AVR單片機教程——矩陣鍵盤

時間  2020-02-03
標籤 avr 單片機 教程 矩陣 鍵盤 欄目 應用數學 简体版
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本文隸屬於AVR單片機教程系列。html

 

開發板上有4個按鍵，咱們能夠把每個按鍵鏈接到一個單片機引腳上，來實現按鍵狀態的檢測。可是常見的鍵盤有104鍵，是每個鍵分別鏈接到一個引腳上的嗎？我沒有考證過，但咱們確實有節省引腳的方法。git

矩陣鍵盤

這是一個4*4的矩陣鍵盤，共有16個按鍵只須要8個引腳就能夠驅動。咱們先來看看它的原理。異步

每一個按鍵有兩個引腳，當按鍵按下時接通。每一行的一個引腳接在一塊兒，分別鏈接到左邊4個端口，稱爲「行引腳」；每一列的另外一個引腳接在一塊兒，分別鏈接到右邊的4個端口，稱爲「列引腳」。這就是矩陣鍵盤內部的電路鏈接方式。函數

那麼如何驅動它呢？首先咱們簡化一下，只考慮第一排：學習

這樣就很簡單了吧，只要讓行引腳保持低電平，4個列引腳設置爲輸入並開啓上拉電阻，讀到低電平則意味着按鍵被按下。其他3行同理。測試

可是下面3行畢竟沒有憑空消失，怎樣讓它不影響第一行按鍵的檢測呢？保持那3個行引腳懸空，不接就能夠了。這樣，第一行的行引腳接地，4個列引腳接到單片機上，就可使用了。因此，要讀取一行按鍵的狀態，須要把對應行引腳置爲低電平，其他保持懸空，在列引腳上設置上拉電阻並分別讀取其電平。ui

因而讀取16個按鍵的方法就呼之欲出了——先按以上方法讀第一行，再把第二行的行引腳接地，第一行的懸空，而列引腳不用動，讀取第二行……設計

這樣一行一行地讀，只要讀的速度夠快，人就反應不過來，以爲16個按鍵是同時讀的。上回遇到「只要速度夠快，人就追不上我」，是在學習數碼管的時候，那時咱們瞭解到了動態掃描的技術。一樣地，一行一行地讀取按鍵也是一種動態掃描。code

#include <ee2/pin.h>
#include <ee2/delay.h>
#include <ee2/uart.h>

int main(void)
{
    const pin_t row[4] = {PIN_0, PIN_1, PIN_2, PIN_3};
    const pin_t col[4] = {PIN_4, PIN_5, PIN_6, PIN_7};
    const char name[16] = {
        '1', '2', '3', 'A',
        '4', '5', '6', 'B',
        '7', '8', '9', 'C',
        '*', '0', '#', 'D',
    };
    bool status[16] = {false};
    uart_init(UART_TX_64, 384);
    for (uint8_t j = 0; j != 4; ++j)
        pin_write(col[j], PULLUP);
    while (1)
    {
        for (uint8_t i = 0; i != 4; ++i)
        {
            pin_write(row[i], LOW);
            pin_mode(row[i], OUTPUT);
            for (uint8_t j = 0; j != 4; ++j)
            {
                uint8_t index = i * 4 + j;
                bool cur = pin_read(col[j]);
                if (status[index] && !cur)
                {
                    uart_print_char(name[index]);
                    uart_print_line();
                }
                status[index] = cur;
            }
            pin_mode(row[i], INPUT);
        }
        delay(1);
    }
}

在這個程序中，單片機每一毫秒把16個按鍵各讀一遍，而後跟上一次讀取比對，斷定按鍵是否按下，而後在串口上輸出。htm

輸入的動態掃描沒有輸出的動態掃描要求那麼嚴格。在數碼管的動態掃描中，須要顯示第1位→延時一段時間→顯示第2位→延時一段時間，並且延時必須相同，不然不一樣位的亮度就有差別。而矩陣鍵盤的動態掃描就不須要那麼嚴格的時序，讀完一行之後徹底能夠不延時，就像上面的程序中作的那樣，直接讀下一行。

