单片机外设矩阵键盘之线反转法识别原理与示例

单片机外设矩阵键盘之线反转法识别原理与示例

1.概述

这篇文章主要介绍单片机接收 4X4矩阵键盘发出的指令，做出对应的反馈。其中主要介绍矩阵键盘线反转方式的识别原理和实操。

2.矩阵键盘线反转识别原理

2.1.矩阵键盘硬件接线原理

矩阵键盘的硬件接线方式有多种，下面介绍的是常用的矩阵式接线。
4X4矩阵键盘由4行和4列构成，行和列分别为两层金属线的薄膜，中间加一层绝缘层，在每个按键的位置有一个开孔，当按下某个位置的按键的时候行薄膜片和列薄膜片就会相贴合，此时就会有电流导通。通过检测导通电流的行和列的位置确定该按键被按下。
在这里插入图片描述

2.2.线反转识别原理

1.线反转识别原理介绍

线反转识别的设计非常巧妙，简化了代码的复杂度和冗余度。首先识别列号，然后在识别行号，经过两次识别确定按键位置，因此称为线反转识别。

线反转识别步骤如下

  1. 设置列识别模式
    • 行为低4位，列为高4位，将行全部设置为0，列全部设置为1，十六进制值为 0xf0
  2. 识别列号
    • 当按键按下的时候，某列的值就会变为0，因此可以获取对应列号，例如按下第一列 1110
  3. 反转 设置行识别模式
    • 行为低4位，列为高4位，将行全部设置为1，列全部设置为0，十六进制值为 0x0f
  4. 识别行号
    • 当按键按下的时候，某行的值就会变为0，因此可以获取对应行号，例如按下第一行 1110
  5. 行号 + 列号 = 按键号
    • 将行号与列号做或运算得到一个8位二进制数值，转为十六进制就是按键对应的键码
2.线反转识别举例说明

上面介绍了线反转识别的原理后，下面在通过一个例子掌握如何从原理转化为实际结果，示例中用1号按键举例，其他按键码值计算方式相同。

计算1号按键键码示例
根据上图的4X4接线图计算1号按键的键码，图中 KEYIN1~KEYIN4 是行，KEYOUT1~KEYOUT4是列。

  1. 设置列识别模式

    • 将 KEYIN1~KEYIN4 全部设置为低电平模式，二进制就是 0000，KEYOUT1~KEYOUT4全部设置为高电平模式，二进制就是 1111，列为高4位，行为低4位，因此组合后一个8位二进制就是：1111 0000

  2. 识别列号

    • 按下1号按键，1号按键的接线是第一列，得到的列二进制就是 1110，行的二进制还是0000, 组合后一个8位二进制就是：1110 0000

  3. 反转 设置行识别模式

    • 将 KEYIN1~KEYIN4 全部设置为高电平模式，二进制就是 1111，KEYOUT1~KEYOUT4全部设置为低电平模式，二进制就是 0000，列为高4位，行为低4位，因此组合后一个8位二进制就是：0000 1111

  4. 识别行号

    • 按下1号按键，1号按键的接线是第一行，得到的行二进制就是 1110，列的二进制还是0000, 组合后一个8位二进制就是：0000 1110

  5. 行号 + 列号 = 按键号

    • 将行号与列号做或运算(1110 0000 | 0000 1110)得到一个8位二进制数值 1110 1110 ，转为十六进制 0xEE

3.矩阵键盘点亮LED灯实验

实验目标

在程序中接收键盘按键的码值，对码值进行判断，控制LED灯打开和关闭。

硬件电路原理
  • LED灯正极接20号VCC引脚，负极接11号P3.7引脚
  • 键盘排线上有标号，1号对应12号P1.0引脚依次递增，8号对应19号P1.7引脚
    在这里插入图片描述
核心代码介绍

