘扫描方式，无论是否按键，CPU都要定时扫描键盘，而单片机应用系统工作时，并非经常需要键盘输入，因此，CPU经常处于空扫描状态。

为提高CPU工作效率，可采用中断扫描工作方式。其工作过程如下：当无按键按下时，CPU处理自己的工作，当有按键按下时，产生中断请求，CPU转去执行键盘扫描子程序，并识别键号。

教你玩单片机之矩阵键盘（附程序）

以下所有内容，仅适合新手，大神请绕道。

原理图解析:

组成结构:

在键盘中按键数量较多时，为了减少I/O口的占用，通常将按键排列成矩阵形式。在矩阵式键盘中，每条水平线和垂直线在交叉处不直接连通，而是通过一个按键加以连接。这样，一个端口（如P1口）就可以构成4*4=16个按键，比之直接将端口线用于键盘多出了一倍，而且线数越多，区别越明显，比如再多加一条线就可以构成20键的键盘，而直接用端口线则只能多出一键（9键）。由此可见，在需要的键数比较多时，采用矩阵法来做键盘是合理的。

矩阵键盘扫描原理

方法一：

逐行扫描： 我们可以通过高四位轮流输出低电平来对矩阵键盘进行逐行扫描，当低四位接收到的数据不全为1的时候，说明有按键按下，然后通过接收到的数据是哪一位为0来判断是哪一个按键被按下。

方法二：

行列扫描： 我们可以通过高四位全部输出低电平，低四位输出高电平。当接收到的数据，低四位不全为高电平时，说明有按键按下，然后通过接收的数据值，判断是哪一列有按键按下，然后再反过来，高四位输出高电平，低四位输出低电平，然后根据接收到的高四位的值判断是那一行有按键按下，这样就能够确定是哪一个按键按下了。

51单片机矩阵键盘实验程序:

使用的IO : 数码管使用P0,键盘使用P3.0、P3.1、P3.2、P3.3

#include<reg51.h>

#define GPIO_DIG P0

#define GPIO_KEY P1

sbit LSA=P2^2;

sbit LSB=P2^3;

sbit LSC=P2^4; // 138译码器接入端

unsigned char code DIG_CODE[17]={

0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,

0x7f,0x6f,0x77,0x7c,0x39,0x5e,0x79,0x71};

//0、1、2、3、4、5、6、7、8、9、A、b、C、d、E、F的显示码

unsigned char KeyValue;

//用来存放读取到的键值

void Delay10ms(); //延时10ms

void KeyDown(); //检测按键函数

void main(void)

{

LSA=0; //给一个数码管提供位选

LSB=0;

LSC=0;

while(1)

{

KeyDown();

GPIO_DIG=DIG_CODE[KeyValue];

}

void KeyDown(void)

{

char a=0;

GPIO_KEY=0x0f;

if(GPIO_KEY!=0x0f)//读取按键是否按下

{

Delay10ms();//延时10ms进行消抖

if(GPIO_KEY!=0x0f)//再次检测键盘是否按下

{

//测试列

GPIO_KEY=0X0F;

switch(GPIO_KEY)

{

case(0X07):KeyValue=0;break;

case(0X0b):KeyValue=1;break;

case(0X0d): KeyValue=2;break;

case(0X0e):KeyValue=3;break;

}

//测试行

GPIO_KEY=0XF0;

switch(GPIO_KEY)

{

case(0X70):KeyValue=KeyValue;break;

case(0Xb0):KeyValue=KeyValue+4;break;

case(0Xd0): KeyValue=KeyValue+8;break;

case(0Xe0):KeyValue=KeyValue+12;break;

}

while((a<50)&&(GPIO_KEY!=0xf0)) //检测按键松手检测

{

Delay10ms();

a++;

}

void Delay10ms(void) //误差 0us

{

unsigned char a,b,c;

for(c=1;c>0;c--)

for(b=38;b>0;b--)

for(a=130;a>0;a--);

}

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