proteus仿真51单片机通过矩阵按键和数码管制作简单计算器

小白学电子_2026-03-22 23:08

基于 51 单片机、4×4 矩阵键盘和两位共阴极数码管的简易整数 / 小数计算器，核心功能覆盖 "输入 - 运算 - 显示 - 错误处理 - 重置"

本篇分为三个模块

模块一 矩阵按键

模块二 数码管

模块三 计算器

首先是电路图如上

模块一 ：矩阵按键

如果想看视频的话

看[6-1] 矩阵键盘_哔哩哔哩_bilibili这个

我在这里就简单把原理讲一下。

在单片机项目里，按键是最常用的输入设备。如果我们用最基础的独立按键，1 个按键就要占用 1 个单片机 IO 口；如果项目需要 16 个按键，就要占用 16 个 IO 口 ------ 这对 IO 资源本就紧张的单片机来说，是极大的浪费。

有没有办法用更少的 IO 口，实现更多按键的检测？这就是我们今天要讲的矩阵键盘，它的核心价值，就是用极少的 IO 口，实现大量按键的检测。

一、矩阵键盘的硬件结构

矩阵键盘的核心设计，是把按键排成N 行 M 列的矩阵结构，我们以最常用的 4×4 矩阵键盘（16 个按键）为例，结合原理图给大家讲清楚：

  1. 我们把横向的 4 根线叫做行线 （图中 P17、P16、P15、P14），纵向的 4 根线叫做列线（图中 P13、P12、P11、P10）。
  2. 每一个按键，都接在一根行线和一根列线的交叉点上：按键未按下时，行线和列线完全断开；按键按下时，对应的行线和列线就会直接导通。

这样设计的好处一目了然：4 行 4 列共 16 个按键，我们只需要4+4=8 个 IO 口就能完成全部检测，比独立按键节省了一半的 IO 口；如果是 8×8 的 64 键矩阵，仅需 16 个 IO 口，按键数量越多，IO 口的节省效果越夸张。

二、矩阵键盘核心工作原理：逐行 / 逐列扫描法

矩阵键盘的核心，就是逐行（逐列）扫描 ，我们先讲最通用、最好理解的逐行扫描法。

前置准备：IO 口模式配置

要实现扫描，我们先要给单片机 IO 口做固定配置，这是新手最容易忽略的关键点：

  • 行线：配置为推挽输出模式，可以主动输出高 / 低电平；

  • 列线：配置为上拉输入模式，默认状态下是高电平，只有被外部拉低时，才会变成低电平。

扫描的完整步骤（结合实例讲解）

我们以原理图中按键 5（第 2 行 P16、第 1 列 P13）按下为例，一步步拆解扫描的全过程，大家可以对着原理图同步理解。

第一步：预检测，快速判断有没有按键按下

先给所有行线，全部输出低电平，然后读取所有列线的电平：

  • 如果没有任何按键按下：所有列线都是上拉的高电平，我们读到的列值全是 1，直接结束本轮扫描，不用做后续操作，提高程序效率；

  • 如果有按键按下：按下的按键会把对应的行线（低电平）和列线导通，这根列线就会被拉成低电平，我们读到的列值就会出现 0，确认有按键按下，进入下一步定位。

第二步：逐行扫描，定位按键的精确位置

逐行扫描的核心逻辑：一次只拉低一根行线，其余所有行线全部输出高电平，然后依次读取每一列的电平。我们继续用按键 5 按下的场景演示：

  1. 先给第 1 行（P17）输出低电平，剩下的 P16、P15、P14 全部输出高电平，读取 4 根列线的电平：按键 5 在 P16 行，此时 P16 是高电平，就算按键按下，列线也不会被拉低，所以 4 根列线全是高电平，判定这一行没有按键按下。

  2. 接着给第 2 行（P16）输出低电平，剩下的 P17、P15、P14 全部输出高电平，再次读取列线电平：此时我们发现，第 1 列 P13 的电平变成了低电平，其他列还是高电平。这里我们就拿到了两个关键信息：输出低电平的行是 P16（第 2 行），读取到低电平的列是 P13（第 1 列）。

