【51單片機】5. 矩陣鍵盤與矩陣鍵盤密碼鎖Demo

1. 矩陣鍵盤原理

在這里插入圖片描述

通過矩陣連接的模式，原本需要16個引腳連接的按鈕只需要8個引腳就能連接好，減少了I/O口的占用。

矩陣按鈕是通過掃描來讀取狀態的。

2. 掃描的概念

輸出掃描示例：數碼管掃描

原理：顯示第1位→顯示第2位→顯示第2位→…，快速重復此過程實現所有數碼管同時顯示的效果

輸入掃描示例：矩陣鍵盤掃描

原理：讀取第1行（列）→讀取第2行（列）→讀取第3行（列）→…，快速循環此過程，最終實現所有按鍵同時檢測的效果

這種循環掃描的優勢在于節省I/O口

3. Templates的定義

Template實際上就是雙擊出來指定的內容，比如平時寫.h文件的時候，總是需要反復寫如下開頭結尾：

#ifndef __XXX_H__
#define __XXX_H__#endif

會比較麻煩，通過Template可以將這部分代碼定義存儲，再使用的時候雙擊即可，定義Template步驟如下：

第一步：點擊下方的【Templates】→【右鍵】→【Configure Templates】

在這里插入圖片描述

第二步：新建，起一個好識別的名字，寫入常用的部分作為Text

在這里插入圖片描述

第三步：在希望光標落入的地方打一個|，最終Text部分輸入如下：

#ifndef __|_H__
#define#endif

在文件中雙擊，就會出現如圖所示的結果：

在這里插入圖片描述

4. 矩陣鍵盤掃描方式1

建立了MatrixKeyboard.c和MatrixKeyboard.h，里面寫掃描的代碼

需要先理解矩陣鍵盤的按鍵按下是怎么被掃描到的，我這里直接復制了deepseek的回答：

在矩陣鍵盤中，檢測按鈕被按下的正確原理是：

行線（輸出端）需要主動置低
列線（輸入端）被按鍵下拉為低
檢測時需滿足：行線輸出低電平 + 列線檢測到低電平

基于此，我們需要給行線置低（根據上面的電路圖圖示，行線分別是P17,P16,P15,P14），同時檢測列線（P13,P12,P11,P10）。

我在MatrixKeyboard.c中自己寫了一個不帶消抖的按行掃描：

#include <REGX52.H>
#include "Delay.h"// 按行掃描
unsigned char MatrixKeyboardScan()
{unsigned char keyNum = 0;P1 = 0xFF;P1_7 = 0;if (P1_3 == 0) keyNum = 1;if (P1_2 == 0) keyNum = 2;if (P1_1 == 0) keyNum = 3;if (P1_0 == 0) keyNum = 4;P1 = 0xFF;P1_6 = 0;if (P1_3 == 0) keyNum = 5;if (P1_2 == 0) keyNum = 6;if (P1_1 == 0) keyNum = 7;if (P1_0 == 0) keyNum = 8;P1 = 0xFF;P1_5 = 0;if (P1_3 == 0) keyNum = 9;if (P1_2 == 0) keyNum = 10;if (P1_1 == 0) keyNum = 11;if (P1_0 == 0) keyNum = 12;P1 = 0xFF;P1_4 = 0;if (P1_3 == 0) keyNum = 13;if (P1_2 == 0) keyNum = 14;if (P1_1 == 0) keyNum = 15;if (P1_0 == 0) keyNum = 16;return keyNum;
}

MartixKeyboard.h如下：

#ifndef __MATRIXKEYBOARD_H__
#define __MATRIXKEYBOARD_H__unsigned char MatrixKeyboardScan();#endif

為了驗證不帶消抖按行掃描存在的問題，我寫了如下一段主函數：

#include <REGX52.H>
#include "Delay.h"
#include "LCD1602.h"
#include "MatrixKeyboard.h"void main()
{unsigned int myCount = 0;unsigned char keyboardNum = 0;LCD_Init();// LCD_ShowNum(2,1,keyboardNum,2);while (1){keyboardNum = MatrixKeyboardScan();if (keyboardNum){myCount++;LCD_ShowNum(1,1,keyboardNum,2);LCD_ShowNum(2,1,myCount,3);}}
}

