4x4矩阵键盘工作原理及扫描程序_4*4 矩阵键盘工作原理

在单片机按键使用过程中，当键盘中按键数量较多时为了减少端口的占用通常将按键排列成矩阵 形式如下图所示，在矩阵式键盘中每条水平线和垂直线在交叉处不直接连通而是通过一个按键加以连接，到底这样做是出意何种目的呢？大家看下面电路图，单片机的整一个8位端口可以构成 4*4=16 个矩阵式按键，相比独立式按键接法多出了一倍，而且线数越多区别就越明显，假如再多加一条线就可以构成20个按键的键盘，但是独立式按键接法只能多出1个按键。由此可见，在需要的按键数量比较多时，采用矩阵法来连接键盘是非常合理的，矩阵式结构的键盘显然比独立式键盘复杂一些，单片机对其进行识别也要复杂一些。确定矩阵式键盘上任何一个键被按下通常采用行扫描法。行扫描法又称为逐行查询法它是一种最常用的多按键识别方法。因此，我们就以行扫描法为例介绍矩阵式键盘的工作原理。

图5-4(4*4矩阵式按键的接法)

首先，不断循环地给低四位独立的低电平，然后判断键盘中有无键按下。将低位中其中一列线(P1.0～P1.3中其中一列)置低电平然后检测行线的状态(高4位，即P1.4～P1.7,由于线与关系，只要与低电平列线接通，即跳变成低电平)，只要有一行的电平为低就延时一段时间以消除抖动，然后再次判断，假如依然为低电平，则表示键盘中真的有键被按下而且闭合的键位于低电平的4个按键之中任其一,若所有行线均为高电平则表示键盘中无键按下。再其次，判断闭合键所在的具体位置。在确认有键按下后,即可进入确定具体闭合键的过程。其方法是:依次将列线置为低电平，即在置某一根列线为低电平时,其它列线为高电平。同时再逐行检测各行线的电平状态 ；若某行为低，则该行线与置为低电平的列线交叉处的按键就是闭合的按键。下面图5-5是4*4矩阵式按键接法的软件算法操作流程。

下面程序按照上述算法流程去编写的，其电路如图5-6，只是在图5-5的基础上多加了P0端口的8只LED灯。从键盘中检测到一个键值，然后将这个值写到LED数码管上显示。另外一种工作原理：

1、4×4矩阵键盘的工作原理

矩阵键盘又称为行列式键盘，它是用4条I/O线作为行线，4条I/O线作为列线组成的键盘。在行线和列线的每一个交叉点上，设置一个按键。这样键盘中按键的个数是4×4个。这种行列式键盘结构能够有效地提高单片机系统中I/O口的利用率。

图1为ME300B矩阵键盘电路图，行线接P1.4－P1.7，列线接P1.0－P1.3。

图1  矩阵键盘电路

图2  按键排列

2、数码管动态扫描显示电路

在ME300B开发系统中，采用了8位数码管动态扫描显示。它将所有数码管的8个段线相应地并接在一起，并接到 AT89S51的P0口，由P0口控制字段输出。而各位数码管的共阳极由AT89S51的P2口控制Q20－Q27来实现8位数码管的位输出控制。

这样，对于一组数码管动态扫描显示需要由两组信号来控制：一组是字段输出口输出的字形代码，用来控制显示的字形，称为段码；另一组是位输出口输出的控制信号，用来选择第几位数码管工作，称为位码。

由于各位数码管的段线并联，段码的输出对各位数码管来说都是相同的。因此，同一时刻如果各位数码管的位选线都处于选通状态的话，8位数码管将显示相同的字符。若要各位数码管能够显示出与本位相应的字符，就必须采用扫描显示方式。即在某一时刻，只让某一位的位选线处于导通状态，而其它各位的位选线处于关闭状态。同时，段线上输出相应位要显示字符的字型码。这样同一时刻，只有选通的那一位显示出字符，而其它各位则是熄灭的，如此循环下去，就可以使各位数码管显示出将要显示的字符。

虽然这些字符是在不同时刻出现的，而且同一时刻，只有一位显示，其它各位熄灭，但由于数码管具有余辉特性和人眼有视觉暂留现象，只要每位数码管显示间隔足够短，给人眼的视觉印象就会是连续稳定地显示。

图3  数码管电路

数码管不同位显示的时间间隔可以通过调整延时程序的延时长短来完成。数码管显示的时间间隔也能够确定数码管显示时的亮度，若显示的时间间隔长，显示时数码管的亮度将亮些，若显示的时间间隔短，显示时数码管的亮度将暗些。若显示的时间间隔过长的话，数码管显示时将产生闪烁现象。所以，在调整显示的时间间隔时，即要考虑到显示时数码管的亮度，又要数码管显示时不产生闪烁现象。

在ME300B单片机开发系统中使用数码管来显示信息时，要将JP2的2、3端短接。见图3

二、演示程序的编程方法

1、4×4矩阵键盘的编程方法：

1.1、先读取键盘的状态，得到按键的特征编码。

先从P1口的高四位输出低电平，低四位输出高电平，从P1口的低四位读取键盘状态。再从P1口的低四位输出低电平，高四位输出高电平，从P1口的高四位读取键盘状态。将两次读取结果组合起来就可以得到当前按键的特征编码。使用上述方法我们得到16个键的特征编码。

举例说明如何得到按键的特征编码：

假设“1”键被按下，找其按键的特征编码。

从P1口的高四位输出低电平，即P1.4－P1.7为输出口。低四位输出高电平，即P1.0－P1.3为输入口。读P1口的低四位状态为“ 1101”，其值为“0DH”。

再从P1口的高四位输出高电平，即P1.4－P1.7为输入口。低四位输出低电平，即P10－P13为输出口，读P1口的高四位状态为“1110”，其值为“E0H”。

将两次读出的P0口状态值进行逻辑或运算就得到其按键的特征编码为“EDH”。

用同样的方法可以得到其它15个按键的特征编码。

1.2、根据按键的特征编码，查表得到按键的顺序编码。

将用上述方法得到的

16

个按键的特征编码按图

2

按键排列的顺序排成一张特征编码与顺序编码的对应关系表，然后用当前读得的特征编码来查表，当表中有该特征编码时，它所在的位置就是对应的顺序编码。