51单片机入门 - 简短的位运算实现扫描矩阵键盘

介绍

例程使用 SDCC 编译、 stcgal 烧录，如果你想要配置一样的环境，可以参考本专栏的第一篇文章“51单片机开发环境搭建 - VS Code 从编写到烧录”，我的设备是 Windows 10，使用普中51单片机开发板（STC89C52RC）。

关于如何驱动数码管，推荐阅读：驱动多位数码管
关于使用单片机接收来自微动开关的输入：独立按键控制 LED

最后的程序实现了按下一个微动开关后，驱动一位数码管上显示对应的数字，显示持续1秒后重新等待输入。

矩阵键盘

如下图所示，单片机的 P1_0 ~ P1_7 引脚刚好连接了一个 4x4 的矩阵键盘：

当我们想要检测第一列（S1/S5/S9/S13）是否被按下时，可以置P1=1111 0111，也就是除P13外，其它全输出高电平，这时如果S1被按下，S1的高电平被拉低，就可以检测到P1=0111 0111，如果S9被按下，就是1101 0111，所以可以通过扫描低4位（对低4位逐个置0），然后检查高4位的电平变化，来交叉判断是哪一个按键被按下了。

实现

可以使用逐个给 P1 赋值 0xf7、0xfb、0xfd… 然后判断每一种情况的方法来实现，缺点是代码行数很多（case 数就等于按键的数量），可以利用循环和位运算来大大缩短代码量：

unsigned int get_keyboard_input() {
    unsigned int i = 0, j, t, mask = (1 << 4) - 1;
    while (1) { // 在有按键按下前一直扫描
        P1 = 0xFF ^ (1 << (3 - i));
        t = (P1 >> 4) ^ mask;
        if (t) {
            delay_10us(1000); // 去抖动
            j = 4 - bit_length(t);
            while ((P1 >> 4) ^ mask); // 等待手指抬起
            delay_10us(1000); // 去抖动
            return j * 4 + i;
        }
        i = (i + 1) % 4;
    }
}

其中：

mask 是 1111，用来取 P1 的低 4 位，以及对低 4 位进行按位取反，
i 代表列数，在 while 循环中不断的扫描第 0 列、第 1 列、第 2 列、第 3 列、第 0 列…
j 代表行数，检查是第几行的按键被按下了（也就是电平被下拉到 0 了）。

完整代码：文章来源地址https://uudwc.com/A/086P

#include <8051.h>

#define decoder_in_1 P2_2 // 译码器的 3 位输入，用于位选
#define decoder_in_2 P2_3
#define decoder_in_3 P2_4
#define NUMBER P0

unsigned int LED_MAP[11] = {0x3f, 0x6, 0x5b, 0x4f, 0x66, 0x6d, 0x7d, 0x7, 0x7f, 0x6f};

void delay_10us(unsigned int n) {
	while(n--);	
}

void send_to_decoder(unsigned int position) {  // position: 1 ~ 8 
    position--;                          // position: 0 ~ 7 (000 ~ 111)
    decoder_in_1 = position & 1;         // low    bit of position (position & 001)
    decoder_in_2 = position & 2;         // middle bit of position (position & 010)
    decoder_in_3 = position & 4;         // high   bit of position (position & 100)
}

void print_number(unsigned int n) {  // 在最左边的数码管（8号）显示 n
    NUMBER = 0;
    send_to_decoder(8);
    NUMBER = LED_MAP[n];
}

unsigned int bit_length(unsigned int n) {
    unsigned int x = 1;
    while (n >>= 1) x++;
    return x;
}

unsigned int get_keyboard_input() {
    unsigned int i = 0, j, t, mask = (1 << 4) - 1;
    while (1) { // 在有按键按下前一直扫描
        P1 = 0xFF ^ (1 << (3 - i));
        t = (P1 >> 4) ^ mask;
        if (t) {
            delay_10us(1000); // 去抖动
            j = 4 - bit_length(t);
            while ((P1 >> 4) ^ mask); // 等待手指抬起
            delay_10us(1000); // 去抖动
            return j * 4 + i;
        }
        i = (i + 1) % 4;
    }
}

void main() {
    NUMBER = 0;
    unsigned int num;
    while (1) {
        num = get_keyboard_input();
        print_number(num % 10);
        delay_10us(100000);
        NUMBER = 0;
    }
}