矩阵键盘的“两情相悦”与“一厢情愿”

2023-12-31 14:55:40

前言

日常设计中，不可避免的会使用到按键，像我们常见的 POS 机、计算器等设备用到的按键是非常多的，如果采用普通的 1 个 IO 1 个按键的设计方法，显然对单片机资源来说是非常浪费的，所以采用类似矩阵的设计思路，能够大大减少 MCU IO 的使用，也是我们所说的矩阵键盘。

应用场景

矩阵键盘的“两情相悦”与“一厢情愿”
矩阵键盘的“两情相悦”与“一厢情愿”
矩阵键盘的“两情相悦”与“一厢情愿”

一、矩阵键盘的两种扫描方式

矩阵键盘常用的有以下两种扫描方式，相比较之下，小飞哥更推荐第二种扫描方式，第二种扫描方式能够更有效地避免错误按键，本次分享的也是第二种扫描方式的代码。

  • 逐行扫描：高四位输出低电平来对矩阵键盘逐行扫描，当低四位接受数据不全为一，表示有按键按下，然后通过接收到的数据是哪一位为 0 来判断哪个按键被按下，可以简单理解为，“一厢情愿型”；

  • 行列扫描：高四位全部输出低电平，低四位输出高电平。当接受到的数据，低四位不全为高电平时，说明有按键按下。然后通过接收到的值判断是哪一列有按键按下，然后再反过来高四位输出高电平，第四位低电平，然后通过高四位接收到的值判断哪一行按键按下，可以简单理解为，“两情相悦型”；

二、“两情相悦型”按键扫描方式详解

矩阵键盘的“两情相悦”与“一厢情愿”
  上面图片是 4*4 矩阵键盘电路设计，ROW1-ROW4 为键盘你的行，COL1-COL4 为键盘的列，8 个 IO 共 16 个按键，我们以 K1 按下为例，分析具体的工作流程：

  • 1、 先把行切换为上拉输入模式

  • 2、把列切换为输出模式，输出低电平

  • 3、获取当前行输入状态

即：ROW1 线上此时为低电平，按下之前 ROW1-ROW4 为：1111，即 0x0F，按下之后，ROW1 与 COL1 连通，ROW1-ROW4 的值变为：1110,即 0x0e,此时获取到按键所在行；

  • 4、把行切换为输出状态，输出低电平

  • 5、把列切换为上拉输入模式

  • 6、获取当前列输入状态

即：COL1 线上此时为低电平，按下之前 COL1-COL4 为：1111，即 0x0F，按下之后，ROW1 与 COL1 连通，COL1-COL4 的值变为：1110,即 0x0e,此时获取到按键所在列；

  • 7、两次行列状态获取完成之后，即确定了按键所在行列，得到按键编码：0xee,值并不是唯一的 0xee，具体跟硬件连接有关系。

硬件连接

调试用的键盘为这种非常简单的，某宝几毛钱，邮费都不够的说~
矩阵键盘的“两情相悦”与“一厢情愿”

MCU 键盘
PF0 ROW1
PF1 ROW2
PF2 ROW3
PF3 ROW4
PG0 COL1
PG1 COL2
PG2 COL3
PG3 COL4

矩阵键盘的“两情相悦”与“一厢情愿”

软件实现

1、cubemx配置键盘IO

行IO配置为输出模式，输出低电平
矩阵键盘的“两情相悦”与“一厢情愿”

矩阵键盘的“两情相悦”与“一厢情愿”

列IO配置为输入模式，需要注意的是，配置为输入上拉模式
矩阵键盘的“两情相悦”与“一厢情愿”
  配置完成的IO状态为：

矩阵键盘的“两情相悦”与“一厢情愿”
  时钟配置、串口等配置见：HAL库使用章节

2、代码编写

根据上一小节描述，按键按下之后是对应一个编码，根据上面的描述，我们可以计算出一个码表，也即按键真值表：

const uint8_t KeyTrueLable[] =
	{
		0xEE, 0xDE, 0xBE, 0x7E,
		0xED, 0xDD, 0xBD, 0x7D,
		0xEB, 0xDB, 0xBB, 0x7B,
		0xE7, 0xD7, 0xB7, 0x77};

真值表是硬件IO状态的一种表达，对用户来说并不是需要的，需要攻城狮转换为用户需要的信息，也即是，建立一个与之对应的用户信息表：

const uint8_t KeyUserDefined[] =
	{
		1, 2, 3, 12,
		4, 5, 6, 13,
		7, 8, 9, 14,
		10, 0, 11, 15};

根据上面原理介绍，我们需要封装4个函数，行输入、行输出、列输入、列输出：


///===============================================================
///	行输入
///===============================================================
void KeyPad_SetROW_IN(void)
{
	GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0};

	__HAL_RCC_GPIOF_CLK_ENABLE();
	//ROW0-ROW3设置成上拉输入
	GPIO_InitStruct.Pin = Key_ROW1_Pin | Key_ROW2_Pin | Key_ROW3_Pin | Key_ROW4_Pin; //KEY0-KEY3
	GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_INPUT;
	GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_PULLUP;
	HAL_GPIO_Init(GPIOF, &GPIO_InitStruct);
}
///===============================================================
///	行输出
///===============================================================
void KeyPad_SetROW_Out(void)
{
	GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0};
	__HAL_RCC_GPIOF_CLK_ENABLE();