  3. 有了唯一的行号和列号，我们就能 100% 确定：按下的按键，就是第 2 行第 1 列的按键 5！

  4. 后续我们继续给第 3 行（P15）、第 4 行（P14）依次输出低电平，读取列线，完成一轮完整的扫描。

第三步：循环扫描，实现 "全按键实时检测"

我们只要让单片机快速循环执行上面的逐行扫描过程，就能实现所有按键的实时检测。这里有个很关键的点：人的按键动作是很慢的（按下到松开至少几十毫秒），只要单片机的扫描频率足够快，就能在你按下按键的瞬间，完成扫描定位，给人的体感就是 "所有按键都能同时被检测"。

补充：逐列扫描法

逐列扫描和逐行扫描是完全对称的逻辑：我们把列线配置为输出模式，行线配置为上拉输入模式，一次只拉低一根列线，其余列线输出高电平，然后读取每一行的电平，通过 "低电平的列号 + 低电平的行号"，定位按下的按键，原理和逐行扫描完全一致。

我们讲代码写一下

三.矩阵按键代码

cpp 复制代码 
// ====================== 4x4矩阵键盘扫描函数 ======================
// 功能：扫描4x4矩阵键盘，返回按键值
// 返回值：按键编号（1-16），0表示无按键按下
// 键盘布局：
//   P1_7-P1_4为行线（输出），P1_3-P1_0为列线（输入）
//   按键映射：1-9为数字，10=+, 11=-, 12==, 13=撤回, 14=×, 15=÷, 16=C(清除)
unsigned char Key()
{
	unsigned char Number=0;  // 按键编号，初始化为0（无按键）
	
	// ====================== 扫描第一行（P1_7=0） ======================
	P1=0XFF;      // P1端口全部输出高电平
	P1_7=0;       // 第一行输出低电平
	// 检测列线状态，判断是否有按键按下
	if(P1_3==0){Delayms(20);if(P1_3==1){Delayms(20);Number=1;}}  // 按键1：第一行第四列
	if(P1_2==0){Delayms(20);if(P1_2==1){Delayms(20);Number=2;}}  // 按键2：第一行第三列
	if(P1_1==0){Delayms(20);if(P1_1==1){Delayms(20);Number=3;}}  // 按键3：第一行第二列
	if(P1_0==0){Delayms(20);if(P1_0==1){Delayms(20);Number=4;}}  // 按键4：第一行第一列
	
	// ====================== 扫描第二行（P1_6=0） ======================
	P1=0XFF;      // P1端口全部输出高电平
	P1_6=0;       // 第二行输出低电平
	if(P1_3==0){Delayms(20);if(P1_3==1){Delayms(20);Number=5;}}  // 按键5：第二行第四列
	if(P1_2==0){Delayms(20);if(P1_2==1){Delayms(20);Number=6;}}  // 按键6：第二行第三列
	if(P1_1==0){Delayms(20);if(P1_1==1){Delayms(20);Number=7;}}  // 按键7：第二行第二列
	if(P1_0==0){Delayms(20);if(P1_0==1){Delayms(20);Number=8;}}  // 按键8：第二行第一列
	
	// ====================== 扫描第三行（P1_5=0） ======================
	P1=0XFF;      // P1端口全部输出高电平
	P1_5=0;       // 第三行输出低电平
	if(P1_3==0){Delayms(20);if(P1_3==1){Delayms(20);Number=9;}}   // 按键9：第三行第四列
	if(P1_2==0){Delayms(20);if(P1_2==1){Delayms(20);Number=10;}}  // 按键10（+）：第三行第三列
	if(P1_1==0){Delayms(20);if(P1_1==1){Delayms(20);Number=11;}}  // 按键11（-）：第三行第二列
	if(P1_0==0){Delayms(20);if(P1_0==1){Delayms(20);Number=12;}}  // 按键12（=）：第三行第一列
	
