矩阵键盘的行列扫描原理详解

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有的单片机应用需要使用的按键数量比较多，比如：密码锁，这时如果按照之前的设计，一个GPIO控制一个按键的话，有点浪费单片机资源，这时候我们常常需要使用矩阵键盘。

常见的矩阵键盘有如下两种：

后面的为薄膜按键。
上图中，
上面的按键按照5行*4列的布局排布，所以整个矩阵键盘共计引出了9（5+4）个引脚；
下面的按键按照4行*4列的布局排布，所以整个矩阵键盘共计引出了8（4+4）个引脚；
由此可以看出，按键数量越多，节省的IO口越多。

直插按键和薄膜按键两种方式的实现原理一样，本文我们以薄膜按键为例进行讲解。

薄膜按键(Metal dome array)，是一块带触点的PET薄片（包括金属弹片也叫锅仔片），用在PCB、FPC等线路板上作为开关使用，在使用者与仪器之间起到一个重要的触感型开关的作用。与传统的硅胶按键相比，薄膜按键具有更好的手感、更长的寿命，可以间接地提高使用导电膜的各类型开关的生产效率。薄膜按键上的触点位于PCB板上的导电部位(大部分位于线路板上的金手指上方），当按键受到外力按压时，触点的中心点下凹，接触到PCB上的线路，从而形成回路，电流通过，整个产品就得以正常工作。

薄膜按键与传统硅胶按键相比较具有以下优势：

1. 触感更好，使用寿命更长久；
   
2. 按键键薄、柔软、防护性能好；
   
3. 薄膜按键触板位于导电部位，按下会凹进去进而接触到PCB上的线路从而触发开关；
   
4. 导电薄膜上面布满了金属点进行连接，按下薄膜按键就能启动对应的功能；
   
5. 薄膜按键以成本低、工艺简单和手感好。
   

有专门定制薄膜按键的商家，可以随意定制外观。

薄膜按键的内部结构如下图所示：

注：图片来源于网络，侵权请后台联系号主删除。

有的矩阵键盘后面有3M背胶，可撕下粘纸，粘贴在光滑表面上，方便固定。

硬件连接

按键扫描原理

对于4*4的薄膜按键，只需要8个标准IO口，即可实现16个按键扫描，独立输入。

各种矩阵键盘的驱动方式类似，我们以4*4的矩阵键盘为例，看看它的驱动方式。

矩阵按键扫描原理：

行列扫描：

• 我们先将四行对应的GPIO引脚设为输出模式，并输出高电平；
  
• 将四列对应的GPIO引脚设为下拉输入模式，没有按键按下状态时，这四个引脚读取默认返回0；
  

• 如果有一个按键被按下，那么这四列中就会有一个GPIO引脚读取返回1，
  此时能够得到被按下的键所在的列；
  

假如被点击的按键为第三行第三列的按键

• 为了进一步知道，被按下的键所在行，我们依次改变输出高电平的行，比如先让第一行输出高电平，另外三行输出低电平，如果四列的GPIO返回的值没有高电平，则被按下的键不在第一行；
  

• 类似上一步操作，接下来让第二行输出高电平，然后其他行输出低电平；
  

• 然后第三行输出高电平，其他行低电平；第四行输出高电平，其他行输出低电平；当某行为高电平时，四列对应的GPIO读取有返回1，
  则该行即为被按下行；
  

• 由于上面得出了被按下的列和行，那么行列的交叉即可得出被按下的键。上面实例可知，我们被按下的键为第三行、第三列对应的键。
  

这种方式获得按键键值的方式即为行列扫描。

按键扫描的代码实现如下：

/*假定Row为输出，Col为输入；如果有按键被按下，则输入(Col)一定有非0值；四个输出(Row)依次改变，每次仅有一个IO为高电平，如果此时输入(Col)不为0的，那么即可确定此行列值即为按键值；*/int Value44Key(void) //定义矩阵键盘的返回值，返回值对应相关功能，{ int KeyValue = 0; //KeyValue是最后返回的按键数值  GPIORow_Output(0); //全部置高  if(KEY44_Scan()!=0) //如果没有按键按下，返回值为-1 { return -1; } else //有按键按下 { delay_ms(5); //延时5ms去抖动 if(KEY44_Scan() == 0x00) //如果延时5ms后输入0， 则刚刚是抖动产生的 { return -1; //所以还是返回 -1 } }  GPIORow_Output(1); //第一行置高  switch(KEY44_Scan()) //对应的输入值判断不同的按键值 { case COL1_KEY_PRES: KeyValue = 1; break; case COL2_KEY_PRES: KeyValue = 2; break; case COL3_KEY_PRES: KeyValue = 3; break; case COL4_KEY_PRES: KeyValue = 4; break; }  GPIORow_Output(2); //第二行置高 switch(KEY44_Scan()) //对应的输入值判断不同的按键值 { case COL1_KEY_PRES: KeyValue = 5; break; case COL2_KEY_PRES: KeyValue = 6; break; case COL3_KEY_PRES: KeyValue = 7; break; case COL4_KEY_PRES: KeyValue = 8; break; }  GPIORow_Output(3); //第三行置高 switch(KEY44_Scan()) //对应的输入值判断不同的按键值 { case COL1_KEY_PRES: KeyValue = 9; break; case COL2_KEY_PRES: KeyValue = 10; break; case COL3_KEY_PRES: KeyValue = 11; break; case COL4_KEY_PRES: KeyValue = 12; break; }  GPIORow_Output(4); //第四行置高 switch(KEY44_Scan()) //对应的输入值判断不同的按键值 { case COL1_KEY_PRES: KeyValue = 13; break; case COL2_KEY_PRES: KeyValue = 14; break; case COL3_KEY_PRES: KeyValue = 15; break; case COL4_KEY_PRES: KeyValue = 16; break; }  return KeyValue;}

这种行列扫描的方式实现的按键驱动，实际应用中，如果程序过于复杂，那么按键键值的获取可能不是很及时，有时可能会出现按下无响应的状态。

STM32的外部中断特别多，每个GPIO都可以作为外部中断，各位可以尝试一下，使用中断的方式，如何实现矩阵键盘的驱动呢？

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