矩阵键盘是什么？矩阵键盘怎么用？

背景介绍：
4*4矩阵键盘 8 根线能获取 16 个键的状态，在需要多个按键的场合特别适用。
Sugar 因授课需要在网上查了不少讲解矩阵键盘的资料，觉得可以再努努力让这个知识更易懂一点。
下面就来看看 Sugar 怎么努力的吧。

矩阵键盘是什么

矩阵键盘就是按一定规律连在一起的一堆开关。

Sugar 从深圳优信电子买到的矩阵键盘长成这样的（Sugar 买过不少散电子元件，优信从未出过错，所以在这里提个名）。

这一堆开关的连接情况是这样的：

矩阵键盘怎么用

矩阵键盘需要接到单片机上用。

一、怎么连线
网上能找到的是接到 STM32、Arduino 和 C51 单片机上的。Sugar 今天给出个不同的：接到 ESP8266 物联网模块上用。接法如下图：

实物连接如下图：

注意：GPIO16 在 ESP8266 内部没有上拉电阻，所以要外接上拉电阻，上图中 Sugar 接了一个 10k 的色环电阻当作 GPIO16 的上拉电阻。其余接口（GPIO12、GPIO13、GPIO14）可配置内部上拉，配置方式是（以 Arduino 开发为例）：
pinMode(12, INPUT_PULLUP);pinMode(13, INPUT_PULLUP);pinMode(14, INPUT_PULLUP);123二、怎么使用
1、默认状态下，让输出口统一输出低电平，如下图：

不难看出行引脚（1、2、3、4 引脚）都是低电平，因为没有按键按下，所以列引脚（5、6、7、8 引脚）被上拉都是高电平。这样在读取 GPIO12、GPIO13、GPIO14、GPIO16 的时候都会读到高电平。
2、当有按键被按住的时候（例如按下 K7）如下：

聪明的你一定会发现，按矩阵键盘的连接方式，不论按下 K3、K7、K11 或 K15 都会导致 GPIO14 读到低电平。也就是说在 GPIO14 读到低电平时并不能确定是哪一行的按键被按住了，所以需要进一步操作来确认：究竟是哪一行的按键被按住了。
3、逐行扫描确定按键的方法是：输出端（GPIO4、GPIO0、GPIO2 和 GPIO15）依次输出低电平，每次输出后都去读一下输入端，直到输入端读到低电平为止。系列图示如下：




我们看到在逐行扫描过程中，只有当扫描到被按住的键所在行列的时候，输入端才会读到低电平。那么我们就可以通过记录行号和列号来确定是哪一个键被按住了。
把上面的图片连起来，整体的过程是这样的：

怎么编程

Sugar 在 VSCode 下使用 platformio 写代码，用的是 Arduino 库。

为了避免像很多网上的程序那样使用过多的移位操作，Sugar 使用 union struct 的方式来标记行号与列号，如下：
typedef union{  struct{    uint8_t r1 : 1;    uint8_t r2 : 1;    uint8_t r3 : 1;    uint8_t r4 : 1;    uint8_t c1 : 1;    uint8_t c2 : 1;    uint8_t c3 : 1;    uint8_t c4 : 1;  };  uint8_t value;}keyboard;12345678910111213这样我们就可以写一个统一的读取列装态的函数，如下：
void read_column(){  key.c1 = digitalRead(13);  key.c2 = digitalRead(12);  key.c3 = digitalRead(14);  key.c4 = digitalRead(16);}1234567对于输出口，Sugar 封装一个 write_row() 函数来记录 key.r1~key.r4 的状态，如下：
void write_row(uint8_t pin, uint8_t value){  digitalWrite(pin, value);  switch(pin){    case 0:{      key.r3 = value;      //Serial.printf("r3: %drn", key.r3);      break;    }    case 2:{      key.r2 = value;      //Serial.printf("r2: %drn", key.r2);      break;    }    case 4:{      key.r4 = value;      //Serial.printf("r4: %drn", key.r4);      break;    }    case 15:{      key.r1 = value;      //Serial.printf("r1: %drn", key.r1);      break;    }  }}1234567891011121314151617181920212223242526至此，union struct 的所有位都有相应的取值方法了，现在可以按上面说过的矩阵键盘使用方法来完成键盘扫描函数 key_scan() 如下：
void key_scan(){  write_row(15, 0);  write_row(2, 0);  write_row(0, 0);  write_row(4, 0);  read_column();  if((key.value & 0xF0) != 0xF0){    delay(10);    if((key.value & 0xF0) != 0xF0){      stage = GET_ROW;    }  } else {    key_value = NONE;  }    if(stage == GET_ROW){    for(uint8_t i=0; i<4; i++){      switch(i){        case 0:{          write_row(15, 0);          write_row(2, 1);          write_row(0, 1);          write_row(4, 1);          read_column();          break;        }        case 1:{          write_row(15, 1);          write_row(2, 0);          write_row(0, 1);          write_row(4, 1);          read_column();          break;        }        case 2:{          write_row(15, 1);          write_row(2, 1);          write_row(0, 0);          write_row(4, 1);          read_column();          break;        }        case 3:{          write_row(15, 1);          write_row(2, 1);          write_row(0, 1);          write_row(4, 0);          read_column();          break;        }      }      get_key_val();         if(key_value != NONE){        break;      }       }    stage = DONE;  }}12345678910111213141516171819202122232425262728293031323334353637383940414243444546474849505152535455565758596061上面只给出了关键代码，像键值获取函数 get_key_val() 和状态机的写法都没有展开来是因为：展开全部代码太占篇幅了。想要全部代码的读者可以在“关于我”页面最下方加 Sugar 为好友索取。
为了证实 Sugar 上文所述真实有效，这里放一个 10 秒钟的矩阵键盘控制 ESP8266 Wifi 小车的视频：


wifi car


PS

相对于 Sugar 的麦轮车，这个 ESP8266 Wifi 小车既便宜又简单，是初入门创客动手实践的上上之选。小车是用 Mixly 的 Scratch 图形化编程写的程序，这里用到了来自 CSDN 的 Mixly ESP8266 Wifi 开发包，链接如下：
https://download.csdn.net/download/qq_27163873/10654977
这个 Mixly 包因缺少一个积木块程序而无法完成双 ESP8266 之间的互联（一个 AP Server，另一个 STA Client 互联），所以 Sugar 在其基础上做了进一步完善，使之能够不依赖路由器完成双 ESP8266 通信，如下：

想要整套完成程序的读者可以加 Sugar 为好友索取（不支持伸手党，所以不是免费的，但不标价，随意给个打赏就好）。