	// ====================== 扫描第四行（P1_4=0） ======================
	P1=0XFF;      // P1端口全部输出高电平
	P1_4=0;       // 第四行输出低电平
	if(P1_3==0){Delayms(20);if(P1_3==1){Delayms(20);Number=13;}}  // 按键13（撤回）：第四行第四列
	if(P1_2==0){Delayms(20);if(P1_2==1){Delayms(20);Number=14;}}  // 按键14（×）：第四行第三列
	if(P1_1==0){Delayms(20);if(P1_1==1){Delayms(20);Number=15;}}  // 按键15（÷）：第四行第二列
	if(P1_0==0){Delayms(20);if(P1_0==1){Delayms(20);Number=16;}}  // 按键16（C）：第四行第一列
	
	return Number;  // 返回按键编号
}

我们拿第一段进行讲解（注意 按键检测有更好的写法 这里是与江协保持一致）

  1. 准备工作：初始化端口状态
cpp 复制代码 
P1=0XFF;      // P1端口全部输出高电平

  • 作用：这是扫描前的 "清零 / 复位" 操作。

    • 给 P1 口的所有 8 个引脚（P1.0 到 P1.7）全部写入高电平（1）。

    • 目的是确保之前的扫描结果或残留电平不会干扰本次判断，让所有行线都回到 "未选中" 状态。

  1. 选中第一行：拉低行线
cpp 复制代码 
P1_7=0;       // 第一行输出低电平

  • 作用 ：拉低第一行的行线（假设你的硬件连接是：行线接 P1.7-P1.4，列线接 P1.3-P1.0）。

    • 这是 "逐行扫描" 的核心：一次只让一根行线为低电平（0），其他行线全为高电平（1）。

    • 此时，如果第一行上有按键按下，那个按键就会把对应的列线 "短路" 到这个低电平上。

  1. 检测第一行的按键（以第一个 if 为例，其余同理）

我们以 "按键 1（第一行第四列）" 的检测代码为例进行拆解：

cpp 复制代码 
// 检测列线 P1.3（第四列）
if(P1_3==0) {
    Delayms(20);          // 第1次延时
    if(P1_3==1) {         // 内部判断
        Delayms(20);      // 第2次延时
        Number=1;         // 赋值按键值
    }
}

第一层：初步触发电平检测

cpp 复制代码 
if(P1_3==0)  // 判断列线 P1.3 是否为低电平

  • 作用：检查有没有按键把这根列线拉低。

    • 因为我们刚才把第一行（P1.7）设为 0 了，如果 "第一行第四列" 的按键被按下，P1.3（列线）就会通过按键被强行拉到 GND，变成 0。

    • 如果读到 P1_3 == 0，说明可能有按键按下了（但也可能是干扰或抖动）。

第二层：软件消抖（关键步骤）

cpp 复制代码 
Delayms(20);  // 延时 20 毫秒

  • 作用 ：机械按键消抖。

    • 机械按键按下时，金属片会发生物理弹跳，导致电平在 0 和 1 之间快速跳变几次（约 5-20ms）。如果不延时直接读，单片机会误以为你按了很多次。

    • 延时 20ms，就是为了等电平稳定下来。

第三层：逻辑陷阱（注意！这里有问题）

cpp 复制代码 
if(P1_3==1)  // 再次判断列线 P1.3 是否为高电平
  • 代码字面意思 ：延时结束后，检查 P1.3 是否变回了 1。
cpp 复制代码 
Delayms(20);  // 再延时 20 毫秒
Number=1;     // 将变量 Number 赋值为 1
  • 作用 ：如果通过了上面的判断，就把变量 Number 设为 1，代表 "按键 1 被按下了"。

我们将其封装成函数 按键读取的值返回。

模块二 ： 数码管

视频（[4-1] 静态数码管显示_哔哩哔哩_bilibili）

一、数码管的核心结构：8 个 LED 的组合

8 段数码管的本质，是8 个独立的发光二极管（LED）封装在一个器件里，通过控制不同 LED 的亮灭，组合出 0-9 的数字、小数点和少量简单字符。结合你图中的标注，8 个 LED 的定义如下：

  • 7 个长条形 LED 组成数字 "8" 的笔画，分别命名为A、B、C、D、E、F、G 段，对应数字的 7 个笔画；
  • 1 个圆形 LED 是DP 段，就是右下角的小数点；
  • 加起来正好 8 个段，因此叫 "8 段数码管"。
类型 公共端定义 点亮逻辑 原理图对应
共阳极数码管 所有 LED 的正极（阳极）全部连在一起，作为公共端（COM 端） 公共端接高电平（VCC/5V），对应段的引脚给低电平（0），LED 点亮；给高电平（1），LED 熄灭 完全匹配，图中 3、8 脚是连在一起的公共阳极，A~DP 是各 LED 的阴极
共阴极数码管 所有 LED 的负极（阴极）全部连在一起，作为公共端（COM 端） 公共端接低电平（GND），对应段的引脚给高电平（1），LED 点亮；给低电平（0），LED 熄灭 与原理图逻辑完全相反

