51单片机矩阵按键实验详解

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  开发板上板载了一个 4*4 矩阵键盘。本节所要实现的功能是：通过开发板上的矩阵键盘控制静态数码管显示对应的键值
0-F。

一、矩阵按键介绍

  独立按键与单片机连接时，每一个按键都需要单片机的一个 I/O 口，若某单片机系统需较多按键，如果用独立按键便会占用过多的 I/O 口资源。单片机系统中 I/O 口资源往往比较宝贵，当用到多个按键时为了减少 I/O 口引脚，引入了矩阵按键。
  本节以 4*4 矩阵键盘为例讲解其工作原理和检测方法。开发板上将 16 个按键排成 4 行 4 列，第一行将每个按键的一端连接在一起构成行线，第一列将每个按键的另一端连接在一起构成列线，这样便一共有 4 行 4 列共 8 根线，我们将这 8 根线连接到单片机的 8 个 I/O 口上，通过程序扫描键盘就可检测 16 个键。用这种方法我们也可实现 3 行 3 列 9 个键、 5 行 5 列 25 个键、 6 行6 列 36 个键甚至更多。
  无论是独立键盘还是矩阵键盘，单片机检测其是否被按下的依据都是一样的，也就是检测与该键对应的 I/O 口是否为低电平。独立键盘有一端固定为低电平，此种方式编程比较简单。 而矩阵键盘两端都与单片机 I/O 口相连，因此，在检测时需编程通过单片机 I/O 口送出低电平。检测方法有多种，最常用的是行列扫描和线翻转法。
  行列扫描法检测时，先送一列为低电平，其余几列全为高电平(此时我们确定了列数)，然后立即轮流检测一次各行是否有低电平，若检测到某一行为低电平(这时我们又确定了行数)，则我们便可确认当前被按下的键是哪一行哪一列的，用同样方法轮流送各列一次低电平，再轮流检测一次各行是否变为低电平，这样即可检测完所有的按键，当有键被按下时便可判断出按下的键是哪一个键。当然我们也可以将行线置低电平，扫描列是否有低电平。从而达到整个键盘的检测。
  线翻转法就是使所有行线为低电平时，检测所有列线是否有低电平，如果有，就记录列线值；然后再翻转，使所有列线都为低电平，检测所有行线的值，由于有按键按下，行线的值也会有变化，记录行线的值。从而就可以检测到全部按键。
  矩阵键盘也少不了按键消抖的环节，本节实验中采用的是行列扫描法来检测哪个按键按下。

二、硬件设计

  本实验使用到硬件资源如下：

  静态数码管模块电路在前面已经介绍过，开发板上的矩阵按键模块电路如下图所示：

从上图中可以看出，4*4 矩阵按键引出的 8 根控制线直接连接到 51 单片机的P1 口上。电路中的 P17 连接矩阵键盘的第 1 行，P13 连接矩阵键盘第 1 列。

三、软件设计

  本节所要实现的功能是：通过数码管显示矩阵按键 S1-S16 按下后键值 0-F。
  我们直接复制前面创建好的工程模板，将复制过来的模板文件夹重新命名为“9-矩阵按键实验”。打开工程直接在 main.c 源文件内进行编程，main.c 内代码如下：

/*
实验名称：矩阵按键实验
接线说明：
实验现象：下载程序后，按下“矩阵按键”模块中 S1-S16 键，对应数码管最左边显示 0-F
*/

#include "reg52.h"

//对系统默认数据类型进行重定义 
typedef unsigned char u8;
typedef unsigned int u16;

//使用宏定义矩阵按键控制口
#define KEY_MATRIX_PORT P1
//使用宏定义数码管段码口
#define SMG_A_DP_PORT P0

//使用数组保存共阴极数码管0-F的段码数据
u8 gsmg_code[17] = {0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,
					0x7f,0x6f,0x77,0x7c,0x39,0x5e,0x79,0x71};

/*
函 数 名 : delay_10us
函数功能 : 延时函数，ten_us=1 时，大约延时 10us
输 入 : ten_us
*/
void delay_10us(u16 ten_us)
{
	while (ten_us--);
}

/*
函 数 名 : key_matrix_ranks_scan
函数功能 : 使用行列式扫描方法，检测矩阵按键是否按下，按下则返回对应键值
输 入 : 无
输 出 : key_value：1-16，对应 S1-S16 键，0：按键未按下
*/
u8 key_matrix_ranks_scan(void)
{
	u8 key_value = 0;
	
