如何用单片机高效处理矩阵按键？

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! r2 [+ b' }9 F  k7 ^! _- I假设有一个4×4的矩阵按键，它由4行（Row）和4列（Column）组成，共16个按键。

通常，行连接到单片机的GPIO输出端，列连接到GPIO输入端，且列端口通常需要上拉电阻来保持默认高电平。
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硬件连接示例：
3 a$ K9 m+ L& r4 M! Z! u
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矩阵按键的基本扫描方法
8 R2 g% s( d. e* m$ f; _依次拉低每一行的电平，并读取列信号，判断是否有按键按下。
  }5 U, @( i/ K4 L% s
6 `+ G9 W# f3 l- o9 z4 x实现步骤：
4 Z1 b7 K3 X  m1 D

设定所有行（Row）为高电平，所有列（Column）为输入模式，并上拉。

依次将每一行拉低（低电平），然后读取所有列的状态。

如果某列检测到低电平，说明该行与该列的交点处按键被按下。

记录按键位置，并等待去抖动处理。

继续扫描下一行，直到所有行扫描完毕。
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示例代码（基于C语言）：
- }$ g/ }. `+ r
  u  y5 y" ~9 G& K
( k+ {% ]5 f2 j. I( v, S2 k

#define ROWS 4#define COLS 4constuint8_t row_pins[ROWS] = {ROW1, ROW2, ROW3, ROW4};constuint8_t col_pins[COLS] = {COL1, COL2, COL3, COL4};void scan_matrix_keypad() {    for (int i = 0; i         // 设定当前行为低电平        gpio_write(row_pins, LOW);        delay_us(5);  // 确保稳定        // 读取列状态        for (int j = 0; j             if (gpio_read(col_pins[j]) == LOW) {                printf("按键[%d,%d]被按下
", i, j);            }        }        // 恢复当前行为高电平        gpio_write(row_pins, HIGH);    }}
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" h6 M2 r9 q7 `8 q( w: P5 n低功耗优化
如果单片机支持外部中断，可以利用外部中断检测按键按下，降低CPU负载。
4 o4 d: O3 R7 ]: T
8 R  {% f' G5 T- ?- P: y  }方法如下：
- j6 V9 w4 x- h8 |" n

初始状态：所有行设为高电平，所有列配置为带上拉输入，并开启中断。

进入低功耗模式，等待外部中断。

当按键按下时，列引脚的电平变化触发中断。

进入中断后，采用行列扫描法识别具体按键。

处理按键逻辑后，恢复低功耗状态。


) k  @. B' x" ^  h) U8 I示例代码（基于C语言）：

void EXTI_Handler() {    for (int j = 0; j         if (gpio_read(col_pins[j]) == LOW) {            scan_matrix_keypad(); // 仅在有按键按下时扫描            break;        }    }}void setup() {    for (int i = 0; i         gpio_mode(row_pins, OUTPUT);        gpio_write(row_pins, HIGH);    }    for (int j = 0; j         gpio_mode(col_pins[j], INPUT_PULLUP);        attach_interrupt(col_pins[j], EXTI_Handler, FALLING);    }}
  d& d5 E. `+ u$ M3
按键去抖动策略
按键在机械接触时会出现抖动，可能会误触发多次按键事件，因此需要去抖动处理。
: Q1 G) o2 c" q, |
3.1、软去抖动
" z, `4 b1 r" c$ h! q' N5 k! r) y通过软件延迟来过滤抖动信号，例如检测到按键按下后，延迟20ms再次检测是否仍然按下。
  B, I; ]7 K# V: z

bool is_key_pressed(uint8_t row, uint8_t col) {    if (gpio_read(col_pins[col]) == LOW) {        delay_ms(20); // 20ms去抖        if (gpio_read(col_pins[col]) == LOW) {            return true;        }    }    return false;}
( O3 [/ |9 W$ y& s: l9 a9 K( z- D" i3.2、硬件去抖动
# J9 j. Y, l, }  i/ q6 S0 L可在矩阵按键电路中增加一个小电容（如0.1uF）或者使用施密特触发器来稳定按键信号。
) ]) Q; f3 G/ A+ Y. G

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在资源受限的嵌入式系统中，如果单片机 没有足够的外部中断资源，可以使用 定时器 进行周期性扫描矩阵按键，以减少CPU占用。
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同时，为了避免主循环（while(1)）中阻塞等待按键事件，使用FIFO（First In, First Out）队列 存储按键事件，以提高系统响应速度。
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进一步优化
基本原理：
* ?* u2 L5 s( C

定时器周期性触发扫描，间隔通常设为 10~20ms，以确保能及时捕获按键事件，同时避免过于频繁地占用CPU资源。

在定时器中断函数内，执行一次完整的行列扫描，如果检测到按键按下，则将其加入FIFO队列。
以下是基于 STM32 的 定时器中断方式 进行按键扫描的示例代码：

9 z! n4 R' N1 r, O/ N7 |! o# Q& C6 ~

#define ROWS 4#define COLS 4constuint8_t row_pins[ROWS] = {ROW1, ROW2, ROW3, ROW4};constuint8_t col_pins[COLS] = {COL1, COL2, COL3, COL4};// FIFO 队列结构体#define KEY_FIFO_SIZE 10typedefstruct {    uint8_t keys[KEY_FIFO_SIZE];  // 按键事件队列    uint8_t head;  // 队列头    uint8_t tail;  // 队列尾} KeyFIFO;KeyFIFO key_fifo = {{0}, 0, 0};// 按键事件入队void key_fifo_enqueue(uint8_t key) {    uint8_t next = (key_fifo.tail + 1) % KEY_FIFO_SIZE;    if (next != key_fifo.head) {  // 队列未满        key_fifo.keys[key_fifo.tail] = key;        key_fifo.tail = next;    }}// 读取FIFO队列中的按键uint8_t key_fifo_dequeue() {    if (key_fifo.head == key_fifo.tail) {        return0; // 队列为空    }    uint8_t key = key_fifo.keys[key_fifo.head];    key_fifo.head = (key_fifo.head + 1) % KEY_FIFO_SIZE;    return key;}// 定时器中断回调函数，每10ms扫描按键void TIM2_IRQHandler() {    for (int i = 0; i         gpio_write(row_pins, LOW);        delay_us(5); // 确保稳定        for (int j = 0; j             if (gpio_read(col_pins[j]) == LOW) {                uint8_t key_id = (i * COLS) + j + 1;                key_fifo_enqueue(key_id);            }        }        gpio_write(row_pins, HIGH);    }    TIM_ClearITPendingBit(TIM2, TIM_IT_Update);  // 清除定时器中断标志}// 定时器初始化void timer2_init() {    TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseStructure;    NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure;    RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM2, ENABLE);    TIM_TimeBaseStructure.TIM_Period = 10000 - 1;  // 10ms定时    TIM_TimeBaseStructure.TIM_Prescaler = 72 - 1;  // 1MHz时钟    TIM_TimeBaseInit(TIM2, &TIM_TimeBaseStructure);    TIM_ITConfig(TIM2, TIM_IT_Update, ENABLE);    TIM_Cmd(TIM2, ENABLE);    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = TIM2_IRQn;    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 0;    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 1;    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE;    NVIC_Init(&NVIC_InitStructure);}这样，我们就能在 低资源占用 和 高响应速度 之间取得 良好平衡，构建更高效的 单片机矩阵按键控制系统。

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