非阻塞式如何读取矩阵按键？

这个教程是在电协培训新生的一点点心得，旨在解决许多人学习单片机，对按键的一个困惑：按键的非阻塞式消抖。如何在不消耗很多时间的情况下，有效地消抖，具有非常实际的意义。
本文就把一个循序渐进的对按键处理的理解记录下来，方便大家学习，由于本人已投入半导体器件的学习，很久没有接触数字电路，如有错误，还请读者指出。
本文注重方法的连续演化，遵循事物的发展规律，如需要计数式非阻塞矩阵按键读取方法，直接翻到最后即可，最后我将给出本文所讲的所有代码，屏蔽掉，稍加修改端口可以在51单片机上实现，体会每种方法的利弊，和更好的方法的思想。
另外我将给出一个应用，证明非阻塞，特征次数可变的按键检测的优势。
1、按键的基本读取


如上图，是单片机常用的两种开关，其内部结构，由于弹性金属触点的接触，进而触发了两个引脚的开路和短路。

独立按键的检测原理：
从单片机核心板的原理图上可以看到，在按键未按下时，KEY是断开的，单片机IO口通过限流电阻与VCC相连，则IO口处于被拉高的状态。
按键被按下时，则KEY接通，电阻右端为理想的0V状态，IO口接在电阻右端，处于被拉低的状态。
单片机通过读这些引脚状态就能够判断按键处于什么状态。
根据这个思想，代码如下：

void main(void)
{
    while (1)
    {
        if (key0 == 0)
        {
            led = !led;
        }
    }
}
2、delay延时消抖：解决抖动问题

上面的代码，效果不好？那一定是按键消抖的问题

通常按键所用的开关都是机械弹性开关，当机械触点断开、闭合时，由于机械触点的弹 性作用，一个按键开关在闭合时不会马上就稳定的接通，在断开时也不会一下子彻底断开， 而是在闭合和断开的瞬间伴随了一连串的抖动。
那么，如何消抖呢？
一种是硬件消抖，用电容导走信号的高频分量，也就是抖动部分。

另一种就是软件消抖：

void main(void)
{
    while (1)
    {
        if (!key0)
        {
            delay_ms(10);
            if (!key0)
            {
                led = !led;
                //while (!key0);
            }
        }
    }
}
这种方法也有弊端，不用while卡住，那么按住按键，则每次都会进入循环，大多数应用情景，我们都希望按一次按键，单片机做一次响应，用了while，那么主循环就会卡在这里不能往下进行，这对于大多数情况下都是致命的，应该尽量避免。
3、标志位：解决单次按下难题

这种方法基于上面提到的问题做了改进，主要思想是定义一个变量，储存按键的状态，只有在弹起状态的时候按下，才算做一次有效按下，在else if中更新为按键弹起状态。

void main(void)
{
    unsigned char key0_stat;
    while (1)
    {
        if (key0_stat == 1 && key0 == 0)
        {
            delay_ms(10);
            key0_stat = 0;
            led = !led;
        }
        else if (key0_stat == 0 && key0 == 1) key0_stat = 1;
    }
}
4、 计数：解决阻塞问题

上一种方法已经能用，但是远远称不上好用，为什么？因为那个10ms的延时，我们说延时的目的是为了避开那个我们处理不了的抖动过程，但是延时必然有弊端，尤其是这种延时这么长时间，什么事都不干，无论从系统实时性角度，还是资源利用率角度，都是不能允许存在的。那么有没有别的方法避免呢？

上面的图，展示了按键从按下到松开，单片机以较高频率采集IO口状态的过程，那么，我们能从中提取出标志着按下并稳定的一种关键特征吗？
没错，就是能够在一段时间内持续、稳定保持在低电平状态，也就是按下的前几个0。
这样是不是可以避免那个恼火的延时过程呢？
先看代码：

void main(void)
{
    unsigned int count = 0;
    while (1)
    {
        if (!key0)
        {
            if (count <= 100) count++;
        }
        else count = 0;
        if (count == 100)
        {
            led = !led;
        }
    }
}
根据上面的理论分析，我们想到了连续多次读引脚状态，只有在稳定按下的时候，才判断为真正按下了按键。
第一个if，判断按键按下的过程，只要检测到按下，就会进入，只要count小于101，就+1，这个变量就通过值来反应按下的时间，中间有任何抖动，一旦被读入高电平，这个count就会被重新置0，打断了连续计数的状态，只有按键稳定，count才能被加到101，并且只要按键不松开，count的值就会稳定在101。
然后在主循环中另外判断，只要conut等于100，就说明经历了一次按下的状态，并且一次按下，只会触发一次，这样就避免了疯狂按下的bug，这样的程序也几乎不会干扰主循环中的其他程序。
5、扩展到矩阵按键


矩阵按键的特点：
电路结构复杂，但提高了I/O引脚的利用率，软件编程较复杂，适用于所需按键较多的场合。
矩阵按键程序实现的两种方法：
一是行扫描法，二是线反转法。两种方法大同小异，我们这里用最常用的行扫描法。
可以看到，矩阵按键通过8个IO口，就能够驱动16个按键，这是因为分别动用了4个IO口来操作4行4列的线，通过这样的排布，以及扫描软件，就能实现读。那么在程序中我们又如何进行这项操作呢？

void main(void)
{
    int i, j;
    unsigned int cnt[16] = {0};
    while (1)
    {
        P2 = 0xff;  //P2口全部置高
        for (i = 0; i < 4; i++)  //循环，每次拉低一列
        {
            set_row(i, 0);  //拉低一列
            for (j = 0; j < 4; j++)  //循环，每次检测一行
            {
                if (get_line() == j)  //检测到行被拉低
                {
                    if(cnt[4*i+j] <= 100) cnt[4*i+j]++;  //对应的按键计数加一
                }
                else cnt[4*i+j] = 0;  //低电平，按键松开或抖动过程，对应的按键计数清零
            }
            set_row(i, 1);  //重新拉高这一列
        }
        
