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STC8单片机矩阵按键控制的功能实现

news 2025/8/19 13:22:07

STC8 单片机矩阵按键控制：从原理到功能实现（附完整代码）

在单片机项目中，当需要多个按键（如 6 个以上）时，传统 “一对一 IO 口” 的独立按键方案会严重浪费 IO 资源。而矩阵按键通过 “行 / 列交叉扫描”，仅需N+M个 IO 口即可实现N×M个按键功能（如 4 行 4 列仅需 8 个 IO，实现 16 个按键），是高按键数量场景的最优选择。

一、矩阵按键核心原理（先搞懂再动手）

矩阵按键由 “行线” 和 “列线” 交叉组成，按键两端分别接在一条行线和一条列线上（如 4×4 矩阵：4 条行线 + 4 条列线，共 16 个交叉点，对应 16 个按键）。其检测核心是 **“逐行拉低 + 逐列检测”**：

行线控制：将某一行线拉低（输出低电平），其他行线拉高（输出高电平）；
列线检测：读取所有列线的电平，若某一列线为低电平，说明 “当前拉低的行线” 与 “该列线” 交叉处的按键被按下；
循环扫描：依次拉低每一行，重复步骤 2，即可检测所有按键的按下状态。

以 4×4 矩阵为例，若 “行 2 拉低时，列 3 检测到低电平”，则对应按键为 “行 2 列 3”（需提前定义按键编号与行 / 列的对应关系）。

二、项目硬件清单与接线（4×4 矩阵为例）

STC8 单片机 IO 口充足，推荐选择 P1 口（8 个 IO）实现 4×4 矩阵按键（4 行 + 4 列），硬件成本极低，仅需按键、杜邦线和面包板：

硬件模块	规格 / 型号	作用说明
STC8 单片机	STC8A8K64U（或同系列）	主控，实现按键扫描与功能控制
矩阵按键	4×4 薄膜按键（或独立按键搭建）	输入设备，提供 16 个按键控制信号
面包板 + 杜邦线	通用规格	搭建电路，连接单片机与按键
上拉电阻（可选）	10kΩ（4 个）	若行 / 列线无内部上拉，需外接确保电平稳定

硬件接线图（关键！按此接线避免错误）

STC8 的 P1 口分为 “行线” 和 “列线”，建议将高 4 位设为行线（输出），低 4 位设为列线（输入），接线如下：

STC8 单片机引脚	矩阵按键引脚	角色	备注
P34	行 1（Row1）	输出	控制该行电平（拉低 / 拉高）
P35	行 2（Row2）	输出	-
P40	行 3（Row3）	输出	-
P41	行 4（Row4）	输出	-
P03	列 1（Col1）	输入	检测该列电平（判断按键是否按下）
P06	列 2（Col2）	输入	-
P07	列 3（Col3）	输入	-
P17	列 4（Col4）	输入	-
GND	矩阵按键 GND	接地	所有按键的公共端需接地

注意：STC8 的 IO 口可配置为 “准双向口”（默认），准双向口作输入时需先拉高（避免电平不确定），因此列线无需额外上拉电阻（软件拉高即可）。

三、软件核心实现（从扫描到功能）

矩阵按键的软件核心是 **“消抖 + 扫描 + 按键编码”**：消抖避免按键机械抖动导致误触发，扫描获取按键位置，编码将 “行 / 列坐标” 转为便于使用的按键编号（如 0-15）。以下代码基于 Keil C51 开发，兼容 STC8 全系列单片机。

1. 第一步：基础定义与消抖函数（避免误触发）

按键按下时会有 10-20ms 的机械抖动（电平反复跳变），需通过 “延时消抖” 或 “多次检测” 确保按键状态稳定。这里采用 “延时消抖”（简单易懂，适合新手）。

代码文件：`MatrixKey.h`（头文件）

#ifndef __MATRIX_KEYS__
#define __MATRIX_KEYS__#include "GPIO.h"#define MK_USE_DOWN 	1
#define MK_USE_UP	 	1
// 只是做声明，用户使用的时候，相应开关打开，函数同时一定要定义
// 按下的回调函数
void MK_on_keydown(u8 row, u8 col);
// 抬起的回调函数
void MK_on_keyup(u8 row, u8 col);// 初始化
void MK_init();// 扫描按键
void MK_scan();#endif

