使用兩個(gè)I/O引腳將4×3矩陣鍵盤(pán)連接至微控制器

在基于微控制器(MCU)的項目中，矩陣式鍵盤(pán)常被用作輸入設備。將矩陣鍵盤(pán)連接至微控制器的常規做法需使用微控制器的多個(gè)I/O引腳。然后MCU運用掃描算法來(lái)確認按住了哪些鍵。這種辦法的一個(gè)弊端就是需要大量MCU的I/O引腳來(lái)連接鍵盤(pán)。例如，連接一個(gè)4×3鍵盤(pán)需7個(gè)數字I/O引腳。而當項目采用的是低引腳數MCU，或使用的MCU不具備足夠的可用I/O引腳數時(shí)，就出現了問(wèn)題。

對于這一問(wèn)題，有兩個(gè)解決辦法：使用現成的I/O擴展器，或用一只電阻排，為每個(gè)鍵設定一個(gè)唯一的電壓，然后使用模擬引腳來(lái)讀取電壓值，判斷按住了哪個(gè)鍵。每個(gè)方案都有其不足之處。

由于在大多數情況下，I/O擴展器需通過(guò)特殊的通信協(xié)議(如I2C協(xié)議或SPI協(xié)議)來(lái)讀寫(xiě)數據，MCU需要具備內置通信模塊，或用戶(hù)需實(shí)現相關(guān)的通信協(xié)議軟件，而這明顯增加了MCU的負擔。另一方面，當按鍵數量增加時(shí)，通過(guò)電阻排給各按鍵分配獨特電壓會(huì )變得很繁瑣，而這最終將導致電壓裕度較小。此外，由于電阻值會(huì )隨溫度而變化，使用較小的電壓裕度可能導致讀取錯誤，甚至連開(kāi)關(guān)彈跳都可能成為導致電壓出錯的重要原因。這種方法的另一個(gè)弊端是要求MCU中有模擬輸入引腳。這里描述的實(shí)例顯示出能夠高效解決上述所有問(wèn)題的辦法，及其具備的幾個(gè)優(yōu)勢：它只需要兩只I/O引腳，而不論連接的開(kāi)關(guān)數量有多少;不需要特別的通信協(xié)議;不需要模擬引腳。本實(shí)例基于兩個(gè)CD4017約翰遜計數器，這種計數器很常見(jiàn)而且不貴。

圖1顯示出4×3鍵盤(pán)采用的電路。R1、R4、R5和R6用于限流，D7、D4、D5和D6構成一個(gè)“或”門(mén)。

這里描述的例子顯示出如何采用這種方法來(lái)讀取4×3鍵盤(pán)。其中一個(gè)CD4017被用來(lái)控制鍵盤(pán)行，另一個(gè)控制鍵盤(pán)列。

MCU生成時(shí)鐘信號，然后將其供給控制列的計數器IC。起初，列計數器和行計數器的第0個(gè)輸出處于邏輯高位。在收到時(shí)鐘脈沖后，列計數器將增加。在收到第四個(gè)時(shí)鐘脈沖時(shí)，列計數器將重置，并同時(shí)將行計數器增加1。在列控制器重置后，行控制器增加，并在收到第五個(gè)來(lái)自列控制器的時(shí)鐘脈沖后重置。在生成時(shí)鐘脈沖的同時(shí)，應增加MCU的計數變量，并且在第五個(gè)時(shí)鐘脈沖到達行控制器時(shí)，將計數變量重置為1。鍵盤(pán)的兩個(gè)輸出做“或”運算，并連接到MCU的一個(gè)外部中斷引腳。

只有當行和列的相關(guān)按鈕均處于邏輯高位，一個(gè)按鈕被按下時(shí)才會(huì )發(fā)生中斷。如果按鈕的行或列處于邏輯零值，則不會(huì )發(fā)生中斷。

中斷發(fā)生時(shí)，MCU讀取當時(shí)的計數值，所讀取的值即對應于剛按下的按鈕。

當MCU每隔一段時(shí)間產(chǎn)生時(shí)鐘脈沖時(shí)，MCU內的時(shí)鐘計數增加;這一計數等于鍵盤(pán)上的開(kāi)關(guān)數目，按下這些開(kāi)關(guān)時(shí)可造成中斷。圖2中的流程圖描述了這一情況。

注意：雖然本例僅展示了4×3鍵盤(pán)的讀取方法，但可以用兩個(gè)4017計數器的剩余輸出來(lái)讀取10×10鍵盤(pán)。另外，必要時(shí)，還可以級聯(lián)更多的4017IC來(lái)擴展鍵盤(pán)。