使用两个I/O引脚将4×3矩阵键盘连接至微控制器 控制器, 键盘

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在基于微控制器(MCU)的项目中，矩阵式键盘常被用作输入设备。将矩阵键盘连接至微控制器的常规做法需使用微控制器的多个I/O引脚。然后MCU运用扫描算法来确认按住了哪些键。这种办法的一个弊端就是需要大量MCU的I/O引脚来连接键盘。例如，连接一个4×3键盘需7个数字I/O引脚。而当项目采用的是低引脚数MCU，或使用的MCU不具备足够的可用I/O引脚数时，就出现了问题。
对于这一问题，有两个解决办法：使用现成的I/O扩展器，或用一只电阻排，为每个键设定一个唯一的电压，然后使用模拟引脚来读取电压值，判断按住了哪个键。每个方案都有其不足之处。
由于在大多数情况下，I/O扩展器需通过特殊的通信协议(如I2C协议或SPI协议)来读写数据，MCU需要具备内置通信模块，或用户需实现相关的通信协议软件，而这明显增加了MCU的负担。另一方面，当按键数量增加时，通过电阻排给各按键分配独特电压会变得很繁琐，而这最终将导致电压裕度较小。此外，由于电阻值会随温度而变化，使用较小的电压裕度可能导致读取错误，甚至连开关弹跳都可能成为导致电压出错的重要原因。这种方法的另一个弊端是要求MCU中有模拟输入引脚。这里描述的实例显示出能够高效解决上述所有问题的办法，及其具备的几个优势：它只需要两只I/O引脚，而不论连接的开关数量有多少;不需要特别的通信协议;不需要模拟引脚。本实例基于两个CD4017约翰逊计数器，这种计数器很常见而且不贵。
图1显示出4×3键盘采用的电路。R1、R4、R5和R6用于限流，D7、D4、D5和D6构成一个“或”门。
这里描述的例子显示出如何采用这种方法来读取4×3键盘。其中一个CD4017被用来控制键盘行，另一个控制键盘列。
MCU生成时钟信号，然后将其供给控制列的计数器IC。起初，列计数器和行计数器的第0个输出处于逻辑高位。在收到时钟脉冲后，列计数器将增加。在收到第四个时钟脉冲时，列计数器将重置，并同时将行计数器增加1。在列控制器重置后，行控制器增加，并在收到第五个来自列控制器的时钟脉冲后重置。在生成时钟脉冲的同时，应增加MCU的计数变量，并且在第五个时钟脉冲到达行控制器时，将计数变量重置为1。键盘的两个输出做“或”运算，并连接到MCU的一个外部中断引脚。
只有当行和列的相关按钮均处于逻辑高位，一个按钮被按下时才会发生中断。如果按钮的行或列处于逻辑零值，则不会发生中断。
中断发生时，MCU读取当时的计数值，所读取的值即对应于刚按下的按钮。
当MCU每隔一段时间产生时钟脉冲时，MCU内的时钟计数增加;这一计数等于键盘上的开关数目，按下这些开关时可造成中断。图2中的流程图描述了这一情况。
注意：虽然本例仅展示了4×3键盘的读取方法，但可以用两个4017计数器的剩余输出来读取10×10键盘。另外，必要时，还可以级联更多的4017IC来扩展键盘。