此時，LCD第一行顯示按下的按鍵，第二行顯示受抖動電壓影響，LCD_ShowNum語句執行的次數：

在這里插入圖片描述

可以看到，不穩的電壓起碼抖動了11次，從而11次執行了LCD_ShowNum語句，為此，消抖語句的存在還是很必要的，故修改如下：

#include <REGX52.H>
#include "Delay.h"// 按行掃描
unsigned char MatrixKeyboardScan()
{unsigned char keyNum = 0;P1 = 0xFF;P1_7 = 0;if (P1_3 == 0) {Delay(20); while(P1_3 == 0) ; Delay(20); keyNum = 1;}if (P1_2 == 0) {Delay(20); while(P1_2 == 0) ; Delay(20); keyNum = 2;}if (P1_1 == 0) {Delay(20); while(P1_1 == 0) ; Delay(20); keyNum = 3;}if (P1_0 == 0) {Delay(20); while(P1_0 == 0) ; Delay(20); keyNum = 4;}P1 = 0xFF;P1_6 = 0;if (P1_3 == 0) {Delay(20); while(P1_3 == 0) ; Delay(20); keyNum = 5;}if (P1_2 == 0) {Delay(20); while(P1_2 == 0) ; Delay(20); keyNum = 6;}if (P1_1 == 0) {Delay(20); while(P1_1 == 0) ; Delay(20); keyNum = 7;}if (P1_0 == 0) {Delay(20); while(P1_0 == 0) ; Delay(20); keyNum = 8;}P1 = 0xFF;P1_5 = 0;if (P1_3 == 0) {Delay(20); while(P1_3 == 0) ; Delay(20); keyNum = 9;}if (P1_2 == 0) {Delay(20); while(P1_2 == 0) ; Delay(20); keyNum = 10;}if (P1_1 == 0) {Delay(20); while(P1_1 == 0) ; Delay(20); keyNum = 11;}if (P1_0 == 0) {Delay(20); while(P1_0 == 0) ; Delay(20); keyNum = 12;}P1 = 0xFF;P1_4 = 0;if (P1_3 == 0) {Delay(20); while(P1_3 == 0) ; Delay(20); keyNum = 13;}if (P1_2 == 0) {Delay(20); while(P1_2 == 0) ; Delay(20); keyNum = 14;}if (P1_1 == 0) {Delay(20); while(P1_1 == 0) ; Delay(20); keyNum = 15;}if (P1_0 == 0) {Delay(20); while(P1_0 == 0) ; Delay(20); keyNum = 16;}return keyNum;
}

修改后的執行結果如下，可以看到按下一次按鈕，相應的代碼只會執行一次：

在這里插入圖片描述

5. 矩陣掃描方式2

先掃出按鍵的列，再掃出按鍵的行

#include <REGX52.H>
#include "Delay.h"// 先找列再找行
unsigned char MatrixKeyboardScan()
{// 先掃出按下按鍵所處列unsigned char keyNum = 0;P1 = 0x0F;switch(P1){case (0x07): keyNum = 1; break;case (0x0B): keyNum = 2; break;case (0x0D): keyNum = 3; break;case (0x0E): keyNum = 4; break;}// 再掃出按下按鍵所處行P1 = 0xF0;switch(P1){case (0x70): keyNum += 0; break;case (0xB0): keyNum += 4; break;case (0xD0): keyNum += 8; break;case (0xE0): keyNum += 12; break;}return keyNum;
}

原理很簡單，當第一步將P1置為0x0F時，通過判斷低位處于什么樣的狀態，就可以知道按下的是哪一列的按鈕：

在這里插入圖片描述

同理，第二步將P1置為0xF0時，判斷高位處于什么樣的狀態，就可以判斷出按下按鈕的所處行。

因為在第一步假設按下按鈕位于第1行，分別置了1、2、3、4；則第二行僅需根據行數，加上具體相隔的按鈕值即可。

但是我不太清楚消抖應該加在哪，我自己試了一下會很奇怪，所以這里的代碼只是簡單寫了一下，僅供參考，可能會出現抖動問題。

6. 主函數代碼

#include <REGX52.H>
#include "Delay.h"
#include "LCD1602.h"
#include "MatrixKeyboard.h"void main()
{unsigned char keyboardNum = 0;LCD_Init();LCD_ShowString(1,1,"Press:");LCD_ShowNum(2,1,keyboardNum,2);while (1){keyboardNum = MatrixKeyboardScan();if (keyboardNum){LCD_ShowNum(2,1,keyboardNum,2);}}
}

結果如下：

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7. 矩陣鍵盤密碼鎖

需求是由用戶輸入密碼，單片機檢測是否正確，正確則輸出“OK”，反之輸出“ERR”，除此之外，還需要有“刪除（回退一格）”和“取消（輸入密碼全部清空）”功能。

我的代碼實現如下，S1-S9代表數字1-9，S10是回退一格，S11是取消，S12是確認：

#include "Delay.h"
#include "LCD1602.h"
#include "MatrixKeyboard.h"void main()
{unsigned int password = 0;unsigned int truePassword = 1234;unsigned int passwordNum = 0;LCD_Init();LCD_ShowString(1,1,"Password:");LCD_ShowNum(2,1,password,4);password = password / 10;while(1){unsigned int currNum = MatrixKeyboardScan();if (currNum){// 非法輸入不允許，直接忽略if (currNum == 13 || currNum == 14 || currNum == 15 || currNum == 16) continue;// 功能鍵：10刪除，11取消，12確認檢查密碼// 刪除操作if (currNum == 10 && passwordNum <= 4){password /= 10; // 回退一位LCD_ShowNum(2,1,password,4); // 刷新密碼passwordNum--; // 位數-1continue;}// 取消操作else if (currNum == 11){passwordNum = 0;password = 0;LCD_ShowNum(2,1,password,4);continue;}// 確認操作else if (currNum == 12){if (password == truePassword) // 密碼正確顯示OK，程序結束{LCD_ShowString(1,15,"OK");}					else // 密碼錯誤顯示ERR，password重置為0{LCD_ShowString(1,14,"ERR");passwordNum = 0;password = 0;LCD_ShowNum(2,1,password,4);}continue;}// 功能鍵以外的數字鍵處理if (passwordNum == 0){LCD_ShowString(1,14,"   ");if (currNum == 13) currNum = 0; // 用13作為數字0，允許用戶輸入0password = currNum;LCD_ShowNum(2,1,password,4);passwordNum++;}else if (passwordNum < 4){if (currNum == 13) currNum = 0; // 用13作為數字0，允許用戶輸入0password = password * 10 + currNum;LCD_ShowNum(2,1,password,4);passwordNum++;}}}
}