最後提一句，上面的分析和程序都把行引腳做爲輸出，列引腳做爲輸入，事實上因爲行與列是對稱的，把行列互換也是能夠的。但若是是一個4行8列的矩陣鍵盤，仍是應該把行引腳做輸出，由於這個「輸出」的實際上要求三態輸出，包含了低電平與高阻態。咱們接下來將看到，74HC595芯片作不到這一點。

以及，「矩陣鍵盤」的「矩陣」之處在於其電路鏈接，而不必定是外觀。把16個按鍵排成一行，同樣能夠用矩陣鍵盤的鏈接方式。

74HC165

另外一種擴展輸入的方式是使用以74HC165爲表明的並行轉串行IC。165有8個並行輸入、一個串行輸入、一對互補串行輸出引腳，以及時鐘和鎖存信號等。這是165的邏輯圖：

看暈了？咱們一點一點來分析。

首先看CLK和CLK INH這一部分，兩個信號經過或門鏈接，提供後續電路的時鐘信號。CLK INH稱爲時鐘屏蔽信號。當CLK INH爲高時，或門老是輸出高電平，再也不有時鐘；當CLK INH爲低時，或門輸出電平與CLK相同。因此，只有當CLK INH爲低時，後續電路才能工做。

時鐘信號提供給一組移位寄存器，移位寄存器的基本單元是D觸發器。一個D觸發器能夠以高低電平的形式鎖存一位數據，在其右方的端口輸出。在信號C1（即CLK，當CLK INH爲低時）的上升沿，D觸發器把1D信號的電平保存起來，同時反映到輸出信號上。上升沿是一個瞬間的信號，8個D觸發器同時收到這一信號，把前一個輸出保存起來，供後一個D觸發器在下一次時鐘上升沿讀取。這樣，在每一個上升沿，SER的數據進入最左邊的D觸發器，全部數據右移了一位，最右邊的一位反映在QH引腳上，在上升沿丟失。

下一節中74HC595的邏輯圖中有一組相似的移位寄存器，不過除了第一個之外用的都是SR鎖存器，它一樣在時鐘上升沿鎖存數據，這個數據在S高電平時爲1，R高電平時爲0，二者都低電平時爲以前鎖存的電平。那麼165的D觸發器中的S和R信號是否也是這樣的功能呢？

不徹底相同，它們的做用不須要時鐘信號，是異步的，而且它們不是上升沿觸發而是電平觸發的，即只要高電平保持，它們將一直起做用，使D觸發器忽略1D信號的輸入。我判斷這兩個信號是異步的，是由於C1標了1，對應1D的1，而S沒有標1，所以S與C1無關；是電平觸發的，由於S左邊沒有像C1左邊那樣的三角形，它表示邊沿觸發。

SH/LD引腳用於選擇移位寄存器的工做模式。當SH/LD爲高時，非門輸出低，兩個與非門必定輸出高，D觸發器的S和R前有個圓圈，表示低電平有效，S和R不起做用，移位寄存器在時鐘上升沿移位；當SH/LD爲低時，非門輸出高，兩個與非門的輸出是另外一個輸入取非，當A爲高和低時分別有S和R爲低，並行端口上的數據被鎖存進移位寄存器中。

經過以上分析，咱們能夠總結出使用165讀取8個輸入的方法：先把SH/LD置低而後置高，再讀取QH的電平，讀到的就是H信號，而後在CLK引腳上產生一個上升再降低的時鐘信號，並從QH讀到G，如此循環，直到8個輸入都讀完。

