1.矩陣鍵盤vs獨立按鍵
在mcu應用開發過程中，獨立按鍵比較常見，但是在需要的按鍵數比較多時，使用矩陣鍵盤則可以減少io占用，提高系統資源利用率。例如，某mcu項目要求有16個按鈕，如果采用獨立按鍵方案，則需要占用16個mcu引腳，如果采用4x4矩陣鍵盤，則只需要4+4個mcu引腳，節省了一倍io資源占用，如圖所示。但是矩陣鍵盤也有其缺點，相較與獨立按鍵，程序設計稍顯復雜。
本文討論矩陣鍵盤的工作原理，並提供了一種結構清晰、簡單易用的矩陣鍵盤驅動程序。
2.矩陣鍵盤工作原理
如圖所示，4x4矩陣鍵盤，連接到mcu的P2口8個pin，P2[3:0]為行線，P2[7:4]為列線。
當編程設置P2 = 0Xfe:
則P2.0被設置為0，即第一行所有按鈕的一端接地，單片機通過檢測P2的高四位，可以判斷按下的按鈕在哪一列。假如檢測到P2 == 0Xee則是第一個按鈕被按下，檢測到P2 == 0Xde則是第二個按鈕被按下,檢測到P2 == be則是第三個按鈕按下，檢測P2 == 7e則是第四個按鈕被按下。
當編程設置P2=0Xfd,P2=0Xfb,0Xff:
則以此類推，可分別判定第二行、第三行、第四行哪個按鈕被按下。
矩陣鍵盤常見的檢測程序，是逐行檢測，即：
// 偽代碼
void matrixkbd_scan()
{
unsigned char t;
// 檢測第一行
P2 = 0XFE;
t = P2;
if(t != 0xFE) // 說明第一行有按鈕被按下
{
delay_10ms(); // 延時10ms，以防止抖動,避免誤判斷
t = P2;
if(t != 0XFE)
{
switch(t)
{
case 0xee:num = 0;break;
case 0xde:num = 1;break;
case 0xbe:num = 2;break;
case 0xfe:num = 3;break;
}
}
}
//檢測第二行
P2 = 0XFD;
...
//檢測第三行
P2 = 0XFB;
...
//檢測第四行
P2 = 0XFF;
...
}
上述代碼的缺點：
- 代碼冗余，每一行的檢測幾乎是重復的代碼；
- 每檢測一行都需要延時消除抖動，增加了延時，有可能漏檢測
3.本文矩陣鍵盤驅動
3.1 實現思路
思路：
第一步：讓行線全部為0，讀取列線的值,存儲在th中，這個值反映了當前按下按鈕所在的列
第二步：讓列線全部為0，讀取行線的值,存儲在tl中，這個值反映了當前按下按鈕所在的行
第三步：將th和tl或操作，這個值反映了當前按下按鈕的行和列。
例如：
讓P2 = 0xf0，然后讀取P2的值為0x70，則說明第四列有鍵按下
讓P2 = 0X0F，然后讀取P2的值為0x07，則說明第四行有鍵按下
或操作后，得到0x77，就是第四行第四列這個按鈕的按鍵碼
或操作后，得到0xff，說明沒有鍵按下。可以作為判定是否有鍵按下的條件。
3.2 matrixkbd.c
/**
* @file: matrixkbd.c
* @brief: 矩陣鍵盤驅動程序
*/
#include <reg52.h>
#include <stdio.h>
unsigned char key_no;
unsigned char flg_down;
unsigned char flg_up;
static unsigned char timer;
static unsigned stat = 1;
// 按鍵掃描
// 第一步：讓行線全部為0，讀取列線的值,存儲在th中，這個值反映了當前按下按鈕所在的列
// 第二步：讓列線全部為0，讀取行線的值,存儲在tl中，這個值反映了當前按下按鈕所在的行
// 第三步：將th和tl或操作，這個值反映了當前按下按鈕的行和列。
static unsigned char keyfn()
{
unsigned char th,tl;
P2 = 0xf0;
th = P2;
P2 = 0x0f;
tl = P2;
return th | tl;
}
// 鍵值轉換
static unsigned char decode(unsigned t)
{
unsigned char key_no;
switch(t)
{
case 0xee:key_no = 0;break;
case 0xde:key_no = 1;break;
case 0xbe:key_no = 2;break;
case 0x7e:key_no = 3;break;
case 0xed:key_no = 4;break;
case 0xdd:key_no = 5;break;
case 0xbd:key_no = 6;break;
case 0x7d:key_no = 7;break;
case 0xeb:key_no = 8;break;
case 0xdb:key_no = 9;break;
case 0xbb:key_no = 10;break;
case 0x7b:key_no = 11;break;
case 0xe7:key_no = 12;break;
case 0xd7:key_no = 13;break;
case 0xb7:key_no = 14;break;
case 0x77:key_no = 15;break;
default:key_no = 16;break;
