使用兩個(gè)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(xiàng)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(gè)I/O引腳。然后MCU運(yùn)用掃描算法來(lái)確認(rèn)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。例如，連接一個(gè)4×3鍵盤需7個(gè)數(shù)字I/O引腳。而當(dāng)項(xiàng)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(shí)，就出現(xiàn)了問(wèn)題。

對(duì)于這一問(wèn)題，有兩個(gè)解決辦法：使用現(xiàn)成的I/O擴(kuò)展器，或用一只電阻排，為每個(gè)鍵設(shè)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(shù)情況下，I/O擴(kuò)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)讀寫數(shù)據(jù)，MCU需要具備內(nèi)置通信模塊，或用戶需實(shí)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(shí)，通過(guò)電阻排給各按鍵分配獨(dú)特電壓會(huì)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(huì)隨溫度而變化，使用較小的電壓裕度可能導(dǎo)致讀取錯(cuò)誤，甚至連開(kāi)關(guān)彈跳都可能成為導(dǎo)致電壓出錯(cuò)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(shì)：它只需要兩只I/O引腳，而不論連接的開(kāi)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(shí)例基于兩個(gè)CD4017約翰遜計(jì)數(shù)器，這種計(jì)數(shù)器很常見(jiàn)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(gè)“或”門。

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。其中一個(gè)CD4017被用來(lái)控制鍵盤行，另一個(gè)控制鍵盤列。

MCU生成時(shí)鐘信號(hào)，然后將其供給控制列的計(jì)數(shù)器IC。起初，列計(jì)數(shù)器和行計(jì)數(shù)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(jì)數(shù)器將增加。在收到第四個(gè)時(shí)鐘脈沖時(shí)，列計(jì)數(shù)器將重置，并同時(shí)將行計(jì)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(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(yīng)增加MCU的計(jì)數(shù)變量，并且在第五個(gè)時(shí)鐘脈沖到達(dá)行控制器時(shí)，將計(jì)數(shù)變量重置為1。鍵盤的兩個(gè)輸出做“或”運(yùn)算，并連接到MCU的一個(gè)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(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(dāng)時(shí)的計(jì)數(shù)值，所讀取的值即對(duì)應(yīng)于剛按下的按鈕。

當(dāng)MCU每隔一段時(shí)間產(chǎn)生時(shí)鐘脈沖時(shí)，MCU內(nèi)的時(shí)鐘計(jì)數(shù)增加;這一計(jì)數(shù)等于鍵盤上的開(kāi)關(guān)數(shù)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鍵盤的讀取方法，但可以用兩個(gè)4017計(jì)數(shù)器的剩余輸出來(lái)讀取10×10鍵盤。另外，必要時(shí)，還可以級(jí)聯(lián)更多的4017IC來(lái)擴(kuò)展鍵盤。