那咱們來實踐一下吧。從開發板的原理圖中能夠看到，A到H鏈接到開發板左上方Ext In處，0對應H，7對應A；QH鏈接PD2，CLK鏈接PD4；SH/LD有些複雜，須要讓(PC3, PC2) = (0, 1)使SH/LD爲高電平，(PC3, PC2) = (1, 1)使SH/LD爲低電平。

uint8_t read_165()
{
    DDRC  |=   1 << DDC2;    // PC2 output
    DDRC  |=   1 << DDC3;    // PC3 output
    DDRD  &= ~(1 << DDD2);   // QH  input
    DDRD  |=   1 << DDD4;    // CLK output
    PORTC |=   1 << PORTC2;  // PC2 high
    PORTC |=   1 << PORTC3;  // PC3 high, SH/LD low
    PORTC &= ~(1 << PORTC3); // PC3 low,  SH/LD high
    PORTD &= ~(1 << PORTD4); // CLK low
    uint8_t result = 0;
    for (uint8_t i = 0; i != 8; ++i)
    {
        result >>= 1;            // the bit read first is LSB
        if (PIND & (1 << PIND2)) // QH high
            result |= 1 << 7;    // set result's MSB
        PORTD |=   1 << PORTD4;  // CLK high
        PORTD &= ~(1 << PORTD4); // CLK low
    }
    return result;
}

須要注意的一點是，進入循環以前的初始化除了要配置輸入輸出之外，CLK必須爲低電平，由於CLK是上升沿觸發，若是進入函數以前此引腳輸出高電平而函數中沒有把它置低，循環第一次中移位寄存器就不會移位，H的電平就會被讀兩次，而A會被忽略。

等等，關於165芯片，咱們還有SER串行輸入沒有講。注意到SER是第一個D觸發器的輸入，QH是最後一個D觸發器的輸出，而中間都是前一個D觸發器的輸出是後一個D觸發器的輸入，你有沒有受到什麼啓發？

你想把SER鏈接到QH上？那沒什麼用。正確的作法是把一片165的QH鏈接到另外一片165的SER上，還能夠鏈接更多，這種鏈接方式成爲級聯；最後一片的QH鏈接單片機，第一片的SER不須要使用，通常會接一個肯定的電平；全部165共用CLK和SH/LD。這樣就能夠把8位並行轉串行擴展爲16位甚至更多。

74HC595

講到並行輸入轉串行輸出的165，就不得不講串行輸入轉並行輸出的74HC595。事實上，595有這樣的地位：玩單片機的人接觸的第一塊芯片是那塊單片機，第二塊就應該是595。

595和165是兄弟芯片，結構與165對稱。SER爲串行輸入，8位移位寄存器由時鐘信號SRCLK的上升沿控制；RCLK上升沿控制一組RS鎖存器，將移位寄存器中的數據反映到QA到QH引腳的電平上來；SRCLR低電平有效，異步地將移位寄存器中的數據所有清零；略有不一樣的是輸出級，595支持三態輸出，當OE爲高電平時高阻輸出。

那爲何以前說595作不到三態輸出呢？由於只有一個OE信號，你們得一塊兒高阻，無法一個輸出低電平其他高阻輸出。

開發板上有一塊595，SER鏈接PD3，SRCLK鏈接PD4，RCLK與165的SH/LD相似，當(PC3, PC2) = (0, 1)爲高電平，(PC3, PC2) = (1, 0)時爲低電平。

話很少說，咱們直接看代碼：

void write_595(uint8_t _data)
{
    DDRD  |=    1 << DDD3;    // SER   output
    DDRD  |=    1 << DDD4;    // SRCLK output
    DDRC  |= 0b11 << DDC2;    // PC3:2 output
    PORTD &=  ~(1 << PORTD4); // SRCLK low
    for (uint8_t i = 0; i != 8; ++i)
    {
        if (_data & 1 << 0)          // LSB first
            PORTD |=   1 << PORTD3;  // SER high
        else
            PORTD &= ~(1 << PORTD3); // SER low
        _data >>= 1;
        PORTD |=   1 << PORTD4;      // SRCLK high
        PORTD &= ~(1 << PORTD4);     // SRCLK low
    }
#define PC32(x) (PORTC = (PORTC & ~(0b11 << PORTC2)) | (x) << PORTC2)
    PC32(0b10); // RCLK low
    PC32(0b01); // RCLK high
#undef PC32
}