	//给第1列送低电平，其余为高电平即11110111 -> 0xF7
	KEY_MATRIX_PORT = 0xf7;
	//判断第一列按键是否按下
	if (KEY_MATRIX_PORT != 0xf7)//第一列有按键按下
	{
		delay_10us(1000);//消抖
		//判断是哪个按键按下
		switch (KEY_MATRIX_PORT)
		{
			case 0x77 : key_value = 1;break;
			case 0xb7 : key_value = 5;break;
			case 0xd7 : key_value = 9;break;
			case 0xe7 : key_value = 13;break;
		}

	}
	//等待按键松开
	while (KEY_MATRIX_PORT != 0xf7);
	

	//给第2列送低电平，其余为高电平即11111011 -> 0xfb
	KEY_MATRIX_PORT = 0xfb;
	//判断第二列按键是否按下
	if (KEY_MATRIX_PORT != 0xfb)//第二列有按键按下
	{
		delay_10us(1000);//消抖
		//判断是哪个按键按下
		switch (KEY_MATRIX_PORT)
		{
			case 0x7b : key_value = 2;break;
			case 0xbb : key_value = 6;break;
			case 0xdb : key_value = 10;break;
			case 0xeb : key_value = 14;break;
		}

	}
	
	//等待按键松开
	while (KEY_MATRIX_PORT != 0xfb);
	
	
	//给第3列送低电平，其余为高电平即11111101 -> 0xfd
	KEY_MATRIX_PORT = 0xfd;
	//判断第一列按键是否按下
	if (KEY_MATRIX_PORT != 0xfd)//第三列有按键按下
	{
		delay_10us(1000);//消抖
		//判断是哪个按键按下
		switch (KEY_MATRIX_PORT)
		{
			case 0x7d : key_value = 3;break;
			case 0xbd : key_value = 7;break;
			case 0xdd : key_value = 11;break;
			case 0xed : key_value = 15;break;
		}

	}
	
	//等待按键松开
	while (KEY_MATRIX_PORT != 0xfd);
	
	
	//给第4列送低电平，其余为高电平即11111110 -> 0xfe
	KEY_MATRIX_PORT = 0xfe;
	//判断第四列按键是否按下
	if (KEY_MATRIX_PORT != 0xfe)//第四列有按键按下
	{
		delay_10us(1000);//消抖
		//判断是哪个按键按下
		switch (KEY_MATRIX_PORT)
		{
			case 0x7e : key_value = 4;break;
			case 0xbe : key_value = 8;break;
			case 0xde : key_value = 12;break;
			case 0xee : key_value = 16;break;
		}

	}
	
	//等待按键松开
	while (KEY_MATRIX_PORT != 0xfe);
	
	return key_value;	
}

/*
函 数 名 : key_matrix_flip_scan
函数功能 : 使用线翻转扫描方法，检测矩阵按键是否按下，按下则返回对应键值
输 入 : 无
输 出 : key_value：1-16，对应 S1-S16 键，0：按键未按下
*/
u8 key_matrix_flip_scan(void)
{
	static u8 key_value = 0;

	//给所有行送低电平，所有列送高电平即00001111 -> 0x0f
	KEY_MATRIX_PORT = 0x0f;
	//判断按键是否按下
	if (KEY_MATRIX_PORT != 0x0f)
	{
		delay_10us(1000);//消抖
		if (KEY_MATRIX_PORT != 0x0f)
		{
			//测试列
			KEY_MATRIX_PORT = 0x0f;
			//保存行为0，按键按下后的列值
			switch (KEY_MATRIX_PORT)
			{
				case 0x07: key_value=1;break;
				case 0x0b: key_value=2;break;
				case 0x0d: key_value=3;break;
				case 0x0e: key_value=4;break; 	
			}

			//测试行
			KEY_MATRIX_PORT = 0xf0;
			//保存列为0，按键按下后的行值
			switch (KEY_MATRIX_PORT)
			{
				case 0x70: key_value=key_value;break;
				case 0xb0: key_value=key_value+4;break;		
				case 0xd0: key_value=key_value+8;break;
				case 0xe0: key_value=key_value+12;break;
			}
			while (KEY_MATRIX_PORT != 0xf0); //等待按键松开
		}
	}
	else
	{
		key_value = 0;
	}

	return key_value;
}

/*
函 数 名 : main
函数功能 : 主函数
*/
void main()
{	
	u8 key = 0;

	while (1)
	{  	
		key = key_matrix_ranks_scan();
		if (key != 0)
		{
			SMG_A_DP_PORT = gsmg_code[key-1];
		}		
	}
}

至此，整个程序就编写完成，我们编译一下，如下图所示:

这个警告不影响，只是未调用编写的函数。

四、实验现象

  使用 USB 线将开发板和电脑连接成功后（电脑能识别开发板上 CH340 串口），把编译后产生的.hex 文件烧入到芯片内，实现现象如下：当按下 S1-S16 键，最左边数码管对应显示 0-F。