一文带你详解矩阵键盘工作原理

矩阵键盘应该是经常能够用到的一类器件了，4X4矩阵键盘只需要用到8个IO口，即可完成16位按键的读取。其本质原理也就是行列扫描。本片文章将带你详细的学习矩阵键盘的原理以及代码编写。

矩阵键盘本质：

矩阵键盘本质是使用8个io口来进行16个按键的控制读取，可以减小io口的使用，用4条I/O线作为行线，4条I/O线作为列线组成的键盘。在行线和列线的每个交叉点上，设置一个按键。而这样的按键中按键的个数是4 X 4个。

这样的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。节约单片机的资源，其本质和独立按键类似，就是进行逐行扫描和逐列扫描，然后判断是第几行的第几列个按键，进而进行整体按键值得确定，我们使用的矩阵键盘是接到了单片机的P1口通过读取P1口电平变换即可完成矩阵键盘的数值读取，具体原理图如下：

第一行接到p17，第二行接到p16，第三行接到p15，第4行接到p14
第一列接到p13，第二列接到p12，第三列接到p11，第四列接到p10

矩阵键盘扫描的方式有两种： 1.行列扫描，2.逐行/逐列扫描

其中行列扫描适用于8个IO口接到了单片机8个连续的IO口，则可以进行行列扫描

逐行/逐列扫描 适用于矩阵键盘接到了任意的IO口，则使用逐行，逐列扫描

接下来我们分别介绍这两种方式：

行列扫描：

原理：

先从P1口的高四位（四个行）输出高电平，低四位（四个列）输出低电平，假设有按键按下，从P1口的高四位读取键盘状态。判断高四位的四行哪一行变成了低电平，就知道是第几行，再从P1口的低四位（四个列）输出高电平，高四位（四个行）输出低电平，从P1口的低四位读取键盘状态。判断低四位的四列哪一行变成了低电平，就知道是第几列，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。

红色高电平，蓝色低电平

详解：

据矩阵键盘的原理图可知，如果矩阵键盘的8个IO口连接到了连续的一个一个人P10-P17上，当没有按键按下时，将P1口的P1^0 和 P13 置高电平 P14 和 P17 置低电平 ，也就是将4个行的IO口置高，4个列的IO口置低。 也就是P1=0x0f(0000 1111);

如果这时候有按键按下那么P1^0 和 P13 就有一个会变成低电平。因此P1的值就不等于0x0f，按下按键所在的行就会变成低电平，这是就可以判断有按键按下。

将对应P1口的值和0x0f(00001111)相 与& 则可以得到高四位第几行变成了0

按位“与”&（双目运算符）：仅当两个操作数都为1时，结果为1，否则为0。
比方说： 0&0=0；0&1=0；1&0=0；1&1=1
即：两个同时为1，结果为1，否则为0

比方说按下的第一行第一列 1×1
例：
0000 1110————- 按下1×1之后P1的值
& 0000 1111————- 0x0f
———-
0000 1110————- 最后得到的结果，第一行为0

再给P1口赋值0X0f。将P1口的P1^0 和 P13 置低电平 P14 和 P17 置高电平 ，也就是将4个低的IO口置高，4个列的IO口置高然后读取低四位的电平， 此时的P1口 （1111 0000）

读取此时的P1口 和0xf0(11110000)相 与& 则可以得到低四位第几列变成了低电平

比方说我们按下的是1×1 按键，也就是第一行第一列，这时在按下之后可以看到p1.0和p1.3都是低电平，将Row=P1&0x0f;(行的值) 和 Col=P1&0xf0;//列值 进行相加，就可以得到按下的是那个按键

1×1： (一行一列)
Row=P1&0x0f =  0000 1110

Col=P1&0xf0=     1110 0000
Row+Col=           1110 1110   = 0xee

低电平0表示对应的行列按下

可以看到下方的p1.0和p1.4变成了低电平

2×2： (二行二列)
Row=P1&0x0f =  0000 1101

Col=P1&0xf0=     1101 0000
Row+Col=           1101 1101   = 0xdd

3×4： (三行四列)
Row=P1&0x0f =  0000 1011

Col=P1&0xf0=     0111 0000
Row+Col=           0111 1011   = 0x7b

这样就可以得到所有的16个按键的数值，具体代码如下：

unsigned char keyscan(){ 
   
	unsigned char key,Row,Col;
	P1=0x0f;
	if(P1!=0x0f){ 
   
		delay(10);//去抖
		if(P1!=0x0f){ 
   
			Row=P1&0x0f;//确保端口值正确（行的值）
			P1=0xf0;
			Col=P1&0xf0;//列值

		}
		while((P1&0xf0)!=0xf0);//判断键是否抬起
	}
	switch(Row+Col){ 
   
		case 0xee:key=0;break;
		case 0xde:key=1;break;
		case 0xbe:key=2;break;
		case 0x7e:key=3;break;

		case 0xed:key=4;break;
		case 0xdd:key=5;break;
		case 0xbd:key=6;break;
		case 0x7d:key=7;break;

		case 0xeb:key=8;break;
		case 0xdb:key=9;break;
		case 0xbb:key=10;break;
		case 0x7b:key=11;break;

		case 0xe7:key=12;break;
		case 0xd7:key=13;break;
		case 0xb7:key=14;break;
		case 0x77:key=15;break;