595最經典的功能就是驅動LED了。事實上，開發板上的數碼管和LCD接口都是掛在595的輸出上的。如今咱們學習了595的用法，終於能夠本身點亮數碼管了。

把數碼管的負極鏈接到端口4和5上。

#include <ee2/pin.h>
#include <ee2/delay.h>

void write_595(uint8_t _data);

int main()
{
    pin_t digit[2] = {PIN_4, PIN_5};
    for (uint8_t i = 0; i != 2; ++i)
    {
        pin_write(digit[i], HIGH);
        pin_mode(digit[i], OUTPUT);
    }
    uint8_t which[8] = {
        1, 1, 1, 1, 0, 0, 0, 0
    };
    uint8_t pattern[8] = {
        0b00000001, 0b00000010, 0b00000100, 0b00001000,
        0b00001000, 0b00010000, 0b00100000, 0b00000001
    };
    while (1)
        for (uint8_t i = 0; i != 8; ++i)
        {
            pin_write(digit[which[i]], LOW);
            write_595(pattern[i]);
            delay(200);
            pin_write(digit[which[i]], HIGH);
        }
}

595也是支持級聯的，方法是多片595共用SRCLK和RCLK，一片的QH'鏈接下一片的SER。可是當級聯的595數量不少時，刷新一次輸出是比較耗時的，能夠考慮換一種組織方式，把一串595換成多組級聯，每一組第一個595的SER鏈接單片機，全部595共用SRCLK和RCLK，能夠有效減小級聯長度。這是用引腳數量換取速度，具體仍是應該根據需求來權衡。

儘管595是單片機學習中必不可少的部分，可是我很是不建議你在麪包板上搭建595電路，不是由於單片機與595的鏈接麻煩，而在於驅動LED須要串聯電阻，而且每個LED都須要獨立的電阻。而我很是貼心地在板載595的輸出和Ext Out引腳之間接了470Ω的電阻，能夠簡化你的電路設計。

綜合實踐

那麼，有沒有辦法把動態掃描和59五、165擴展組合起來使用呢？

我想你應該已經有大體思路了：595寫一個，165讀一組，這樣循環4次，就能夠把16個按鍵都讀一遍。可是咱們還有一個問題沒有解決：如何改造595，讓它能輸出低電平和高阻態？

首先咱們得有個感受，這是能夠實現的，由於595輸出有兩個狀態——高電平和低電平，而咱們如今須要的也是兩個狀態——低電平和高阻態，而不須要高電平輸出，因此應該想一想辦法，加點東西把高電平改爲高阻。

想出來了嗎？反正我不會。可是我知道兩種電路，能把高電平變成低電平，低電平變成高阻態：

  • Q1是一個NPN型的三極管，左邊的基極（B）串聯了電阻後做爲輸入，下方的發射極（E）接地，上方的集電極（C）做爲輸出。當輸入高電平時，有電流從基極流向發射極，三極管就容許有電流從集電極流向發射極，能夠認爲輸出低電平；當輸入低電平時，基極與發射極之間沒有電流，集電極與發射極之間也不能有電流，能夠認爲輸出高阻態。

  • Q2是一個N溝道的MOS管，左邊的柵極（G）做爲輸入，下方的源極（S）接地，上方的漏極（D）做爲輸出。當輸入高電平時，漏極和源極之間出現導電溝道，而且電阻很小，輸出爲低電平；當輸入低電平時，沒有導電溝道，輸出爲高阻態。

關於三極管和MOS管這兩種有源器件，你最好參考一些其餘資料，好比相關教科書。

這兩種輸出稱爲開集輸出和開漏輸出，效果是差很少的。因爲如今絕大部分IC都使用CMOS工藝，通常用的都是「開漏輸出」這個名字。若是單片機要讀取一個開漏輸出的電平，必須接上拉電阻，就像矩陣鍵盤中的那樣，高阻態的輸出在有了上拉電阻以後會被讀成高電平。

