(1)实验平台：普中51单片机开发板-A2&A3&A4
上一章我们介绍了独立按键的构成以及使用方法， 本章我们介绍按键电路的另一种模型： 矩阵按键。 开发板上板载了一个 4*4 矩阵键盘。 本章所要实现的功能是： 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。 学习本章可以参考前面的实验章节内容。 本章分为如下几部分内容：
[14.1 矩阵按键介绍](#14.1 矩阵按键介绍)
[14.2 硬件设计](#14.2 硬件设计)
[14.3 软件设计](#14.3 软件设计)
[14.4 实验现象](#14.4 实验现象)
14.1 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。
本章以 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， 本章实验中采用的是行列扫描法来检测哪个按键按下。
14.2 硬件设计
本实验使用到硬件资源如下：
（1） 静态数码管
（2） 4*4 矩阵按键
静态数码管模块电路在前面章节都介绍过， 这里就不多说， 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。
14.3 软件设计
本章所要实现的功能是： 通过数码管显示矩阵按键 S1-S16 按下后键值 0-F。
我们打开"\4--实验程序\1--基础实验\9-矩阵按键实验" 工程， 控制代码全部都在 main.c 中， 代码如下：
cpp
/**************************************************************************************
深圳市普中科技有限公司（PRECHIN 普中）
技术支持：www.prechin.net
PRECHIN
普中
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
注意事项：
***************************************************************************************/
#include "reg52.h"
typedef unsigned int u16; //对系统默认数据类型进行重定义
typedef unsigned char u8;
#define KEY_MATRIX_PORT P1 //使用宏定义矩阵按键控制口
#define SMG_A_DP_PORT P0 //使用宏定义数码管段码口
//共阴极数码管显示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
* 输 出 : 无
*******************************************************************************/
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;
KEY_MATRIX_PORT=0xf7;//给第一列赋值0，其余全为1
if(KEY_MATRIX_PORT!=0xf7)//判断第一列按键是否按下
{
delay_10us(1000);//消抖
switch(KEY_MATRIX_PORT)//保存第一列按键按下后的键值
{
case 0x77: key_value=1;break;
case 0xb7: key_value=5;break;
case 0xd7: key_value=9;break;
case 0xe7: key_value=13;break;
}
}
while(KEY_MATRIX_PORT!=0xf7);//等待按键松开
KEY_MATRIX_PORT=0xfb;//给第二列赋值0，其余全为1
if(KEY_MATRIX_PORT!=0xfb)//判断第二列按键是否按下
{
delay_10us(1000);//消抖
switch(KEY_MATRIX_PORT)//保存第二列按键按下后的键值
{
case 0x7b: key_value=2;break;
case 0xbb: key_value=6;break;
case 0xdb: key_value=10;break;
case 0xeb: key_value=14;break;
}
}
while(KEY_MATRIX_PORT!=0xfb);//等待按键松开
KEY_MATRIX_PORT=0xfd;//给第三列赋值0，其余全为1
if(KEY_MATRIX_PORT!=0xfd)//判断第三列按键是否按下
{
delay_10us(1000);//消抖
switch(KEY_MATRIX_PORT)//保存第三列按键按下后的键值
{
case 0x7d: key_value=3;break;
case 0xbd: key_value=7;break;
case 0xdd: key_value=11;break;
case 0xed: key_value=15;break;
}
}
while(KEY_MATRIX_PORT!=0xfd);//等待按键松开
KEY_MATRIX_PORT=0xfe;//给第四列赋值0，其余全为1
if(KEY_MATRIX_PORT!=0xfe)//判断第四列按键是否按下
{
delay_10us(1000);//消抖
switch(KEY_MATRIX_PORT)//保存第四列按键按下后的键值
{
case 0x7e: key_value=4;break;
case 0xbe: key_value=8;break;
case 0xde: key_value=12;break;
case 0xee: key_value=16;break;
}
}
while(KEY_MATRIX_PORT!=0xfe);//等待按键松开
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;
KEY_MATRIX_PORT=0x0f;//给所有行赋值0，列全为1
if(KEY_MATRIX_PORT!=0x0f)//判断按键是否按下
{
delay_10us(1000);//消抖
if(KEY_MATRIX_PORT!=0x0f)
{
//测试列
KEY_MATRIX_PORT=0x0f;
switch(KEY_MATRIX_PORT)//保存行为0，按键按下后的列值
{
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;
switch(KEY_MATRIX_PORT)//保存列为0，按键按下后的键值
{
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
* 输 入 : 无
* 输 出 : 无
*******************************************************************************/
void main()
{
u8 key=0;
while(1)
{
key=key_matrix_ranks_scan();
if(key!=0)
SMG_A_DP_PORT=gsmg_code[key-1];//得到的按键值减1换算成数组下标对应0-F段码
}
}本实验核心代码为 key_matrix_ranks_scan 函数和 key_matrix_flip_scan函数， 前者是使用行列式扫描方式实现， 而后者是使用线翻转式扫描方式实现，实现功能一致， 二者可选其一。 对于初学者， 可能行列式扫描方式更易于理解，因为比较接近独立按键的编程方式。
行列式扫描原理比较简单， 与独立式按键操作类似， 即给每一列赋值 0， 此时的矩阵按键就被分割成独立按键， 然后再判断每一列中的按键按下情况， 并返回对应的键值。 如此循环 4 组， 就可将 4 列 4 行按键按下键值全部得到。
而线翻转式扫描相对较难理解， 不过静下心， 在纸上画画， 列举几个数据也是比较容易理解的。
14.4 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。
