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。