其實爲了講原理，我在NPN和NMOS中選一個講就能夠了，可是不巧的是這兩種咱們都要用——開發板上有兩個NPN三極管和兩個N溝道MOS管，恰好夠矩陣鍵盤的4行用。電路鏈接是：Ext Out的0到3號引腳接開發板右上方B和G，E和S接GND，C和D接矩陣鍵盤行引腳，Ext In的0到3號引腳接4個列引腳。開發板已經給165的輸入鏈接了上拉電阻。

#include <ee2/bit.h>
#include <ee2/exout.h>
#include <ee2/exin.h>
#include <ee2/uart.h>
#include <ee2/timer.h>

void timer()
{
    static const char name[16] = {
        '1', '2', '3', 'A',
        '4', '5', '6', 'B',
        '7', '8', '9', 'C',
        '*', '0', '#', 'D',
    };
    static bool status[16] = {false};
    static uint8_t phase = 0;
    if (phase & 1)
    {
        uint8_t row = exin_read();
        for (uint8_t i = 0; i != 4; ++i)
        {
            uint8_t index = (phase >> 1) * 4 + i;
            bool cur = read_bit(row, i);
            if (status[index] && !cur)
            {
                uart_print_char(name[index]);
                uart_print_line();
            }
            status[index] = cur;
        }
    }
    else
    {
        exout_write(1 << (phase >> 1));
    }
    if (++phase == 8)
        phase = 0;
}

int main()
{
    exout_init();
    exin_init();
    uart_init(UART_TX_64, 384);
    timer_init();
    timer_register(timer);
    while (1)
        ;
}

這個程序把按鍵掃描放到了中斷中進行。掃描分爲8個階段，從0開始編號，偶數階段寫595，分別給4個行引腳對應的位中的一個寫1，其他寫0，奇數階段讀165，根據列引腳對應位的值判斷按鍵是否按下。這樣作的好處是能夠分散工做量，有效防止定時器中斷ISR執行時間超過中斷間隔，輕則定時不許確，重則棧溢出，程序跑飛。根據個人測試，一個看似微不足道的4*4矩陣鍵盤掃描，須要100us的時間，是定時器中斷間隔的10%。不難想象，對於更復雜的設備，這個值可能超過100%，不把任務分散一下是不行的。

別忘了595和165都只用了4個端口哦！在這種擴展方式下，一片595和一片165能夠鏈接64個按鍵，級聯的話能夠還能夠翻幾倍。一共須要佔用了多少單片機引腳呢？595的SER和165的QH能夠藉助一個電阻共用一個，595的SRCLK和165的CLK共用一個，595的RCLK和165的SH/LD也能夠共用一個——總共3個，至關優秀。

原本我還想講用SPI總線驅動595和165，鑑於這一篇教程已經很長了，下一篇DAC也涉及SPI，這一部分就放到下一篇去吧。

 

做業

  1. 有時候程序會平白無故斷定出一次按鍵按下，特別是鬆開按鍵的時候，緣由是單片機讀取到的電平存在抖動。請你解決這個問題。

  2. 根據圖示習慣，我判斷74HC165邏輯圖中的D觸發器的S和R引腳是異步的、電平觸發的。請你寫程序來驗證這個事實。

  3. * 減小引腳數量的方法還有不少。有一種能夠用一個ADC端口檢測多個按鍵的方法：

    經過選擇合適的阻值，當按鍵的狀態組合（包括多個按鍵同時按下）不一樣時，ADC能讀到不一樣的電壓，從而實現按鍵狀態的檢測。請你實現這種方案。

  4. * TM1638是一款LED與按鍵驅動芯片，有市售模塊可用：

    若是你的麪包板級設計須要數碼管和按鍵等資源的話，使用這個模塊無疑是很方便的。請你在互聯網上搜索資料，學習使用這個模塊。

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