        //if (cnt[0] == 100) led = !led;
        for (i = 0; i < 4; i++)  //检测计数值经过100的按键，并用LED显示
        {
            for (j = 0; j < 4; j++)
            {
                if (cnt[4*i+j] == 100) P0 = ~(4*i+j);
            }
        }
    }
}


为了方便使用，两个函数定义为：
void set_row(unsigned char row, unsigned char stat)
{
    switch (row)
    {
        case 0: row0 = stat; break;
        case 1: row1 = stat; break;
        case 2: row2 = stat; break;
        case 3: row3 = stat; break;
    }
}


unsigned char get_line(void)
{
    unsigned char line = 4;
    if (line0 == 0) line = 0;
    if (line1 == 0) line = 1;
    if (line2 == 0) line = 2;
    if (line3 == 0) line = 3;
    return line;
}
这就是按键扫描检测的核心代码，可以看到，代码形式与上面刚刚讲过的最优的独立按键检测方式非常相似。
不同就在于两点：

• 1、通过外层for循环，依次拉低一列，通过内层循环检测每一行，这段对应之前的检测单个按键的代码
  
• 2、通过一个16个u8的数组，存储16个按键对应的计数状态，低电平加一，高电平清零，另外的循环检测是否计数足够也是在循环中检测，这段对应之前的判断if(count==100)_的代码。
  
  

这样，便实现了非阻塞的形式读取矩阵按键。
6、全部代码

为了方便大家学习，我贴出全部代码，可以在STC89C52平台跑通，请自行屏蔽注释不需要的main函数。

#include "reg52.h"
#include


***it led = P0^0;


***it key0 = P3^3;
***it key1 = P2^3;
***it key2 = P2^4;


***it row0 = P2^3;
***it row1 = P2^2;
***it row2 = P2^1;
***it row3 = P2^0;
***it line0 = P2^7;
***it line1 = P2^6;
***it line2 = P2^5;
***it line3 = P2^4;


void delay_ms(unsigned int a);                //@11.0592MHz
void set_row(unsigned char row, unsigned char stat);
unsigned char get_line(void);


void main(void)
{
    while (1)
    {
        if (key0 == 0)
        {
            led = !led;
        }
    }
}


//void main(void)
//{
//    while (1)
//    {
//        if (!key0)
//        {
//            delay_ms(10);
//            if (!key0)
//            {
//                led = !led;
//                //while (!key0);
//            }
//        }
//    }
//}


//void main(void)
//{
//    unsigned char key0_stat;
//    while (1)
//    {
//        if (key0_stat == 1 && key0 == 0)
//        {
//            delay_ms(10);
//            key0_stat = 0;
//            led = !led;
//        }
//        else if (key0_stat == 0 && key0 == 1) key0_stat = 1;
//    }
//}


//void main(void)
//{
//    unsigned int count = 0;
//    while (1)
//    {
//        if (!key0)
//        {
//            if (count <= 100) count++;
//        }
//        else count = 0;
//        if (count == 100)
//        {
//            led = !led;
//        }
//    }
//}


//void main(void)
//{
//    int i, j;
//    unsigned int cnt[16] = {0};
//    while (1)
//    {
//        P2 = 0xff;  //P2口全部置高
//        for (i = 0; i < 4; i++)  //循环，每次拉低一列
//        {
//            set_row(i, 0);  //拉低一列
//            for (j = 0; j < 4; j++)  //循环，每次检测一行
//            {
//                if (get_line() == j)  //检测到行被拉低
//                {
//                    if(cnt[4*i+j] <= 100) cnt[4*i+j]++;  //对应的按键计数加一
//                }
//                else cnt[4*i+j] = 0;  //低电平，按键松开或抖动过程，对应的按键计数清零
//            }
//            set_row(i, 1);  //重新拉高这一列
//        }
//        
//        //if (cnt[0] == 100) led = !led;
//        for (i = 0; i < 4; i++)  //检测计数值经过100的按键，并用LED显示
//        {
//            for (j = 0; j < 4; j++)
//            {
//                if (cnt[4*i+j] == 100) P0 = ~(4*i+j);
//            }
//        }
//    }
//}


void delay_ms(unsigned int a)                //@11.0592MHz
{
        unsigned char i, j;
    unsigned int k;
    for (k = 0; k < a; k++)
    {
        _nop_();
        i = 2;
        j = 199;
        do
        {
            while (--j);
        } while (--i);
    }
}


void set_row(unsigned char row, unsigned char stat)
{
    switch (row)
    {
        case 0: row0 = stat; break;
        case 1: row1 = stat; break;
        case 2: row2 = stat; break;
        case 3: row3 = stat; break;
    }
}


unsigned char get_line(void)
{
    unsigned char line = 4;
    if (line0 == 0) line = 0;
    if (line1 == 0) line = 1;
    if (line2 == 0) line = 2;
    if (line3 == 0) line = 3;
    return line;
}