共阳极：低电平点亮，高电平熄灭；共阴极：高电平点亮，低电平熄灭，两者的显示段码完全相反。

二 显示数字

要显示一个数字，本质就是让对应笔画的 LED 点亮，不需要的笔画熄灭 。举个例子：要显示数字0，需要 A、B、C、D、E、F 段点亮，G 段和 DP 小数点熄灭。

显示数字 亮灯段 8 位二进制（DP G F E D C B A） 16 进制段码
0 A、B、C、D、E、F 1100 0000 0xC0
1 B、C 1111 1001 0xF9
2 A、B、G、E、D 1010 0100 0xA4
3 A、B、G、C、D 1011 0000 0xB0
4 F、G、B、C 1001 1001 0x99
5 A、F、G、C、D 1001 0010 0x92
6 A、F、G、C、D、E 1000 0010 0x82
7 A、B、C 1111 1000 0xF8
8 A、B、C、D、E、F、G 1000 0000 0x80
9 A、B、C、D、F、G 1001 0000 0x90
全灭 无 1111 1111 0xFF
仅小数点 DP 0111 1111 0x7F

补充：共阴极数码管的段码，就是上表的二进制数按位取反，比如数字 0 的段码是 0x3F，数字 1 是 0x06。

显示数字 亮灯段 8 位二进制（DP G F E D C B A） 16 进制段码
0 A、B、C、D、E、F 0011 1111 0x3F
1 B、C 0000 0110 0x06
2 A、B、G、E、D 0101 1011 0x5B
3 A、B、G、C、D 0100 1111 0x4F
4 F、G、B、C 0110 0110 0x66
5 A、F、G、C、D 0110 1101 0x6D
6 A、F、G、C、D、E 0111 1101 0x7D
7 A、B、C 0000 0111 0x07
8 A、B、C、D、E、F、G 0111 1111 0x7F
9 A、B、C、D、F、G 0110 1111 0x6F
全灭 无 0000 0000 0x00
仅小数点 DP 1000 0000 0x80

我们仿真里面用的数码管

7SEG-MPX2-CC-BLUE 器件

型号字段 含义说明
7SEG 7 段数码管（实际带小数点 DP，共 8 个发光段，行业通用简称 7 段）
MPX2 Multiplex 2，即 **2 位一体、支持多路复用（动态扫描）** 的数码管
CC Common Cathode，共阴极类型
BLUE 数码管的发光颜色为蓝色
引脚分类 引脚名称 功能说明
位选脚（2 个） COM1（1 脚） 第 1 位（左位）数码管的公共阴极，拉低电平（0）时，该位被选通，允许点亮
COM2（2 脚） 第 2 位（右位）数码管的公共阴极，拉低电平（0）时，该位被选通，允许点亮
段选脚（8 个） a、b、c、d、e、f、g、dp 两个数码管共用的段选脚，高电平（1）时，对应段点亮（共阴极逻辑）

好了，那我们开始数码管的代码

三 代码片段

cpp 复制代码 
// ====================== 两位数码管显示函数 ======================
// 功能：在指定位置显示数字，支持小数点
// 参数：
//   Location - 显示位置（1=十位，2=个位）
//   Digital  - 显示数字（0-9，10=E错误，11=熄灭）
//   Dot      - 小数点标志（1=点亮小数点，0=熄灭）
// 说明：使用共阴数码管，P0输出段码，P2控制位选
void Display(int Location, unsigned char Digital, bit Dot)
{
	// 共阴数码管段码表：0-9、E(0x79)、熄灭(0x00)
	// 每个段码对应数码管的a-g和dp段
	unsigned char Num[]={0x3F,0x06,0x5B,0x4F,0x66,0x6D,0x7D,0x07,0x7F,0x6F,0x79,0x00};
	unsigned char seg_code = Num[Digital];  // 获取对应数字的段码
	
