【按键扫描】独立按键与矩阵按键

article/2025/1/17 5:59:52

按键介绍

我们通常提到按键，一般是指按键开关，也称为轻触开关。轻触开关是最常用的几种电子元器件之一，被各种电子产品广泛使用。

轻触开关与普通开关类似，但又略有不同。普通开关有闭合与断开两种状态，切换后状态会锁定，直到下次操作前不改变；而轻触开关内部有弹簧，弹起时为断开状态，在施加一定压力后会闭合短路，而松开后又会自动弹起，重新恢复断开状态。
所以轻触开关除了可以检测按下与抬起外，还可以检测长按与短按，从而单按键开关可实现多种复合功能。

最常见的轻触开关为四脚轻触开关，如下图

轻触开关规格书
四脚轻触开关实际内部是两两相连，设计为四脚一方面是为了稳定性（四脚固定在按动时会比两脚更稳），另一方面也是为了硬件布线可以更方便。
根据规格书的描述，内部1与2，3与4直接相连，在按下时，1/2 才会和 3/4闭合，接线时需要注意，不要弄错引脚，导致按键为常闭状态。

按键抖动

按键开关一般是由弹性金属制成，在按键按下后会经历波动过程，然后再稳定；弹起时也会产生类似情况。通常我们称此现象为按键抖动，也被称为接触弹跳（Contant Bounce）。

接触弹跳-按键弹起
由于按键检测芯片频率都比较高，而接触弹跳的存在，会导致软件在检测按键按下/抬起时，会发生多次误检测的异常现象。
所以在实际使用按键扫描时，需要进行消抖（Debounce）才能正常使用。

按键消抖分为两种：硬件消抖，软件消抖。

硬件消抖

硬件的滤波电路或者其他电路实现，此处不做讨论

软件消抖

根据抖动的特征，软件进行消除。

参考按键规格书中的描述，抖动分为"按下抖动"和"抬起抖动"，一般都在 10ms以下。简单的消抖方法为延时消抖，即检测到状态变化后，延时10ms，再次确认状态，如果相同才识别为有效。

按键规格书

// 示例伪代码
// 判断按键为按下状态
if scan_status == KEY_PRESSED// 延时 10msdelay_10ms// 再次检测按键状态如果为按下if scan_status == KEY_PRESSED// 确认当前按键状态为按下key_status = scan_status
// 结束

按键扫描

按键扫描按照接线方式的不同，可分为独立按键接线与矩阵按键接线。

独立按键

独立按键，即单个按键独立的接到单片机的 IO口上，读取对应IO状态，例如高电平为按键抬起，低电平为按键按下。
此种方式结构简单，软件简单。实际开发中，单片机IO资源有限，除非按键很少，否则不会使用。

示例流程如下

按键单独连接到IO口，另一端接地
配置对应IO口为输入状态，且为内部上拉
读取IO口电平，为高时按键抬起，为低时为按键按下
消抖后判定状态是否有效，确认按键状态

独立按键状态变化

// 独立按键检测
void stand_alone_scan(void)
{// 检测 P2.0 IO口， 按键状态变化if (stand_alone_io != stand_alone_last){// 延时 10ms 消抖delay_10us(1000);// 再次检测 IO 口确认按键状态if (stand_alone_io != stand_alone_last){printf("stand alone - %s\r\n",stand_alone_io == KEY_UNPRESSED ? "unpressed" : "pressed");stand_alone_last = stand_alone_io;}}
}

矩阵按键

矩阵键盘，顾名思义采用行列式连线进行布局，按键的两端分别接到矩阵的行线与列线。按键按下时，对应按键的行和列短路，检测确定行和列，即可确认按键位置。
以 4x4 矩阵键盘为例，共16个按键，仅需要8个IO口，4个IO口连接按键矩阵行，4个IO口连接按键矩阵列。
矩阵键盘识别比独立按键略微复杂，但是相比独立按键可节省大量IO口，实际开发中应用较多。

矩阵键盘连线

常用的矩阵扫描方法有三种：逐行扫描，逐列扫描，行列反转扫描。

逐行扫描

按键以矩阵方式连接，P1.0~P1.3 为行线，P1.4~P1.7为列线
设置全部行线为输出线，行线全部设置为高电平，全部列线为输入线，检测列线全部为高时，则代表无按键按下
逐行设置行线为低电平，检测每行所有列线，如果识别到低电平，则可判定对应行列按键被按下
如下图所示，行1设置为低电平，检测到列2为低电平，则判定行1列2对应按键被按下

行1为低，按下列2后的状态变化

// 逐行检测代码示例
void matrix_scan(void)
{unsigned char row, col;for (row = 0; row < MATRIX_ROW_MAX; row++){// 逐行选中P1 &= ~(1 << row);for (col = 0; col < MATRIX_COL_MAX; col++){// 在选中行检查每一列if (((P1 >> (MATRIX_ROW_MAX + col)) & 0x01) == KEY_PRESSED){// 消抖delay_10us(1000);// 再次检测 IO 口确认按键状态if (((P1 >> (MATRIX_ROW_MAX + col)) & 0x01) == KEY_PRESSED){if (matrix_status == KEY_UNPRESSED) {printf("matrix - row %d col %d pressed\r\n", (int)row, (int)col);pressed_row = row;pressed_col = col;matrix_status = KEY_PRESSED;}break;}}if (((row == pressed_row) && (col == pressed_col))){printf("matrix - row %d col %d unpressed\r\n", (int)row, (int)col);pressed_row = MATRIX_UNKNOWN;pressed_col = MATRIX_UNKNOWN;matrix_status = KEY_UNPRESSED;}}// 清除选中行P1 |= (1 << row);}
}