矩阵键盘的“一厢情愿”与“两情相悦”

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

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

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~

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

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

列IO配置为输入模式，需要注意的是，配置为输入上拉模式

配置完成的IO状态为：

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：

代码语言：javascript复制

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：

代码语言：javascript复制

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：

代码语言：javascript复制


///===============================================================
/// 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：

代码语言：javascript复制

///===============================================================
//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：

代码语言：javascript复制

///===============================================================
//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("rnkeycode is:%0xrn", KeyValue);

 return KeyValue;
}

在keypad.h中定义：

代码语言：javascript复制

#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

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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