	}
	return key;
}

运行效果图：

逐行/列扫描：

逐行，逐列扫描的本质和行列扫描比较类似，本质是给某一行/某一列，低电平，其余七个全部为高电平，这时候读取电平变换，有电平变低表示按键按下，即可读取按键数据。

比如逐行扫描：

1. 置第1行为低电平，其余N-1行和N列为高电平，
2. 读取列线数据，列线有低电平表示此行有按键按下，比如按下的是1行三列(1×3)，那么第三列的列线IO口就为低电平。
3. 置第2行为低电平，其余N-1行和N列为高电平，，读取列线数据，列线有低电平表示此行有按键按下。
4. 以此类推，进行逐行扫描。
5. 根据行线列线的电平不同可以识别是否有按键按下，哪一个按键按下，获取按键号。(N) 根据按键号跳转至对应的按键处理程序。

用我们的P1口来进行举例：

首先，给P1赋值 P1=0xfe(1111 1110);，这时P1.0为低电平，P1.1~p1.7为高电平，如果这时候有按键按下那么四个列线，P1.4，P1.5，P1.6，P1.7就有一个列会变成低电平。因此P1的值就不等于0xfe，这是就可以判断有按键按下。

然后延时一段时间去抖动，然后给P1赋值0xfd(1111 1101)，也就是P1.1为低电平，其他为高电平，这时如果有在P1.1线上的P1.4，P1.5，P1.6，P1.7有按键按下，那么就会出现低电平，从而判断哪个按键按下；如果没有那么就给P1赋值0xfb(1111 1011)，也就是P1.2为低电平，其他为高电平.，相同方法判断是否有按键按下；······如此类推，一共四次检测。

比如当第1行有按键按下时P1的相应值为:

 　1X1（11101110=0xee）
 　1×2（11011110=0xde）
　 1X3（10111110=0xbe）
　 1X4（01111110=0x7e）
第2行有按键按下时P1的相应值为:

     2X1（11101101=0xed）
     2×2（11011101=0xdd）
     2X3（10111101=0xbd）
     2X4（01111101=0x7d）

将P1^2输出低电平，其他的引脚都输出高电平，即P1=0xfb，那么当第3行有按键按下时P1的相应值为:
     3X1（11101011=0xeb）
     3×2（11011011=0xdb）
     3X3（10111011=0xbb）
     3X4（01111011=0x7b）

最后可得第四行的相对应值为：
     4X1（11100111=0xe7）
     4×2（11010111=0xd7）
     4X3（10110111=0xb7）
　  4X4（01110111=0x77）

那么最后我们可以得到代码：

/***************************************************************************** ** 函数名称：keyscan ** 功能描述：按键获取函数 ******************************************************************************/
void keyscan(void)
{ 
   
	P1=0xfe;
   temp=P1;
   temp=temp&0xf0;
   if(temp!=0xf0)
   { 
   
		delay(10);
      if(temp!=0xf0)
      { 
   	
			temp=P1;
			switch(temp)
			{ 
   
				case 0xee:	key=0;break;
				case 0xde:	key=1;break;
				case 0xbe:	key=2;break;
				case 0x7e:	key=3;break;
         }
         while(temp!=0xf0) 
			{ 
   
				temp=P1;
				temp=temp&0xf0;				
         }		
		}
	}
	P1=0xfd;
	temp=P1;
	temp=temp&0xf0;
	if(temp!=0xf0)
	{ 
   
		delay(10);
		if(temp!=0xf0)
      { 
   
			temp=P1;
			switch(temp)
			{ 
   
				case 0xed: 	key=4;break;
				case 0xdd:	key=5;break;
				case 0xbd:	key=6;break;
				case 0x7d:	key=7;break;
         }
         while(temp!=0xf0)
         { 
   
           temp=P1;
           temp=temp&0xf0;
         }
      }
	}
	P1=0xfb;
	temp=P1;
	temp=temp&0xf0;
	if(temp!=0xf0)
	{ 
   
		delay(10);
      if(temp!=0xf0)
      { 
   
			temp=P1;
			switch(temp)
			{ 
   
				case 0xeb:	key=8;break;
				case 0xdb:	key=9;break;
				case 0xbb:	key=10;break;
				case 0x7b:	key=11;break;				
         }
			beep=0;delay(50);beep=1;
			while(temp!=0xf0)
         { 
   
				temp=P1;
				temp=temp&0xf0;
         }
      }
   }
	P1=0xf7;
   temp=P1;
   temp=temp&0xf0;
   if(temp!=0xf0)
   { 
   
      delay(10);
      if(temp!=0xf0)
      { 
   
			temp=P1;
			switch(temp)
			{ 
   
				case 0xe7:	key=12;break;	
				case 0xd7:	key=13;break;	
				case 0xb7:	key=14;break;	
				case 0x77:	key=15;break;	
         }
			while(temp!=0xf0)
         { 
   
				temp=P1;
				temp=temp&0xf0;
         }
      }
	}
}

运行效果图：