	// 点亮小数点（任意位有效，共阴：高电平点亮）
	if(Dot)
	{
		seg_code |= 0x80;  // 将最高位（小数点位）置1
	}
	
	// 位选控制（共阴：低电平点亮对应位）
	switch(Location)
	{
		case 1: P2_0=0; P2_1=1; break;  // 十位：P2_0=0选中
		case 2: P2_0=1; P2_1=0; break;  // 个位：P2_1=0选中
	}
	
	P0 = seg_code;  // 输出段码到数码管
	Delayms(1);     // 动态扫描延时，保持显示
	P0 = 0x00;      // 消隐，防止鬼影
}

模块三 ：计算器（10以内的计算）

1.输入第一位数值，在第一位上面显示，然后输入运算符号，数码管无变化，再输入第二位数字

第一位数值，移到第二位，第一位显示第二个数值

2.按下等号 保留一位小数。

3有撤销功能，比如 第一个输入3 再输入+号，此时按撤销键后，可以再输入符号如 --- 号。

代码如下

cpp 复制代码 
// ====================== 主函数：计算器逻辑 ======================
// 功能：实现两位数码管计算器，支持加减乘除运算
// 状态机设计：
//   state=0：输入第一个操作数num1
//   state=1：输入第二个操作数num2
//   state=2：显示运算结果
void main()
{
	unsigned char KeyNum;       // 当前按键值
	unsigned char num1 = 0;     // 第一个操作数（0-9）
	unsigned char num2 = 0;     // 第二个操作数（0-9）
	unsigned char op = 0;       // 运算符：0=无，1=+，2=-，3=×，4=÷
	float result = 0.0;         // 运算结果（浮点数，支持小数）
	unsigned char int_part = 0; // 结果的整数部分
	unsigned char dec_part = 0; // 结果的小数部分（保留1位）
	unsigned char state = 0;    // 状态机：0=输入num1，1=输入num2，2=显示结果
	unsigned char error_flag = 0;// 错误标志：1=负数/除零错误
	
	while(1)  // 主循环：持续扫描按键和更新显示
	{
		KeyNum = Key();  // 读取键盘按键值
		
		// ====================== 按键处理逻辑 ======================
		if(KeyNum != 0)  // 有按键按下
		{
			// 清除键（C）：重置所有状态
			if(KeyNum == 16)
			{
				num1 = 0;        // 清除第一个操作数
				num2 = 0;        // 清除第二个操作数
				op = 0;          // 清除运算符
				result = 0.0;    // 清除结果
				int_part = 0;    // 清除整数部分
				dec_part = 0;    // 清除小数部分
				state = 0;       // 返回初始状态
				error_flag = 0;   // 清除错误标志
			}
			
			// ====================== 状态0：输入第一个操作数 num1 ======================
			else if(state == 0)
			{
				if(KeyNum >= 1 && KeyNum <= 9) num1 = KeyNum;  // 输入数字1-9
				else if(KeyNum == 13) num1 = 0;                // 输入数字0
				else if(KeyNum == 10) { op = 1; state = 1; }   // 输入+号，进入状态1
				else if(KeyNum == 11) { op = 2; state = 1; }   // 输入-号，进入状态1
				else if(KeyNum == 14) { op = 3; state = 1; }   // 输入×号，进入状态1
				else if(KeyNum == 15) { op = 4; state = 1; }   // 输入÷号，进入状态1
			}
			
			// ====================== 状态1：输入第二个操作数 num2 ======================
			else if(state == 1)
			{
				if(KeyNum==13)
				{
                   state=0;//返回上一个状态 （输入运算符号）
				}
				else if(KeyNum >= 1 && KeyNum <= 9) num2 = KeyNum;  // 输入数字1-9
				              
				else if(KeyNum == 12)  // 等号=：执行运算
				{
					error_flag = 0;  // 清除错误标志
					// 根据运算符执行相应运算
					switch(op)
					{
						case 1: result = num1 + num2; break;  // 加法
						case 2: if(num1 >= num2) result = num1 - num2; else error_flag = 1; break;  // 减法（不允许负数）
						case 3: result = num1 * num2; break;  // 乘法
						case 4: if(num2 == 0) error_flag = 1; else result = (float)num1 / num2; break;  // 除法（不允许除零）
					}
					
