实验五：矩阵键盘实验

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扫描原理

矩阵键盘的结构相较于独立键盘复杂一些，单片机对其进行的识别也会复杂一些。矩阵键盘的扫描方式有两种：行列扫描法和逐行/逐列扫描法。行列扫描法也称为线反法，适用于矩阵键盘受单片机连续的I/O口控制的情况;逐行/逐列扫描法适用于矩阵键盘被接入了单片机的任意I/O口的情况。在实际单片机应用中更为常用的是行列扫描法。 下面以4*4矩阵键盘为例，其中四条行线（第一行开始）接入单片机的P1.0-P1.3，四条列线（第一列开始）接入P1.4-P1.7。

行列扫描法

• 使P1口的高四位输出高电平，低四位输出低电平，此时列线被拉高，行线被拉低。假设有按键按下，则某一列的电平将会被拉低，此时读取P1口高四位（四个列）的电平，若读取到的值不全为高电平，说明有按键按下，可通过读取到的值判断是第几列。再使P1口的高四位输出低电平，低四位输出高电平，读取P1口低四位（四个行）的电平，此时读取到的值不再全为高电平，可通过读取到的值判断是第几行。将两次读取的结果组合起来就可以得到当前按键的键值，从而确定按下按键的位置。

逐行/逐列扫描法

• 逐行/逐列扫描法本质和行列扫描法类似，即给某一行/某一列输出低电平，其余七个全部为高电平，此时读取电平变化，若由低电平则说明有按键键按下，可根据读取的键值判断按键按下的位置。
• 具体操作如下：将第一行置为低电平，其余三行和四列置为高电平。读取列线的数据，若列线不全为高电平表示第一行有按键按下，可根据读取的数据判断是第一行的哪一列按键按下;若列线全为高电平，则将第二行置为低电平，其余三行和四列置为高电平，读取列线的数据，判断是否有按键按下。重复上述动作，并以此类推。

Arduino

实验现象

• 串口输出按下按键的键值

电路连接

• 

主要程序

int R[] = {2,3,4,5};
int C[] = {6,7,8,9};
void setup() {
  Serial.begin(9600);
  for (int i = 0; i < 4; i++)
  {
    pinMode(R[i], INPUT_PULLUP);
    pinMode(C[i], OUTPUT);
  }
}
void loop() {
   //列线输出0
  for (int i = 0; i < 4; i++)
  {
    digitalWrite(C[i], LOW);
  }
  if (!digitalRead(R[0]) || !digitalRead(R[1]) || !digitalRead(R[2])|| !digitalRead(R[3]))
  {
    delay(10);
    if (!digitalRead(R[0]) || !digitalRead(R[1]) || !digitalRead(R[2])|| !digitalRead(R[3]))
    {
      digitalWrite(C[0], LOW);//扫描第一列
      digitalWrite(C[1], HIGH);
      digitalWrite(C[2], HIGH);
      digitalWrite(C[3], HIGH);
      for (int j = 0; j < 4; j++)
      {
        if (!digitalRead(R[j]))
        {
          Serial.print("S");
          Serial.print(j * 4 + 1);//在串口监视器中输出键盘编号
          Serial.println(" has been pressed");
          while (!digitalRead(R[j]));
          Serial.println("The button has been loosened");
        }
      }
      digitalWrite(C[0], HIGH);//扫描第二列
      digitalWrite(C[1], LOW);
      digitalWrite(C[2], HIGH);
      digitalWrite(C[3], HIGH);
      for (int j = 0; j < 4; j++)
      {
        if (!digitalRead(R[j]))
        {
          Serial.print("S");
          Serial.print( j * 4 + 2);
          Serial.println(" has been pressed");
          while (!digitalRead(R[j]));
          Serial.println("The button has been loosened");
        }
      }
      digitalWrite(C[0], HIGH);//扫描第三列
      digitalWrite(C[1], HIGH);
      digitalWrite(C[2], LOW);
      digitalWrite(C[3], HIGH);
      for (int j = 0; j < 4; j++)
      {
        if (!digitalRead(R[j]))
        {
          Serial.print("S");
          Serial.print(j * 4 + 3);
          Serial.println(" has been pressed");
          while (!digitalRead(R[j]));
          Serial.println("The button has been loosened");
        }
      }
      digitalWrite(C[0], HIGH);//扫描第三列
      digitalWrite(C[1], HIGH);
      digitalWrite(C[2], HIGH);
      digitalWrite(C[3], LOW);
      for (int j = 0; j < 4; j++)
      {
        if (!digitalRead(R[j]))
        {
          Serial.print("S");
          Serial.print(j * 4 + 4);
          Serial.println(" has been pressed");
          while (!digitalRead(R[j]));
          Serial.println("The button has been loosened");
        }
      }
    }
  }
}

