如何用单片机高效处理矩阵按键?

原创 美男子玩编程 2025-03-15 08:01

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矩阵按键是一种常见的输入设备,广泛应用于嵌入式系统中,如工业控制、消费电子和智能家居等领域。


其核心思想是利用行列扫描技术,通过较少的I/O口实现对大量按键的检测。



假设有一个4×4的矩阵按键,它由4行(Row)和4列(Column)组成,共16个按键。


通常,行连接到单片机的GPIO输出端,列连接到GPIO输入端,且列端口通常需要上拉电阻来保持默认高电平。


硬件连接示例:



1


矩阵按键的基本扫描方法

依次拉低每一行的电平,并读取列信号,判断是否有按键按下。


实现步骤:

  • 设定所有行(Row)为高电平,所有列(Column)为输入模式,并上拉。
  • 依次将每一行拉低(低电平),然后读取所有列的状态。
  • 如果某列检测到低电平,说明该行与该列的交点处按键被按下。
  • 记录按键位置,并等待去抖动处理。
  • 继续扫描下一行,直到所有行扫描完毕。


示例代码(基于C语言):


#define ROWS 4#define COLS 4constuint8_t row_pins[ROWS] = {ROW1, ROW2, ROW3, ROW4};constuint8_t col_pins[COLS] = {COL1, COL2, COL3, COL4};void scan_matrix_keypad() {    for (int i = 0; i < ROWS; i++) {        // 设定当前行为低电平        gpio_write(row_pins[i], LOW);        delay_us(5);  // 确保稳定        // 读取列状态        for (int j = 0; j < COLS; j++) {            if (gpio_read(col_pins[j]) == LOW) {                printf("按键[%d,%d]被按下\n", i, j);            }        }        // 恢复当前行为高电平        gpio_write(row_pins[i], HIGH);    }}

2


低功耗优化

如果单片机支持外部中断,可以利用外部中断检测按键按下,降低CPU负载。


方法如下:

  • 初始状态:所有行设为高电平,所有列配置为带上拉输入,并开启中断。
  • 进入低功耗模式,等待外部中断。
  • 当按键按下时,列引脚的电平变化触发中断。
  • 进入中断后,采用行列扫描法识别具体按键。
  • 处理按键逻辑后,恢复低功耗状态。


示例代码(基于C语言):


void EXTI_Handler() {    for (int j = 0; j < COLS; j++) {        if (gpio_read(col_pins[j]) == LOW) {            scan_matrix_keypad(); // 仅在有按键按下时扫描            break;        }    }}void setup() {    for (int i = 0; i < ROWS; i++) {        gpio_mode(row_pins[i], OUTPUT);        gpio_write(row_pins[i], HIGH);    }    for (int j = 0; j < COLS; j++) {        gpio_mode(col_pins[j], INPUT_PULLUP);        attach_interrupt(col_pins[j], EXTI_Handler, FALLING);    }}

3


按键去抖动策略

按键在机械接触时会出现抖动,可能会误触发多次按键事件,因此需要去抖动处理。


3.1、软去抖动

通过软件延迟来过滤抖动信号,例如检测到按键按下后,延迟20ms再次检测是否仍然按下。


bool is_key_pressed(uint8_t row, uint8_t col) {    if (gpio_read(col_pins[col]) == LOW) {        delay_ms(20); // 20ms去抖        if (gpio_read(col_pins[col]) == LOW) {            return true;        }    }    return false;}


3.2、硬件去抖动

可在矩阵按键电路中增加一个小电容(如0.1uF)或者使用施密特触发器来稳定按键信号。



在资源受限的嵌入式系统中,如果单片机 没有足够的外部中断资源,可以使用 定时器 进行周期性扫描矩阵按键,以减少CPU占用。


同时,为了避免主循环(while(1))中阻塞等待按键事件,使用FIFO(First In, First Out)队列 存储按键事件,以提高系统响应速度。


4


进一步优化

基本原理:

  • 定时器周期性触发扫描,间隔通常设为 10~20ms,以确保能及时捕获按键事件,同时避免过于频繁地占用CPU资源。
  • 在定时器中断函数内,执行一次完整的行列扫描,如果检测到按键按下,则将其加入FIFO队列。


以下是基于 STM32 的 定时器中断方式 进行按键扫描的示例代码:


#define ROWS 4#define COLS 4constuint8_t row_pins[ROWS] = {ROW1, ROW2, ROW3, ROW4};constuint8_t col_pins[COLS] = {COL1, COL2, COL3, COL4};// FIFO 队列结构体#define KEY_FIFO_SIZE 10typedefstruct {    uint8_t keys[KEY_FIFO_SIZE];  // 按键事件队列    uint8_t head;  // 队列头    uint8_t tail;  // 队列尾} KeyFIFO;KeyFIFO key_fifo = {{0}, 00};// 按键事件入队void key_fifo_enqueue(uint8_t key) {    uint8_t next = (key_fifo.tail + 1) % KEY_FIFO_SIZE;    if (next != key_fifo.head) {  // 队列未满        key_fifo.keys[key_fifo.tail] = key;        key_fifo.tail = next;    }}// 读取FIFO队列中的按键uint8_t key_fifo_dequeue() {    if (key_fifo.head == key_fifo.tail) {        return0; // 队列为空    }    uint8_t key = key_fifo.keys[key_fifo.head];    key_fifo.head = (key_fifo.head + 1) % KEY_FIFO_SIZE;    return key;}// 定时器中断回调函数,每10ms扫描按键void TIM2_IRQHandler() {    for (int i = 0; i < ROWS; i++) {        gpio_write(row_pins[i], LOW);        delay_us(5); // 确保稳定        for (int j = 0; j < COLS; j++) {            if (gpio_read(col_pins[j]) == LOW) {                uint8_t key_id = (i * COLS) + j + 1;                key_fifo_enqueue(key_id);            }        }        gpio_write(row_pins[i], HIGH);    }    TIM_ClearITPendingBit(TIM2, TIM_IT_Update);  // 清除定时器中断标志}// 定时器初始化void timer2_init() {    TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseStructure;    NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure;    RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM2, ENABLE);    TIM_TimeBaseStructure.TIM_Period = 10000 - 1;  // 10ms定时    TIM_TimeBaseStructure.TIM_Prescaler = 72 - 1;  // 1MHz时钟    TIM_TimeBaseInit(TIM2, &TIM_TimeBaseStructure);    TIM_ITConfig(TIM2, TIM_IT_Update, ENABLE);    TIM_Cmd(TIM2, ENABLE);    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = TIM2_IRQn;    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 0;    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 1;    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE;    NVIC_Init(&NVIC_InitStructure);}

这样,我们就能在 低资源占用 和 高响应速度 之间取得 良好平衡,构建更高效的 单片机矩阵按键控制系统

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