					// 拆分整数和小数部分（四舍五入保留1位小数）
					if(!error_flag)
					{
						int_part = (unsigned char)result;  // 提取整数部分
						dec_part = (unsigned char)((result - int_part) * 10 + 0.5);  // 提取小数部分并四舍五入
						if(dec_part >= 10) { dec_part = 0; int_part++; }  // 处理进位（如9.95→10.0）
					}
					state = 2;  // 进入结果显示状态
				}
			}
		}
		
		// ====================== 两位数码管显示逻辑 ======================
		if(state == 0)  // 状态0：显示第一个操作数
		{
			Display(1, 0, 0);      // 十位：显示0
			Display(2, num1, 0);   // 个位：显示num1（无小数点）
		}
		else if(state == 1)  // 状态1：显示第二个操作数
		{
			Display(1, num1, 0);      // 十位：显示0
			Display(2, num2, 0);   // 个位：显示num2（无小数点）
		}
		else if(state == 2)  // 状态2：显示运算结果
		{
			if(error_flag)  // 有错误：显示错误提示
			{
				Display(1, 10, 0);  // 十位：显示E（Error）
				Display(2, 0, 0);    // 个位：显示0
			}
			else  // 无错误：显示运算结果
			{
				if(dec_part == 0)  // 结果为整数
				{
					if(int_part < 10)  // 整数部分小于10：只显示个位
					{
						Display(1, 11, 0);      // 十位：熄灭
						Display(2, int_part, 0); // 个位：显示整数部分（无小数点）
					}
					else  // 整数部分大于等于10：显示两位
					{
						Display(1, int_part / 10, 0);  // 十位：显示十位数
						Display(2, int_part % 10, 0);  // 个位：显示个位数
					}
				}
				else  // 结果有小数
				{
					if(int_part < 10)  // 整数部分小于10：显示格式"X.X"
					{
						Display(1, int_part, 1);  // 十位：显示整数部分（带小数点）
						Display(2, dec_part, 0);  // 个位：显示小数部分（不带小数点）
					}
					else  // 整数部分大于等于10：显示格式"XX."（小数部分被截断）
					{
						Display(1, int_part / 10, 0);  // 十位：显示十位数
						Display(2, int_part % 10, 1);  // 个位：显示个位数（带小数点）
					}
				}
			}
		}
	}
}

好了

这就本次的内容

如果你喜欢，可以给我一个免费的赞和收藏，非常感谢。

相关推荐
17（无规则自律）4 小时前
【Linux驱动实战】：字符设备之ioctl与mutex全解析
linux·c语言·驱动开发·嵌入式硬件
电子工程师成长日记-C514 小时前
51单片机4乘4计算器
单片机·嵌入式硬件·51单片机
没有医保李先生5 小时前
esp32和stm32的工程宏定义
stm32·单片机·嵌入式硬件
szxinmai主板定制专家5 小时前
基于ZYNQ MPSOC船舶数据采集仪器设计（一）总体设计方案，包括振动、压力、温度、流量等参数
arm开发·人工智能·嵌入式硬件·fpga开发
2501_918126916 小时前
学习所有6502写游戏存档的语句
汇编·嵌入式硬件·学习·游戏·个人开发
普中科技6 小时前
【普中STM32F1xx开发攻略--标准库版】-- 第 38 章 RS485 通信实验
stm32·单片机·嵌入式硬件·开发板·通信·rs485·普中科技
DLGXY6 小时前
STM32（二十七）——独立看门狗&窗口看门狗
stm32·嵌入式硬件·算法
weixin_462901976 小时前
方案 3：手机控制 ESP32
单片机·嵌入式硬件
風清掦7 小时前
【江科大STM32学习笔记-09】USART串口协议 - 9.1 STM32 USART串口外设
笔记·stm32·单片机·嵌入式硬件·学习
热门推荐
01GitHub 镜像站点02Qwen3.5 开源全解析：从 0.8B 到 397B，代际升级 + 全场景选型指南03围棋-html版本04小黑课堂计算机二级WPSoffice题库软件下载安装教程（2026年3月最新版）05班级宠物园部署指南06OpenClaw 使用和管理 MCP 完全指南07UV安装并设置国内源08“wsl --install -d Ubuntu-22.04”下载慢，中国地区离线安装 Ubuntu 22.04 WSL方法（亲测2025年5月6日）09OpenClaw Control UI安全上下文访问配置10Labelme从安装到标注：零基础完整指南