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：
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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：
示例代码（基于C语言）：
constuint8_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);}}
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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：
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);}}
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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。
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进一步优化
基本原理：
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：
constuint8_t row_pins[ROWS] = {ROW1, ROW2, ROW3, ROW4};constuint8_t col_pins[COLS] = {COL1, COL2, COL3, COL4};// FIFO 队列结构体typedefstruct {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}, 0, 0};// 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。
