如何用单片机高效处理矩阵按键？

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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。
5 h$ m- A' c, c  f! Z
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。
, e: F3 L& q% H2 s6 V; w3 a
. z, p  h+ r5 r! u/ p硬件连接示例：

' d* D6 R- }3 _3 P

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! ?, F/ g* [/ z$ U% y1
矩阵按键的基本扫描方法
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。
+ f7 X, @& {8 L( E( G
实现步骤：

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。

* i  _- ^+ ?  p1 k" ?
示例代码（基于C语言）：

  o+ Z( r, J) v1 [, E' v
9 v$ K# [. b4 V' s7 l# 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);    }}
2
低功耗优化
9 i; w) u9 U0 V% |' e2 q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。

方法如下：
: B* i4 R8 p4 S' z& @$ r

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。
6 u/ p; t  t0 p! \4 X- i

示例代码（基于C语言）：
9 Z; F; _3 F; J6 m- @* q. G" G. R
2 G: }2 o2 l& D7 w

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);    }}
" @1 M( y$ D! h  K3
按键去抖动策略
0 P5 \7 {0 f. c9 ^, D+ C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。

, A& s: }% D* K( L+ @7 h/ x3.1、软去抖动
7 ~- ^1 [) T  Y7 a0 p' ^: X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。

# Z5 w1 o! Q3 D# B

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;}
6 W' A7 u, i; I$ C  p. e: M3.2、硬件去抖动
0 l$ H1 H, X. a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。

, n0 B, ~- w, J0 a

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: W" ]* |( r1 e. h4 B6 g3 p8 B
, @2 _2 y$ U9 N! D: Q& B" C- _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。
3 v% g2 u  [+ X4 V; ]$ I
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。
4
进一步优化
6 Z* G5 j' v! D# {1 z! h8 e/ f6 D" F7 E基本原理：

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。
6 Y& K) h4 G& l8 q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：

5 Z! _" b5 U5 C

#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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