注意事项

• 需将按键连接引脚配置为输入上拉模式，这样该引脚在没有外接信号输入的情况可下保持高电位，则写为：pinMode(9, INPUT_PULLUP)；
• 若单纯写为：pinMode(9, INPUT)，则该引脚的状态会不稳定。出现0和1无规律变化，从而影响程序判断。

树莓派

电路连接

• 

程序运行

Python

• 安装gpiozero库
  • 可以使下面命令来安装该库

sudo apt update
sudo apt install python3-gpiozero

• 其它树莓派上的系统可以使下面命令来安装该库：

sudo pip3 install gpiozero

• 运行以下语句可以查看树莓派GPIO口定义

pinout

• 下载树莓派参考例程，将文件解压后拷贝放在用户名目录下，运行

cd raspberrypi/5/python_gpiozero
python button.py

• 此时可看见树莓派在正确运行矩阵键盘程序，按下任意按键串口打印对应的键值。若想退出，按ctrl+C即可

• 指令说明：gpiozero.ButtonBoard(pin, pull_up, active_state, bounce_time, hold_time, hold_repeat)
  • 主要参数：
    • pin：GPIO口编号；
    • pull_up: 内部上下拉电阻设置，
      • 设置为True（默认）时，GPIO引脚被拉高，需将按键的另一端接地。
      • 设置为Flase时，GPIO引脚被拉高低，需将按键的另一端接3V3
      • 设置为None时，GPIO引脚悬空，gpiozero无法猜测活动状态，必须设置active_state
    • active_state:
      • 设置为True时，当硬件引脚状态为“高”，软件显示引脚状态也为“高”
      • 设置为False时，则输入的极性相反，当硬件引脚状态为“高”，软件显示引脚状态为“低”
      • 当pull_up设置为None时，使用该参数设置未知的引脚活动状态
      • 当pull_up设置为True或者False时，引脚的活动状态被将自动赋值
    • bounce_time: 软件消抖时间。一般开关在大约20ms内信号不稳定，存在所谓的“开关抖动
      • 设置为None时，将不执行软件抖动补偿，否则该参数是组件在初始更改后忽略的时间长度（秒）,默认1s
    • hold_time: 按下按钮后直到触发when_held的时间，单位秒
    • hold_repeat:
      • 如果为True，则只要按钮持续被按下when_held会每隔hold_time时间持续被触发
      • 如果为False，则when_held只会触发一次；

• 指令说明：LEDBoard(pin, pwm, active_high, initial_value)
  • 主要参数：
    • pin: GPIO口编号，
    • pwm:
      • 如果为True，则为每个引脚构造PWMLED实例。
      • 如果为False（默认值），则构造常规LED实例。
    • active_high: 内部上下拉电阻设置，
      • 设置为True（默认）时，on（）将引脚设置为High，off（）将引脚设置为LOW。
      • 设置为Flase时，on（）将引脚设置为LOW，off（）将引脚设置为High。
    • initial_value:
      • 如果为False（默认值），则所有LED初始状态为关闭。
      • 如果为“None”，则所有LED初始状态不稳定。
      • 如果为True，则所有LED初始状态为关闭打开。
• 更多指令请查看gpiozero文档

例程下载

• Arduino例程
• 树莓派5例程 python

相关例程

Arduino和树莓派基础实验套件例程 实验一：交通灯实验 实验二：RGB彩灯实验 实验三：旋转电位器实验 实验四：按键控制LED实验 实验五：矩阵键盘实验 实验六：有源蜂鸣器模块实验 实验七：无源蜂鸣器模块实验 实验八：光耦继电器实验 实验九：DHT11温湿度传感器实验 实验十：DS18B20温度传感器实验 实验十一：热敏电阻传感器实验 实验十二：光敏电阻传感器实验 实验十三：火光火焰传感器实验实验 实验十四：红外避障传感器实验 实验十五：红外循迹传感器实验 实验十六：人体红外热释电传感器实验 实验十七：激光传感器实验 实验十八：磁控管传感器实验 实验十九：霍尔传感器实验 实验二十：SW-18010P振动传感器实验 实验二十一：SW-520D角度倾斜传感器实验 实验二十二：灰度传感器实验 实验二十三：TTP223电容触摸实验 实验二十四：超声波传感器实验 实验二十五：声音传感器实验 实验二十六：MQ-2烟雾传感器实验 实验二十七：水位传感器实验 实验二十八：土壤湿度传感器实验 实验二十九：MAX7219点阵实验 实验三十：四位串行数码管实验 实验三十一：LCD1602 并行控制实验 实验三十二：LCD1602 IIC显示实验 实验三十三：直流电机驱动实验 实验三十四：风扇转速调节实验 实验三十五：步进电机实验

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