	/*Configure GPIO pins : PFPin PFPin PFPin PFPin */
	GPIO_InitStruct.Pin = Key_ROW1_Pin | Key_ROW2_Pin | Key_ROW3_Pin | Key_ROW4_Pin;
	GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_PP;
	GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL;
	GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_HIGH;
	HAL_GPIO_Init(GPIOF, &GPIO_InitStruct);
	/*Configure GPIO pin Output Level */
	HAL_GPIO_WritePin(GPIOF, Key_ROW1_Pin | Key_ROW2_Pin | Key_ROW3_Pin | Key_ROW4_Pin, GPIO_PIN_RESET);
}

///===============================================================
///列输入
///===============================================================
void KeyPad_SetCol_IN(void)
{
	GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0};
	__HAL_RCC_GPIOG_CLK_ENABLE();

	//C0-3设置成上拉输入
	/*Configure GPIO pins : PCPin PCPin PCPin PCPin */
	GPIO_InitStruct.Pin = Key_COL1_Pin | Key_COL2_Pin | Key_COL3_Pin | Key_COL4_Pin;
	GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_INPUT;
	GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_PULLUP;
	HAL_GPIO_Init(GPIOG, &GPIO_InitStruct);
}
///===============================================================
///列输出
///===============================================================
void KeyPad_SetCol_Out(void)
{
	GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0};
	__HAL_RCC_GPIOC_CLK_ENABLE();

	GPIO_InitStruct.Pin = Key_COL1_Pin | Key_COL2_Pin | Key_COL3_Pin | Key_COL4_Pin; //KEY0-KEY3
	GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_PP;
	GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL;
	GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_HIGH;
	HAL_GPIO_Init(GPIOG, &GPIO_InitStruct);

	HAL_GPIO_WritePin(GPIOG, Key_COL1_Pin | Key_COL2_Pin | Key_COL3_Pin | Key_COL4_Pin, GPIO_PIN_RESET);
}

然后编写我们的按键真值获取函数：

///===============================================================
//按键扫描程序
//先C低读R状态，再R低读C状态，判断是那个按键按下
//
///===============================================================

uint8_t KeyPad_KEY_Scan(void)
{
	uint8_t keycode, keycode_temp;

	//C低读ROW
	KeyPad_SetCol_Out();
	keycode = KEYPADROW & 0x0f;
	//R低读COL
	KeyPad_SetROW_Out();
	KeyPad_SetCol_IN();

	keycode_temp = KEYPADCOL;

	keycode |= (keycode_temp << 4 & 0xf0);

	KeyPad_SetROW_IN();

	return keycode;
}

前面说过，直接获取到的是按键IO的状态组合，需要转换为实际需要的信息。封装一下函数：

///===============================================================
//键值转换用户定义键值
///===============================================================
uint8_t KeyPad_KeyTrueLableGet(uint8_t key)
{
	uint8_t i = 0, R_key_user = 0xE0;

	for (i = 0; i < D_Key_Count; i++)
	{
		if (key == KeyTrueLable[i])
		{
			R_key_user = KeyUserDefined[i];
		}
	}
	return R_key_user;
///===============================================================
//得到键值
///===============================================================
uint8_t KeyPad_GetKeyValue(void)
{
	uint8_t KeyValue = 0;

	//	HAL_Delay(10);
	if (KeyPad_KEY_Scan() == D_NO_KEY_CODE) //没有按键/按键抬起
	{

		if (keypad_status.KeyPress == 1)
		{
			keypad_status.KeyValue_New = 0;
			keypad_status.KeyValue_Old = 0;
			keypad_status.KeyPress = 0;
		}
		return 0xF0;
	}
	HAL_Delay(10);

	KeyValue = KeyPad_KEY_Scan();
	if (KeyValue == D_NO_KEY_CODE)
	{
		if (keypad_status.KeyPress == 1)
		{
			//解决按键“0” 的问题
			keypad_status.KeyValue_New = 0xF2;
			keypad_status.KeyValue_Old = 0xF2;
			keypad_status.KeyPress = 0;
		}
		return 0xF0;
	}
	KeyValue = KeyPad_KeyTrueLableGet(KeyValue);
	keypad_status.KeyPress = 1;
	//判断是否是第一次按下
	keypad_status.KeyValue_New = KeyValue;
	if (keypad_status.KeyValue_New == keypad_status.KeyValue_Old)
	{
		return 0xF1;
	}
	keypad_status.KeyValue_Old = KeyValue;
	printf("\r\nkeycode is:%0x\r\n", KeyValue);

	return KeyValue;
}

在keypad.h中定义：

#ifndef __KEYPAD_H
#define __KEYPAD_H

#include "main.h"
#include "stm32f4xx.h"

#define KEYPADROW GPIOF->IDR
#define KEYPADCOL GPIOG->IDR

#define D_Key_Count 16

#define D_ERR_KEY_CODE 0xFF
#define D_NO_KEY_CODE 0xFF

///===============================================================
typedef struct keypad
{
    uint8_t KeyStatus;
    uint8_t KeyValue_New;
    uint8_t KeyValue_Old;
    uint8_t KeyPress;
    
}Keypad_para;

uint8_t
KeyPad_KEY_Scan(void);
uint8_t KeyPad_GetKeyValue(void);

#endif

测试结果

矩阵键盘的“两情相悦”与“一厢情愿”

本次的介绍就到这里啦，后面有更精彩的内容，欢迎大家持续关注嵌入式实验基地，来这里还可以学习HAL库+cubemx的更多精彩内容哦！

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