使用兩個I/O引腳將4×3矩陣鍵盤連接至微控制器

在基于微控制器(MCU)的項目中，矩陣式鍵盤常被用作輸入設(shè)備。將矩陣鍵盤連接至微控制器的常規(guī)做法需使用微控制器的多個I/O引腳。然后MCU運用掃描算法來確認(rèn)按住了哪些鍵。這種辦法的一個弊端就是需要大量MCU的I/O引腳來連接鍵盤。例如，連接一個4×3鍵盤需7個數(shù)字I/O引腳。而當(dāng)項目采用的是低引腳數(shù)MCU，或使用的MCU不具備足夠的可用I/O引腳數(shù)時，就出現(xiàn)了問題。

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

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

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

這里描述的例子顯示出如何采用這種方法來讀取4×3鍵盤。其中一個CD4017被用來控制鍵盤行，另一個控制鍵盤列。

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

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

中斷發(fā)生時，MCU讀取當(dāng)時的計數(shù)值，所讀取的值即對應(yīng)于剛按下的按鈕。

當(dāng)MCU每隔一段時間產(chǎn)生時鐘脈沖時，MCU內(nèi)的時鐘計數(shù)增加;這一計數(shù)等于鍵盤上的開關(guān)數(shù)目，按下這些開關(guān)時可造成中斷。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鍵盤的讀取方法，但可以用兩個4017計數(shù)器的剩余輸出來讀取10×10鍵盤。另外，必要時，還可以級聯(lián)更多的4017IC來擴展鍵盤。