51单片机之矩阵键盘

在 51 单片机的应用领域中，人机交互是一个关键环节。而矩阵键盘作为一种常用的输入设备，能够为用户提供便捷的操作方式。本文将深入探讨 51 单片机中矩阵键盘的原理、功能、作用以及应用实例，帮助读者全面了解和掌握这一重要的技术。

一、矩阵键盘的原理

矩阵键盘是一种将多个按键排列成矩阵形式的输入设备。相比于独立按键，矩阵键盘最大的优势在于能够用较少的 I/O 口连接更多的按键，从而节省单片机的 I/O 资源。以常见的 4*4 矩阵键盘为例，它有 16 个按键，通过将按键排列成 4 行 4 列，只需 8 根线（4 根行线和 4 根列线）就可以实现对这 16 个按键的检测，而如果使用独立按键，则需要 16 个 I/O 口。

矩阵键盘的工作原理基于行线和列线的交叉点。每个按键都位于行线和列线的交叉处，当某个按键被按下时，对应的行线和列线之间会形成通路。单片机通过扫描行线和列线的电平状态，就可以判断出哪个按键被按下。具体的扫描方法有行列扫描法和线翻转法。

一）行列扫描法

行列扫描法是最常用的矩阵键盘扫描方法。其工作过程如下：

判断是否有按键按下：将所有行线输出低电平，所有列线输出高电平，然后将列线设置为输入状态。如果有按键按下，对应的列线电平会被拉低，此时就可以判断有按键按下。
按键消抖：由于机械按键在按下和松开时会产生抖动，可能会导致误判。因此，在检测到有按键按下后，需要进行消抖处理。通常采用软件延时的方法，延时 10 - 20ms 后再次检测列线电平，如果仍然为低电平，则确认有按键按下。
确定按键位置：确定有按键按下后，开始逐行扫描。先将第一行输出低电平，其余行输出高电平，然后检测列线电平。如果某一列线为低电平，则说明该列与第一行交叉处的按键被按下。如果所有列线都为高电平，则说明第一行没有按键按下，接着扫描第二行，以此类推，直到找到被按下的按键所在的行和列。
计算键值：根据找到的行和列的位置，按照事先设定的规则计算出按键的键值。例如，可以将第一行第一列的按键键值设为 1，第一行第二列的按键键值设为 2，以此类推。

（二）线翻转法

线翻转法的原理相对复杂一些，但速度更快。其工作过程如下：

第一次扫描：将所有行线输出低电平，列线设置为输入状态，检测所有列线是否有低电平。如果有，则记录下此时列线的值。
第二次扫描：将所有列线输出低电平，行线设置为输入状态，检测所有行线的值。由于有按键按下，行线的值会发生变化，记录下此时行线的值。
确定按键位置：根据两次记录的值，通过一定的算法就可以确定按键所在的行和列。例如，如果第一次扫描时列线的值为 0x07（表示第一列有按键按下），第二次扫描时行线的值为 0x70（表示第一行有按键按下），则可以确定是第一行第一列的按键被按下。
计算键值：与行列扫描法类似，根据确定的行和列位置计算出按键的键值。

二、矩阵键盘的作用

（一）作用

节省 I/O 口资源：如前所述，矩阵键盘可以用较少的 I/O 口实现多个按键的输入，这对于 I/O 口资源有限的 51 单片机来说尤为重要。在一些复杂的应用系统中，可能还需要连接其他设备，如数码管、液晶显示屏、传感器等，如果使用独立按键，I/O 口很容易不够用，而矩阵键盘则可以有效解决这个问题。
增加按键数量：在需要大量按键的应用场景中，矩阵键盘可以轻松实现较多按键的布局，满足用户对丰富操作功能的需求。例如，在电子密码锁、电子秤、计算器等设备中，都需要较多的按键来实现各种功能，矩阵键盘就成为了理想的选择。
提高系统可靠性：通过合理的按键消抖处理和扫描算法，矩阵键盘可以准确地检测按键状态，减少误操作的发生，提高系统的可靠性和稳定性。

三、矩阵键盘的应用实例

（一）矩阵键盘控制LCD1602显示

在这个实例中，我们使用 4*4 矩阵键盘来控制LCD1602显示按键的键值。当按下矩阵键盘上的某个按键时，LCD1602会显示对应的键值。

代码如下：

主函数：（dalay.h，LCD1602.h在上一篇文章已发布）

#include <REGX51.H>
#include "delay.h"
#include "MatrixKey.h"
#include "LCD1602.h"

void main()
{
	unsigned char KeyNum;
	LCD_Init();
	LCD_ShowString(1,1,"hello world");
	while(1)
	{
		KeyNum=MatrixKey();
		if(KeyNum)
		{
		LCD_ShowNum(2,1,KeyNum,2);
		}
	}
}

MatrixKey.c：

#include <REGX51.H>
#include "MatrixKey.h"
#include "delay.h"

unsigned char MatrixKey()
{
	unsigned char KeyNumber=0;
	P1=0xFF;
	P1_3=0;
	if(P1_7==0){delay(20);while(P1_7==0);delay(20);KeyNumber=1;}
	if(P1_6==0){delay(20);while(P1_6==0);delay(20);KeyNumber=5;}
	if(P1_5==0){delay(20);while(P1_5==0);delay(20);KeyNumber=9;}
	if(P1_4==0){delay(20);while(P1_4==0);delay(20);KeyNumber=13;}

	P1=0xFF;
	P1_2=0;
	if(P1_7==0){delay(20);while(P1_7==0);delay(20);KeyNumber=2;}
	if(P1_6==0){delay(20);while(P1_6==0);delay(20);KeyNumber=6;}
	if(P1_5==0){delay(20);while(P1_5==0);delay(20);KeyNumber=10;}
	if(P1_4==0){delay(20);while(P1_4==0);delay(20);KeyNumber=14;}

	P1=0xFF;
	P1_1=0;
	if(P1_7==0){delay(20);while(P1_7==0);delay(20);KeyNumber=3;}
	if(P1_6==0){delay(20);while(P1_6==0);delay(20);KeyNumber=7;}
	if(P1_5==0){delay(20);while(P1_5==0);delay(20);KeyNumber=11;}
	if(P1_4==0){delay(20);while(P1_4==0);delay(20);KeyNumber=15;}

	P1=0xFF;
	P1_0=0;
	if(P1_7==0){delay(20);while(P1_7==0);delay(20);KeyNumber=4;}
	if(P1_6==0){delay(20);while(P1_6==0);delay(20);KeyNumber=8;}
	if(P1_5==0){delay(20);while(P1_5==0);delay(20);KeyNumber=12;}
	if(P1_4==0){delay(20);while(P1_4==0);delay(20);KeyNumber=16;}
	return KeyNumber;
}

MatrixKey.h：

#ifndef __MATRIXKEY__H_
#define __MATRIXKEY__H_


unsigned char MatrixKey();

#endif

四、总结

矩阵键盘作为 51 单片机应用中重要的输入设备，通过巧妙的矩阵排列和扫描算法，实现了用较少的 I/O 口控制多个按键的功能。它不仅节省了硬件资源，还提高了系统的可靠性和操作的便捷性。在实际应用中，矩阵键盘广泛应用于各种电子设备，如电子秤、计算器、电子密码锁、工业控制系统等。通过本文的介绍，相信读者对 51 单片机之矩阵键盘有了更深入的了解，能够在自己的项目中灵活运用矩阵键盘，实现更加丰富和实用的功能。

如果你在学习和实践过程中遇到任何问题，欢迎留言交流，让我们一起探索 51 单片机的奇妙世界。