【51单片机】5. 矩阵键盘与矩阵键盘密码锁Demo

1. 矩阵键盘原理

在这里插入图片描述

通过矩阵连接的模式，原本需要16个引脚连接的按钮只需要8个引脚就能连接好，减少了I/O口的占用。

矩阵按钮是通过扫描来读取状态的。

2. 扫描的概念

输出扫描示例：数码管扫描

原理：显示第1位→显示第2位→显示第2位→…，快速重复此过程实现所有数码管同时显示的效果

输入扫描示例：矩阵键盘扫描

原理：读取第1行（列）→读取第2行（列）→读取第3行（列）→…，快速循环此过程，最终实现所有按键同时检测的效果

这种循环扫描的优势在于节省I/O口

3. Templates的定义

Template实际上就是双击出来指定的内容，比如平时写.h文件的时候，总是需要反复写如下开头结尾：

#ifndef __XXX_H__
#define __XXX_H__#endif

会比较麻烦，通过Template可以将这部分代码定义存储，再使用的时候双击即可，定义Template步骤如下：

第一步：点击下方的【Templates】→【右键】→【Configure Templates】

在这里插入图片描述

第二步：新建，起一个好识别的名字，写入常用的部分作为Text

在这里插入图片描述

第三步：在希望光标落入的地方打一个|，最终Text部分输入如下：

#ifndef __|_H__
#define#endif

在文件中双击，就会出现如图所示的结果：

在这里插入图片描述

4. 矩阵键盘扫描方式1

建立了MatrixKeyboard.c和MatrixKeyboard.h，里面写扫描的代码

需要先理解矩阵键盘的按键按下是怎么被扫描到的，我这里直接复制了deepseek的回答：

在矩阵键盘中，检测按钮被按下的正确原理是：

行线（输出端）需要主动置低
列线（输入端）被按键下拉为低
检测时需满足：行线输出低电平 + 列线检测到低电平

基于此，我们需要给行线置低（根据上面的电路图图示，行线分别是P17,P16,P15,P14），同时检测列线（P13,P12,P11,P10）。

我在MatrixKeyboard.c中自己写了一个不带消抖的按行扫描：

#include <REGX52.H>
#include "Delay.h"// 按行扫描
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

为了验证不带消抖按行扫描存在的问题，我写了如下一段主函数：

#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);}}
}

此时，LCD第一行显示按下的按键，第二行显示受抖动电压影响，LCD_ShowNum语句执行的次数：

在这里插入图片描述

可以看到，不稳的电压起码抖动了11次，从而11次执行了LCD_ShowNum语句，为此，消抖语句的存在还是很必要的，故修改如下：

#include <REGX52.H>
#include "Delay.h"// 按行扫描
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;
}

修改后的执行结果如下，可以看到按下一次按钮，相应的代码只会执行一次：

在这里插入图片描述

5. 矩阵扫描方式2

先扫出按键的列，再扫出按键的行

#include <REGX52.H>
#include "Delay.h"// 先找列再找行
unsigned char MatrixKeyboardScan()
{// 先扫出按下按键所处列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;}// 再扫出按下按键所处行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;
}

原理很简单，当第一步将P1置为0x0F时，通过判断低位处于什么样的状态，就可以知道按下的是哪一列的按钮：

在这里插入图片描述

同理，第二步将P1置为0xF0时，判断高位处于什么样的状态，就可以判断出按下按钮的所处行。

因为在第一步假设按下按钮位于第1行，分别置了1、2、3、4；则第二行仅需根据行数，加上具体相隔的按钮值即可。

但是我不太清楚消抖应该加在哪，我自己试了一下会很奇怪，所以这里的代码只是简单写了一下，仅供参考，可能会出现抖动问题。

6. 主函数代码

#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);}}
}

结果如下：

在这里插入图片描述

7. 矩阵键盘密码锁

需求是由用户输入密码，单片机检测是否正确，正确则输出“OK”，反之输出“ERR”，除此之外，还需要有“删除（回退一格）”和“取消（输入密码全部清空）”功能。

我的代码实现如下，S1-S9代表数字1-9，S10是回退一格，S11是取消，S12是确认：

#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){// 非法输入不允许，直接忽略if (currNum == 13 || currNum == 14 || currNum == 15 || currNum == 16) continue;// 功能键：10删除，11取消，12确认检查密码// 删除操作if (currNum == 10 && passwordNum <= 4){password /= 10; // 回退一位LCD_ShowNum(2,1,password,4); // 刷新密码passwordNum--; // 位数-1continue;}// 取消操作else if (currNum == 11){passwordNum = 0;password = 0;LCD_ShowNum(2,1,password,4);continue;}// 确认操作else if (currNum == 12){if (password == truePassword) // 密码正确显示OK，程序结束{LCD_ShowString(1,15,"OK");}					else // 密码错误显示ERR，password重置为0{LCD_ShowString(1,14,"ERR");passwordNum = 0;password = 0;LCD_ShowNum(2,1,password,4);}continue;}// 功能键以外的数字键处理if (passwordNum == 0){LCD_ShowString(1,14,"   ");if (currNum == 13) currNum = 0; // 用13作为数字0，允许用户输入0password = currNum;LCD_ShowNum(2,1,password,4);passwordNum++;}else if (passwordNum < 4){if (currNum == 13) currNum = 0; // 用13作为数字0，允许用户输入0password = password * 10 + currNum;LCD_ShowNum(2,1,password,4);passwordNum++;}}}
}