}
return key_no;
}
// 外部調用：保證每10ms調用1次
void key_scan()
{
unsigned char t;
t = keyfn();
if(t != 0xff)
{
if(timer < 1)
{
timer++;
return;
}
if(stat == 1)
{
stat = 0;
// keydown
key_no = decode(t);
flg_down = 1;
}
}
else
{
if(timer > 0)
{
timer--;
return;
}
if(stat == 0)
{
stat = 1;
flg_up = 1;
}
}
}
3.3 對外接口matrixkbd.h
/**
* @file: matrixkbd.h
*/
// 鍵盤模塊
extern unsigned char key_no;
extern unsigned char flg_down;
extern unsigned char flg_up;
extern void key_scan();
4.實驗
檢測矩陣鍵盤事件；
按下和彈起時，串口打印輸出鍵編號
4.1 定時器驅動
4.1.1 定時器驅動timer0.c
為了方便調用，采用時間觸發方式，添加定時器驅動：
/**
* @file: timer0.c
* @brief: 產生10ms事件
*/
#include <reg52.h>
int systick;
unsigned char flg_10ms;
unsigned char flg_50ms;
unsigned char flg_sec;
void timer_init(unsigned char ms)
{
TMOD = (TMOD & 0XF0); // 模式0:13bit 定時器模式，最大計數值8192
TH0 = (8192 - ms * 1000) / 32; // TH0的8位保存13bit初值的高8bit
TL0 = (8192 - ms * 1000) % 32; // TL0的低5位用來存儲13bit初值得低5bit
TR0 = 1;
ET0 = 1;
EA = 1;
}
void timer_isr(void) interrupt 1
{
TR0 = 0;
timer_init(1);
systick++;
if(systick % 10 == 0)
{
flg_10ms = 1;
if(systick % 50 == 0)
{
flg_50ms = 1;
if(systick % 1000 == 0)
{
flg_sec = 1;
}
}
}
}
4.1.2 定時器對外接口timer0.h
/**
* @file:timer0.h
*/
// 定時器模塊
extern unsigned char flg_10ms;
extern unsigned char flg_50ms;
extern unsigned char flg_sec;
extern void timer_init(unsigned char ms);
4.2 串口驅動
4.2.1 串口驅動實現uart.c
為了方便打印，查看調試信息，實現串口驅動程序：
/**
* @file: uart.c
* @brief: 串口驅動，波特率9600bps，10bit模式
*
*/
#include <reg52.h>
void uart_init(void)
{
SCON = 0X50; // 10bit 可變波特率模式
//T1: SM1SM0=10,8bit auto reload,波特率9600bps
TMOD = (TMOD & 0X0F) | (1 << 5);
TH1 = TL1 = 0XFD;
TR1 = 1;
ES = 1;
EA = 1;
TI = 1; // start transmit if using putchar provided by c51 lib
}
void uart_isr(void) interrupt 4
{
if(RI)
{
RI = 0;
}
if(TI)
{
}
}
4.2.2 串口驅動對外接口uart.h
/**
* @file: uart.h
*/
// 串口模塊
extern void uart_init(void);
4.3 主程序
主程序中：
- 在后台按照驅動程序要求調用驅動：10ms為周期調用key_scan
- 實時監測事件：flg_up,flg_down,flg_10ms
/**
* @file: main.c
* @brief: 主程序
*/
#include "uart.h"
#include "timer0.h"
#include "matrixkbd.h"
void main(void)
{
timer_init(1);
uart_init();
while(1)
{
if(flg_10ms)
{
flg_10ms = 0;
key_scan();
}
if(flg_down)
{
flg_down = 0;
printf("key %bu pressed\r\n",key_no);
}
if(flg_up)
{
flg_up = 0;
printf("key %bu released\r\n",key_no);
}
}
}