KEY()函数的作用就是通过线反转法识别按键的键值，然后通过程序作出相应的动作。该函数将上面线翻转原理做了实现。

/*
函数名：线翻转法读取键盘按键值
调  用：? =  Key (void);
参  数：无
返回值：0~0xff
结  果：连接Px接口的键盘读出返回值
备  注：
*/
unsigned char Key (void){//键盘处理函数
	unsigned char a,b,c;//定义3个变量
	//设置列识别模式：行为低4位，列为高4位，将行全部设置为0，列全部设置为1，二进制为：11110000，十六进制值为 0xf0
	KEY = 0xf0;
	if(KEY != 0xf0){ //查寻键盘口的值是否变化
		DELAY_MS (20);//延时20毫秒，去除按键抖动
   		if(KEY != 0xf0){//有键按下处理
	  		a = KEY;//键值放入寄存器a
		}
		//翻转设置行识别模式：行为低4位，列为高4位，将行全部设置为1，列全部设置为0，二进制为：00001111，十六进制值为 0x0f
		KEY = 0x0f;
		c = KEY;//将第二次取得值放入寄存器c
		a = a|c;//将两个数据相或
		switch(a){//对比数据值
			case 0xee: b = 1; break;//对比得 到的键值给b一个应用数据
			case 0xed: b = 2; break;
			case 0xeb: b = 3; break;
	   		case 0xe7: b = 4; break;
	   		case 0xde: b = 5; break;
	   		case 0xdd: b = 6; break;
	   		case 0xdb: b = 7; break;
	   		case 0xd7: b = 8; break;
	   		case 0xbe: b = 9; break;
	   		case 0xbd: b = 10; break;
	   		case 0xbb: b = 11; break;
	   		case 0xb7: b = 12; break;
	   		case 0x7e: b = 13; break;
	   		case 0x7d: b = 14; break;
	   		case 0x7b: b = 15; break;
	   		case 0x77: b = 16; break;
			default: b = 0; break;//键值错误处理
	   }
	}
	return (b);//将b作为返回值
}
完整代码
/*
程序名：线翻转法操作矩阵键盘　　 
编写人：bruce 　　 　
编写时间：2023年12月
硬件支持：STC12C2052AD系列　　
接口说明：　　  
修改日志：　　
　　NO.1-								
*/

#include <STC12C2052AD.H> //STC12Cx052或STC12Cx052AD系列单片机头文件


sbit LED = P3 ^ 7;

#define KEY P1 

/*
函数名：毫秒级CPU延时函数
调  用：DELAY_MS (?);
参  数：1~65535（参数不可为0）
返回值：无
结  果：占用CPU方式延时与参数数值相同的毫秒时间
备  注：应用于1T单片机时i<600，应用于12T单片机时i<125
*/
void DELAY_MS (unsigned int a){
	unsigned int i;
	while( a-- != 0){
		for(i = 0; i < 600; i++);
	}
}


/*
函数名：线翻转法读取键盘按键值
调  用：? =  Key (void);
参  数：无
返回值：0~0xff
结  果：连接Px接口的键盘读出返回值
备  注：
*/
unsigned char Key (void){//键盘处理函数
	unsigned char a,b,c;//定义3个变量
	//设置列识别模式：行为低4位，列为高4位，将行全部设置为0，列全部设置为1，二进制为：11110000，十六进制值为 0xf0
	KEY = 0xf0;
	if(KEY != 0xf0){ //查寻键盘口的值是否变化
		DELAY_MS (20);//延时20毫秒，去除按键抖动
   		if(KEY != 0xf0){//有键按下处理
	  		a = KEY;//键值放入寄存器a
		}
		//翻转设置行识别模式：行为低4位，列为高4位，将行全部设置为1，列全部设置为0，二进制为：00001111，十六进制值为 0x0f
		KEY = 0x0f;
		c = KEY;//将第二次取得值放入寄存器c
		a = a|c;//将两个数据相或
		switch(a){//对比数据值
			case 0xee: b = 1; break;//对比得 到的键值给b一个应用数据
			case 0xed: b = 2; break;
			case 0xeb: b = 3; break;
	   		case 0xe7: b = 4; break;
	   		case 0xde: b = 5; break;
	   		case 0xdd: b = 6; break;
	   		case 0xdb: b = 7; break;
	   		case 0xd7: b = 8; break;
	   		case 0xbe: b = 9; break;
	   		case 0xbd: b = 10; break;
	   		case 0xbb: b = 11; break;
	   		case 0xb7: b = 12; break;
	   		case 0x7e: b = 13; break;
	   		case 0x7d: b = 14; break;
	   		case 0x7b: b = 15; break;
	   		case 0x77: b = 16; break;
			default: b = 0; break;//键值错误处理
	   }
	}
	return (b);//将b作为返回值
}

void main (void){ //主程序 
	while(1){
		if(Key() == 1){
			LED = 0;		//取LED相反状态
		}
		if(Key() == 2){
			LED = 1;		//取LED相反状态
		}
	}
}

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