深入解析：51单片机基础-矩阵按键

第八章 矩阵按键

1. 导入

在第七章中，我们学习了独立按键的使用，每个按键占用一个I/O口，当按键数量较多时会迅速消耗单片机资源。为解决此问题，本章引入矩阵按键（也称行列式按键），通过“行线+列线”组合识别多个按键，显著节省I/O口。

矩阵按键广泛应用于键盘、遥控器、控制面板等设备中。本章目标：

• 理解矩阵按键的结构与工作原理；
• 掌握“行扫描法”和“列扫描法”识别按键；
• 实现4×4矩阵键盘的按键识别；
• 编写可靠的按键扫描函数；
• 为后续实现密码锁、计算器等复杂输入系统打下基础。

---

2. 硬件设计

2.1 矩阵按键结构

以最常见的4×4矩阵键盘为例，由4条行线（Row）和4条列线（Col）组成，共可连接16个按键。

	Col0	Col1	Col2	Col3
Row0	K1	K2	K3	K4
Row1	K5	K6	K7	K8
Row2	K9	K10	K11	K12
Row3	K13	K14	K15	K16

2.2 电路连接

• 行线（Row0~Row3）：接P1.0 ~ P1.3，配置为输出；
• 列线（Col0~Col3）：接P1.4 ~ P1.7，配置为输入，需内部或外部上拉电阻；
• 每个按键位于行线与列线交叉点，按下时导通。

实际连接示例：

• P1.0 → Row0
• P1.1 → Row1
• P1.2 → Row2
• P1.3 → Row3
• P1.4 → Col0
• P1.5 → Col1
• P1.6 → Col2
• P1.7 → Col3

注意：P1口有内部上拉，可直接使用；若使用P0口，需外加上拉电阻。

---

3. 软件设计

3.1 工作原理

矩阵按键识别采用扫描法，基本步骤如下：

1. 所有行线输出高电平；
2. 读取列线状态，若某列为低，说明有键按下；
3. 进入识别阶段：逐行输出低电平，其余行高；
4. 再读列线，根据哪一行拉低及哪一列读低，确定具体按键；
5. 软件消抖并返回键值。

---

3.2 行扫描法实现

#include <reg52.h>// 定义行和列sbit ROW0 = P1^0;sbit ROW1 = P1^1;sbit ROW2 = P1^2;sbit ROW3 = P1^3;#define COL_PORT (P1 >> 4)  // 列线为P1.4~7，右移4位获取低4位// 按键延时void delay_ms(unsigned int ms) {unsigned int i, j;for (i = 0; i < ms; i++)for (j = 0; j < 125; j++);}// 矩阵按键扫描函数，返回键值（1~16），0表示无按键unsigned char matrix_key_scan() {P1 = 0xF0;  // 行线输出高（P1.0~3=1），列线输入（P1.4~7上拉）if ((P1 & 0xF0) != 0xF0) {  // 列线有低电平，说明有键按下delay_ms(10);  // 消抖if ((P1 & 0xF0) != 0xF0) {// 开始逐行扫描P1 = 0xFE;  // Row0=0, Row1~3=1if ((P1 & 0xF0) != 0xF0) {switch (P1 & 0xF0) {case 0xE0: return 1;case 0xD0: return 2;case 0xB0: return 3;case 0x70: return 4;}}P1 = 0xFD;  // Row1=0if ((P1 & 0xF0) != 0xF0) {switch (P1 & 0xF0) {case 0xE0: return 5;case 0xD0: return 6;case 0xB0: return 7;case 0x70: return 8;}}P1 = 0xFB;  // Row2=0if ((P1 & 0xF0) != 0xF0) {switch (P1 & 0xF0) {case 0xE0: return 9;case 0xD0: return 10;case 0xB0: return 11;case 0x70: return 12;}}P1 = 0xF7;  // Row3=0if ((P1 & 0xF0) != 0xF0) {switch (P1 & 0xF0) {case 0xE0: return 13;case 0xD0: return 14;case 0xB0: return 15;case 0x70: return 16;}}}}return 0;  // 无按键}

---

3.3 键值映射优化

为便于使用，可定义键值数组：

unsigned char code key_table[4][4] = {
{1,  2,  3,  4},
{5,  6,  7,  8},
{9,  10, 11, 12},
{13, 14, 15, 16}
};

扫描时通过行列索引查表：

unsigned char matrix_key_scan_simple() {
unsigned char row, col;
// 设置行为输出，列为输入
P1 = 0xF0;
if ((P1 & 0xF0) != 0xF0) {
delay_ms(10);
if ((P1 & 0xF0) != 0xF0) {
// 扫描每一行
for (row = 0; row < 4; row++) {
P1 = (P1 & 0xF0) | (0x0F & ~(1 << row));  // 第row行输出0
col = (P1 >> 4) & 0x0F;  // 读取列
if (col != 0x0F) {
while((P1 >> 4) != 0x0F);  // 等待释放
return key_table[row][7 - col];  // 查表（需根据实际连接调整）
}
}
}
}
return 0;
}

实际中需根据硬件连接调整行列对应关系。

---

3.4 应用示例：按键控制数码管显示

目标：按下矩阵键1~9，数码管显示对应数字。

void main() {
unsigned char key;
unsigned char code seg_code[] = {0x3F,0x06,0x5B,0x4F,0x66,0x6D,0x7D,0x07,0x7F,0x6F};
while(1) {
key = matrix_key_scan();
if (key >= 1 && key <= 9) {
P0 = seg_code[key];        // 段码输出
P2 = 0x0E;                 // 选中第一位
delay_ms(5);
}
}
}

---

3.5 支持多按键识别（扩展）

上述方法仅支持单键识别。若需支持多键，需加入更复杂的逻辑或使用专用芯片。

---

3.6 编译与下载

• Keil中创建工程；
• 确保矩阵按键焊接或连接正确；
• 编译生成HEX；
• 下载至单片机；
• 按下按键，观察数码管或串口是否返回正确键值。

若无响应：

• 检查行列线是否接反；
• 测量按下时是否真正导通；
• 确认P1口方向控制正确。

---

##4. 小结

本章通过实现矩阵按键识别，掌握了高效输入系统的设计方法，主要内容包括：

• 硬件结构：理解4×4矩阵键盘的行列布局与I/O节省优势；
• 扫描原理：掌握行扫描法识别具体按键位置；
• 软件实现：编写可靠的按键扫描函数，支持消抖与等待释放；
• 应用扩展：实现按键控制数码管显示；
• 开发能力：为复杂人机交互系统奠定基础。

4.1 常见问题与解决

问题	原因	解决方法
无法识别按键	行列接反、方向错误	检查I/O配置，确认输出/输入
误识别	抖动未消除	增加消抖延时或改进逻辑
只能识别部分键	扫描顺序错误	逐行测试，用万用表测量电平
重影	未等待释放	加入while等待松手
亮度闪烁	扫描时间过长	将按键扫描放入定时中断或优化循环

4.2 下一步学习建议

• 学习外部中断结合矩阵键盘实现快速响应；
• 使用定时器中断周期性扫描键盘，解放主程序；
• 实现计算器或密码锁综合项目；
• 引入LCD1602显示更多信息。

本章标志着你已掌握高效的多键输入技术，下一章将进入定时器/计数器模块的深入学习，实现精准延时与中断控制。

---