如何用单片机高效处理矩阵按键？

如何用单片机高效处理矩阵按键？

矩阵按键是一种常见的输入设备，广泛应用于嵌入式系统中，如工业控制、消费电子和智能家居等领域。其核心思想是利用行列扫描技术，通过较少的I/O口实现对大量按键的检测。本文将详细介绍如何使用单片机高效处理矩阵按键，包括基本扫描方法、低功耗优化、按键去抖动策略以及进一步优化方案。

假设有一个4×4的矩阵按键，它由4行（Row）和4列（Column）组成，共16个按键。通常，行连接到单片机的GPIO输出端，列连接到GPIO输入端，且列端口通常需要上拉电阻来保持默认高电平。

硬件连接示例：

矩阵按键的基本扫描方法

依次拉低每一行的电平，并读取列信号，判断是否有按键按下。

实现步骤：

• 设定所有行（Row）为高电平，所有列（Column）为输入模式，并上拉。
• 依次将每一行拉低（低电平），然后读取所有列的状态。
• 如果某列检测到低电平，说明该行与该列的交点处按键被按下。
• 记录按键位置，并等待去抖动处理。
• 继续扫描下一行，直到所有行扫描完毕。

示例代码（基于C语言）：

#define ROWS 4
#define COLS 4
const uint8_t row_pins[ROWS] = {ROW1, ROW2, ROW3, ROW4};
const uint8_t col_pins[COLS] = {COL1, COL2, COL3, COL4};

void scan_matrix_keypad() {
    for (int i = 0; i < ROWS; i++) {
        // 设定当前行为低电平
        gpio_write(row_pins[i], LOW);
        delay_us(5);  // 确保稳定
        // 读取列状态
        for (int j = 0; j < COLS; j++) {
            if (gpio_read(col_pins[j]) == LOW) {
                printf("按键[%d,%d]被按下\n", i, j);
            }
        }
        // 恢复当前行为高电平
        gpio_write(row_pins[i], HIGH);
    }
}

低功耗优化

如果单片机支持外部中断，可以利用外部中断检测按键按下，降低CPU负载。

方法如下：

• 初始状态：所有行设为高电平，所有列配置为带上拉输入，并开启中断。
• 进入低功耗模式，等待外部中断。
• 当按键按下时，列引脚的电平变化触发中断。
• 进入中断后，采用行列扫描法识别具体按键。
• 处理按键逻辑后，恢复低功耗状态。

示例代码（基于C语言）：

void EXTI_Handler() {
    for (int j = 0; j < COLS; j++) {
        if (gpio_read(col_pins[j]) == LOW) {
            scan_matrix_keypad(); // 仅在有按键按下时扫描
            break;
        }
    }
}

void setup() {
    for (int i = 0; i < ROWS; i++) {
        gpio_mode(row_pins[i], OUTPUT);
        gpio_write(row_pins[i], HIGH);
    }
    for (int j = 0; j < COLS; j++) {
        gpio_mode(col_pins[j], INPUT_PULLUP);
        attach_interrupt(col_pins[j], EXTI_Handler, FALLING);
    }
}

按键去抖动策略

按键在机械接触时会出现抖动，可能会误触发多次按键事件，因此需要去抖动处理。

软去抖动

通过软件延迟来过滤抖动信号，例如检测到按键按下后，延迟20ms再次检测是否仍然按下。

bool is_key_pressed(uint8_t row, uint8_t col) {
    if (gpio_read(col_pins[col]) == LOW) {
        delay_ms(20); // 20ms去抖
        if (gpio_read(col_pins[col]) == LOW) {
            return true;
        }
    }
    return false;
}

硬件去抖动

可在矩阵按键电路中增加一个小电容（如0.1uF）或者使用施密特触发器来稳定按键信号。在资源受限的嵌入式系统中，如果单片机没有足够的外部中断资源，可以使用定时器进行周期性扫描矩阵按键，以减少CPU占用。同时，为了避免主循环（while(1)）中阻塞等待按键事件，使用FIFO（First In, First Out）队列存储按键事件，以提高系统响应速度。

进一步优化

基本原理：

• 定时器周期性触发扫描，间隔通常设为10~20ms，以确保能及时捕获按键事件，同时避免过于频繁地占用CPU资源。
• 在定时器中断函数内，执行一次完整的行列扫描，如果检测到按键按下，则将其加入FIFO队列。

以下是基于STM32的定时器中断方式进行按键扫描的示例代码：

#define ROWS 4
#define COLS 4
const uint8_t row_pins[ROWS] = {ROW1, ROW2, ROW3, ROW4};
const uint8_t col_pins[COLS] = {COL1, COL2, COL3, COL4};

// FIFO 队列结构体
#define KEY_FIFO_SIZE 10
typedef struct {
    uint8_t keys[KEY_FIFO_SIZE];  // 按键事件队列
    uint8_t head;  // 队列头
    uint8_t tail;  // 队列尾
} KeyFIFO;

KeyFIFO key_fifo = {{0}, 0, 0};

// 按键事件入队
void key_fifo_enqueue(uint8_t key) {
    uint8_t next = (key_fifo.tail + 1) % KEY_FIFO_SIZE;
    if (next != key_fifo.head) {  // 队列未满
        key_fifo.keys[key_fifo.tail] = key;
        key_fifo.tail = next;
    }
}

// 读取FIFO队列中的按键
uint8_t key_fifo_dequeue() {
    if (key_fifo.head == key_fifo.tail) {
        return 0; // 队列为空
    }
    uint8_t key = key_fifo.keys[key_fifo.head];
    key_fifo.head = (key_fifo.head + 1) % KEY_FIFO_SIZE;
    return key;
}

// 定时器中断回调函数，每10ms扫描按键
void TIM2_IRQHandler() {
    for (int i = 0; i < ROWS; i++) {
        gpio_write(row_pins[i], LOW);
        delay_us(5); // 确保稳定
        for (int j = 0; j < COLS; j++) {
            if (gpio_read(col_pins[j]) == LOW) {
                uint8_t key_id = (i * COLS) + j + 1;
                key_fifo_enqueue(key_id);
            }
        }
        gpio_write(row_pins[i], HIGH);
    }
    TIM_ClearITPendingBit(TIM2, TIM_IT_Update);  // 清除定时器中断标志
}

// 定时器初始化
void timer2_init() {
    TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseStructure;
    NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure;
    RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM2, ENABLE);
    TIM_TimeBaseStructure.TIM_Period = 10000 - 1;  // 10ms定时
    TIM_TimeBaseStructure.TIM_Prescaler = 72 - 1;  // 1MHz时钟
    TIM_TimeBaseInit(TIM2, &TIM_TimeBaseStructure);
    TIM_ITConfig(TIM2, TIM_IT_Update, ENABLE);
    TIM_Cmd(TIM2, ENABLE);
    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = TIM2_IRQn;
    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 0;
    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 1;
    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE;
    NVIC_Init(&NVIC_InitStructure);
}

这样，我们就能在低资源占用和高响应速度之间取得良好平衡，构建更高效的单片机矩阵按键控制系统。