基于STM32的矩阵键盘识别算法研究与实现

电子基础 基于S T M 3 2 的矩阵键盘识别算法研究与实现 陈丙山，侯志伟，张永平，景江鹏 兰州石化职业技术大学电子电气Z - 程学院，甘肃兰州，73 0 0 60 基金项目甘肃省大学生创新创业训练计划项目 S 2 0 2 3 1 6 2 0 9 0 0 3 ；甘肃省高等学校创新基金项目 2 0 2 1 B3 9 2 ；甘肃省自然科学基金 2 0 JR 5 R A 3 7 7 。 摘要矩阵键盘作为电子设备和仪器装置的人机交互重要媒介，针对数字密码锁、临时存取柜、电梯控制器等多按键应用场景的实际需求， 本文采用S T M 3 2 F 1 0 3 C 8 作为主控器，详细介绍了以行列扫描法、行列线反法识别5 4 5 行4 列 矩阵键盘的优化算法，并提出了以1 6 位并行端 口I2 C 扩展器P C A 9 5 5 5 a 为纽带的矩阵键盘识别方法。实验结果表明，本文识别方法稳定可靠、简洁清晰、通用性好以及效率更高，能够有效 满足相关应用场景中对多按键识别的实际应用需求。 关键词辐矩阵键盘；S T M 3 2 F 1 0 3 C 8 ；识别算法；行列扫描法；行列线反法；1 2 C 扩展器 0 引言 按键是嵌入式应用系统 中重要的人机交互工具，能 够更好地实现用户与系统之 间的沟通与交互D - 2 ] 。实现 按键交互的主要结构方式有 独立按键和矩阵键盘[ 3 - 4 ] ， 其中独立按键的识别效率很 高、硬件连接电路简单，但 每个按键都要占用一根i ／o 口引脚，比较适用于少按键 的应用场景，对于按键数量 较多的情况下，为节省i ／o 口资源，需考虑使用矩阵键 盘结构形式，矩阵键盘由多 个行线和多个列线交织组成， 图l 扫描法硬件连接电路 广泛应用于数字密码锁、, 缶m - j 存取柜、电梯控制器等多按键场景。5 喝J 。因此，矩阵键盘作 为电子设备和仪器装置的人机交互重要媒介，相应也提高了 软件编程的复杂度，本文针对矩阵键盘识别时间长、电路扩 展性差、通用性低等问题，详细介绍了以行列扫描法、行列 线反法识别5 x 4 5 行4 列 矩阵键盘的优化方法，并提出 了以1 6 位并行端口1 2 C 扩展器P C A 9 5 5 5 a 为纽带的矩阵键 盘识别方法，以满足相关应用场景中对多按键识别的实际应 用需求。 1 方案设计 矩阵键盘与处理器的硬件连接结构有直连法和扩展法 两种方式[ g q o ] ，为适用于更多按键的应用场景，通常采用并 行端口扩展器的方式。识别矩阵键盘中某个按键按下的位 置，主要有扫描法、线反法、中断法等方式，其识别方法包 括获取行列位置、键值编码、确定键号以及延时消抖等。 9 6 电子制作2 0 2 4 年3 月 ■1 ．1 扫描法 矩阵键盘硬件连接电路如图l 所示，主控器 S T M 3 2 F 1 0 3 C 8 与5 行4 列矩阵键盘的连接关系为 P B T P B I L 分别连接矩阵键盘的行线，P B l 2 一P B l 5 分别连 接矩阵键盘的列线；V I R T U A LT E R M I N A L 用来调试输出过 程信息；P A 0 为处理器正常工作指示灯。 根据行线列线的高低电平来识别是否有按键按下，从 而获取按键值。行列扫描法的识别思路为将列线G P I O 口 P B l 2 一P B l 5 设置为输出模式，行线G P I O 口P B 7 ～P B l l 设 置为输入模式，采用“写列线，读行线”的方式逐列扫描， 读行判断是否有按键按下，其主要步骤为 第一步，置第l 列为低电平，其余列为高电平，那么 列线P B l 2 一P B l 5 的c o l v a I 值为1 1 1 0 ； 第二步，读取行线数据，行线有低电平表示该行有按 键按下，例如当按下的按键在第l 行时，第l 行的行线i ／o 口为低电平，那么行线P B 7 一P B l l 的r o w v a I 值为i i i i 0 ， 万方数据 电子基础 如表l 所示。将r o w v a I 值按位取反得到行线二进带0 值 为0 0 0 0 1 - I - 进制为1 。同理，第2 行的行线二进制值为 0 0 0 1 0 十进制为2 ，第3 行的行线二进制值为0 0 1 0 0 十 进制为8 ，第4 行的行线二进制值为0 1 0 0 0 - I - 进制为 1 6 ，第5 行的行线二进制值为1 0 0 0 0 - I - 进制为3 2 。 表1 第1 N 为低电平时读取的行线值 歹线行线 第4 列第3 列第2 列第l 列第5 行第4 行第3 行第2 行第l 行 P B l 5P B l 4P B l 3P B l 2P B l lP B I OP B 9P B 8P B 7 llllO lll O l lll O ll O ll lOlll 0llll 由此可见，按键按下的所在行k e y r o w 与读取行值 r o w v a l 按位取反的值呈现的数掌关系式为 七哕加w 1 。g ～ 7 。w ”以7 7 o x 0 0 1 ， 式 1 1 0 9 ～ r o w v a l 7 0 x 0 0 1 F ／l o g 2 式 1 中，C 语言m a t h ．h 头文件里l o g 函数为基数为 e 的对数； 第三步，计算按下按键的键号k e y v a l ，与所在行 k e y r o w 的计算同理，按键按下的所在列k e y c o l 与设置行 值c o l v a l 按位取反的值呈现的数学关系式为 坳。。7 1 。g ～ 。。7 ”以7 12 o 加o o F 式 2 l o g ～ c o l v a l 1 2 O x O O O F ／l o g 2 那么，按键按下对应的键号k e y v a l 为 k e y v a l k e y r o w 4 k e y c o l 式 3 第四步，按以上步骤以此类推逐列扫描完所有列。 本文矩阵键盘按键识别优化算法极大避免了键值编码 和查表取值的繁琐工作。 ■1 ．2 线反法 采用“写列线，读行线”的方式需要逐列进行扫描，完 成全部列的扫描其识别时间长、效率低。因此，逐行或逐列 扫描法较为繁琐，在实际的嵌入式应用系统中更常用的是线 反法。线反法的识别思路为行线输出，列线输入，行线置0 ， 列线置l ，按键按下时，列线被拉低，读取列线值确定低电 平在哪一列；同理，行线输入，列线输出，行线置l ，列线 置0 ，按键按下时，行线被拉低，读取行线值确定低电平在 哪一行；根据按键所在的行线与列线，即可唯一确定按键所 在位置，进而获取按键的键值。其主要操作步骤为 第一步，将行线P B 7 一P B l l 设置为输出模式，列线 P B l 2 一P B l 5 设置为输入模式。 设置方式如下 G P I O B 一 C R L ＆ 0 x