代码文件：`MatrixKey.c`（延时消抖函数）//在按键后面加个NOP10();就好

// 扫描按键
void MK_scan() {u8 r, c;for (r = 0; r < 4; r++) { // 检查行  r = 0~3NOP2(); // 可选的延时，可以不写row_out(r); // 设置行引脚for (c = 0; c < 4; c++) { // 列if (IS_KEY_UP(r, c) && col_in(c) == DOWN) { // 上一次抬起，当前按下，按下才有效SET_KEY_DOWN(r, c);  // 保存状态// printf("第 %d 行第 %d 列 按下\n", (int)(r+1), (int)(c+1));#if MK_USE_DOWNMK_on_keydown(r, c);#endif} else if (IS_KEY_DOWN(r, c) && col_in(c) == UP) { // 上一次按下，当前抬起，抬起才有效SET_KEY_UP(r, c);// printf("第 %d 行第 %d 列 抬起\n", (int)(r+1), (int)(c+1));#if MK_USE_UPMK_on_keyup(r, c);#endif}}	}
}

2. 第二步：矩阵按键扫描函数（核心算法）

扫描函数通过 “逐行拉低→逐列检测” 实现按键位置识别，步骤如下：

初始化行线（全部拉高）、列线（全部拉高，确保输入电平稳定）；
逐行拉低当前行，其他行保持拉高；
检测所有列线，若某列电平为低，说明对应按键按下，进行消抖后返回按键编号；
若所有行扫描完成无低电平，返回 “无按键”（KEY_NONE）。

代码片段：`MatrixKey.c`（扫描函数实现）

#include "MatrixKeys.h"#define		COL1	P03  // 列引脚
#define		COL2	P06
#define		COL3	P07
#define		COL4	P17
#define		ROW1	P34	 // 行引脚
#define		ROW2	P35
#define		ROW3	P40
#define		ROW4	P41#define		DOWN	0
#define		UP		1u16 states = 0xffff;  // 每个按键都是1，都是抬起#define  IS_KEY_UP(r, c)   		((states >> (r*4+c) & 1) == 1)   // 取出第n位，判断是1
#define  IS_KEY_DOWN(r, c) 		((states >> (r*4+c) & 1) == 0)   // 取出第n位，判断是0
#define  SET_KEY_UP(r, c)   	(states |= (1 << (r*4+c)))    // 第n位置1
#define  SET_KEY_DOWN(r, c) 	(states &= ~(1 << (r*4+c)))  // 第n位置0void row_out(u8 r) {COL4 = COL3 = COL2 = COL1 = 1;ROW1 = r == 0 ? 0 : 1;ROW2 = r == 1 ? 0 : 1;ROW3 = r == 2 ? 0 : 1;ROW4 = r == 3 ? 0 : 1;
}u8 col_in(u8 c) {if (c == 0) return COL1; // 返回列引脚的电平的值if (c == 1) return COL2;if (c == 2) return COL3;if (c == 3) return COL4;return 0;
}// 初始化
void MK_init() {// P03 06 07P0_MODE_IO_PU(GPIO_Pin_3 | GPIO_Pin_6 | GPIO_Pin_7);// P17P1_MODE_IO_PU(GPIO_Pin_7);// P34 35P3_MODE_IO_PU(GPIO_Pin_4 | GPIO_Pin_5);// P40 41P4_MODE_IO_PU(GPIO_Pin_0 | GPIO_Pin_1);
}// 扫描按键
void MK_scan() {u8 r, c;for (r = 0; r < 4; r++) { // 检查行  r = 0~3NOP2(); // 可选的延时，可以不写row_out(r); // 设置行引脚for (c = 0; c < 4; c++) { // 列if (IS_KEY_UP(r, c) && col_in(c) == DOWN) { // 上一次抬起，当前按下，按下才有效SET_KEY_DOWN(r, c);  // 保存状态// printf("第 %d 行第 %d 列 按下\n", (int)(r+1), (int)(c+1));#if MK_USE_DOWNMK_on_keydown(r, c);#endif} else if (IS_KEY_DOWN(r, c) && col_in(c) == UP) { // 上一次按下，当前抬起，抬起才有效SET_KEY_UP(r, c);// printf("第 %d 行第 %d 列 抬起\n", (int)(r+1), (int)(c+1));#if MK_USE_UPMK_on_keyup(r, c);#endif}}	}
}

优化说明：代码中 “等待按键释放”（

while(COLx == 0)

）可避免长按导致的重复触发，若需要 “长按连发” 功能，可删除该句，并在主函数中通过定时判断长按时间。

3. 第三步：主函数实现（按键功能控制）

主函数通过循环调用扫描函数获取按键状态，再根据按键编号执行对应功能（这里以 “控制 LED 亮灭” 为例，实际可替换为 “调节屏幕显示、控制电机、设置参数” 等功能）。

代码文件：`main.c`（功能实现）

#include    "GPIO.h"
#include	"Delay.h"
#include 	"UART.h"	// 串口配置 UART_Configuration
#include 	"NVIC.h"	// 中断初始化NVIC_UART1_Init
#include 	"Switch.h"  // 引脚切换 UART1_SW_P30_P31#include "MatrixKeys.h"void GPIO_config() { GPIO_InitTypeDef info;// ===== UART1  P30  P31  准双向info.Mode = GPIO_PullUp; 				// 准双向info.Pin = GPIO_Pin_0 | GPIO_Pin_1;   	// 引脚GPIO_Inilize(GPIO_P3, &info);
}// 串口配置函数的定义
void UART_config(void) {// >>> 记得添加 NVIC.c, UART.c, UART_Isr.c <<<COMx_InitDefine		COMx_InitStructure;					//结构定义COMx_InitStructure.UART_Mode      = UART_8bit_BRTx;	//模式, UART_ShiftRight,UART_8bit_BRTx,UART_9bit,UART_9bit_BRTxCOMx_InitStructure.UART_BRT_Use   = BRT_Timer1;			//选择波特率发生器, BRT_Timer1, BRT_Timer2 (注意: 串口2固定使用BRT_Timer2)COMx_InitStructure.UART_BaudRate  = 115200ul;			//波特率, 一般 110 ~ 115200COMx_InitStructure.UART_RxEnable  = ENABLE;				//接收允许,   ENABLE或DISABLECOMx_InitStructure.BaudRateDouble = DISABLE;			//波特率加倍, ENABLE或DISABLEUART_Configuration(UART1, &COMx_InitStructure);		//初始化串口1 UART1,UART2,UART3,UART4NVIC_UART1_Init(ENABLE,Priority_1);		//中断使能, ENABLE/DISABLE; 优先级(低到高) Priority_0,Priority_1,Priority_2,Priority_3UART1_SW(UART1_SW_P30_P31);		// 引脚选择, UART1_SW_P30_P31,UART1_SW_P36_P37,UART1_SW_P16_P17,UART1_SW_P43_P44
}// 按下的回调函数
void MK_on_keydown(u8 r, u8 c) {
//	printf("第 %d 行第 %d 列 按下\n", (int)(r+1), (int)(c+1));if (r == 0 && c == 0) { // 从0开始计算printf("===========key1按下=========\n");} else if ((r+1) == 4 && (c+1) == 4) { // 从1开始printf("===========key16按下=========\n");}
}// 抬起的回调函数
void MK_on_keyup(u8 r, u8 c) {
//	printf("第 %d 行第 %d 列 抬起\n", (int)(r+1), (int)(c+1));if (r == 0 && c == 0) {printf("===========key1抬起=========\n");} else if ((r+1) == 4 && (c+1) == 4) {printf("===========key16抬起=========\n");}
}void main() {EA = 1; // 使能中断总开关GPIO_config(); // GPIO配置UART_config(); // 串口配置MK_init();  // 矩阵按键while (1){MK_scan();delay_ms(20);}}