通过AT89C51单片机（开发板）实现矩阵键盘与数码管显示

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51单片机实现矩阵键盘与数码管显示

一、目的

通过AT89C51单片机实现数码管显示按下的按键值0~F，掌握矩阵键盘接口电路设计及编程应用。

二、矩阵键盘工作原理

1. 矩阵键盘结构

- 行列扫描法：将按键排列成N行×M列的矩阵

- 节省I/O口：4×4键盘只需8个I/O口，而独立键盘需要16个

- 工作方式：通过行线和列线的交叉点判断按键状态

2. 键盘扫描流程

1. 判断是否有按键按下：将所有行线置为低电平，检测列线状态

2. 延时消抖：确认按键按下后延时20ms，消除机械抖动

3. 识别按键位置：逐行扫描，确定具体按下的按键

4. 等待按键释放：检测按键释放后再进行处理

三、硬件设计

1. 电路连接图

矩阵键盘(4×4) AT89C51单片机

行线(R0-R3) → P1.0-P1.3

列线(C0-C3) → P1.4-P1.7

数码管段选信号 → P0.0-P0.7

数码管位选信号 → P2.0-P2.7

2. Proteus电路设计

1. 添加AT89C51单片机

2. 添加4×4矩阵键盘

3. 添加共阴极数码管

4. 添加限流电阻

5. 连接晶振电路(12MHz)和复位电路

设计原理图：

四、软件设计

1. 矩阵键盘扫描程序

#include <reg52.h>

#include <intrins.h>

typedef unsigned char uchar;

typedef unsigned int uint;

// 数码管段选端口

#define SEG_PORT P0

// 矩阵键盘端口

#define KEY_PORT P1

// 共阴极数码管0-F的段码表

uchar code seg_table[] = {

0x3F, 0x06, 0x5B, 0x4F, 0x66, 0x6D, 0x7D, 0x07,

0x7F, 0x6F, 0x77, 0x7C, 0x39, 0x5E, 0x79, 0x71

};

// 延时函数

void Delay_ms(uint ms)

{

uint i, j;

for(i = 0; i < ms; i++)

for(j = 0; j < 110; j++);

}

// 矩阵键盘扫描函数，返回键值(0-15)

uchar KeyScan()

{

uchar key_value = 0xFF; // 初始键值设为0xFF表示无按键按下

uchar temp;

// 第一步：判断是否有按键按下

KEY_PORT = 0xF0; // 行线置高，列线置低

temp = KEY_PORT; // 读取按键状态

temp &= 0xF0; // 屏蔽低4位(行线)

if(temp != 0xF0) // 如果有按键按下

{

Delay_ms(20); // 延时消抖

temp = KEY_PORT;

temp &= 0xF0;

if(temp != 0xF0) // 再次确认有按键按下

{

// 第二步：逐行扫描确定按键位置

// 扫描第一行

KEY_PORT = 0xFE; // 0b11111110

temp = KEY_PORT;

temp &= 0xF0;

if(temp != 0xF0)

{

if(temp == 0xE0) key_value = 0; // 第一行第一列

if(temp == 0xD0) key_value = 1; // 第一行第二列

if(temp == 0xB0) key_value = 2; // 第一行第三列

if(temp == 0x70) key_value = 3; // 第一行第四列

}

// 扫描第二行

KEY_PORT = 0xFD; // 0b11111101

temp = KEY_PORT;

temp &= 0xF0;

if(temp != 0xF0)

{

if(temp == 0xE0) key_value = 4; // 第二行第一列

if(temp == 0xD0) key_value = 5; // 第二行第二列

if(temp == 0xB0) key_value = 6; // 第二行第三列

if(temp == 0x70) key_value = 7; // 第二行第四列

}

// 扫描第三行

KEY_PORT = 0xFB; // 0b11111011

temp = KEY_PORT;

temp &= 0xF0;

if(temp != 0xF0)

{

if(temp == 0xE0) key_value = 8; // 第三行第一列

if(temp == 0xD0) key_value = 9; // 第三行第二列

if(temp == 0xB0) key_value = 10; // 第三行第三列

if(temp == 0x70) key_value = 11; // 第三行第四列

}

// 扫描第四行

KEY_PORT = 0xF7; // 0b11110111

temp = KEY_PORT;

temp &= 0xF0;

if(temp != 0xF0)

{

if(temp == 0xE0) key_value = 12; // 第四行第一列

if(temp == 0xD0) key_value = 13; // 第四行第二列

if(temp == 0xB0) key_value = 14; // 第四行第三列

if(temp == 0x70) key_value = 15; // 第四行第四列

}

// 等待按键释放

while((KEY_PORT & 0xF0) != 0xF0);

Delay_ms(20); // 释放后延时消抖

}

return key_value;

}

// 显示函数

void Display(uchar num)

{

SEG_PORT = seg_table[num]; // 输出段码

}

// 主函数

void main()

{

uchar key;

while(1)

{

key = KeyScan(); // 扫描键盘

if(key != 0xFF) // 如果有按键按下

{

Display(key); // 显示键值

}

2. 键盘编码说明

```

矩阵键盘布局及编码：

C0 C1 C2 C3

R0 0 1 2 3

R1 4 5 6 7

R2 8 9 A B

R3 C D E F

五、步骤

1. Proteus电路设计

1. 新建Proteus项目

2. 添加AT89C51单片机

3. 添加4×4矩阵键盘

4. 添加共阴极数码管

5. 添加必要的电阻和电源

6. 按照电路连接图进行连线

2. 软件编程

1. 在Keil uVision中创建新项目

2. 编写键盘扫描和数码管显示程序

3. 编译程序，生成HEX文件

3. 仿真测试

1. 在Proteus中加载HEX文件

2. 设置晶振频率为12MHz

3. 运行仿真

4. 点击矩阵键盘上的按键，观察数码管显示结果

六、实验结果与分析

1. 功能验证

- 按下矩阵键盘上的按键，数码管显示对应数字0-9或字母A-F

- 按键识别准确，无误判现象

- 消抖处理有效，无连击现象

2. 技术要点

- 行列扫描法：通过逐行扫描和列线检测确定按键位置

- 按键消抖：软件延时20ms消除机械抖动

- 共阴极数码管：高电平点亮对应段，通过段码表转换数字

3. 常见问题及解决方法

- 按键无响应：检查连接线是否正确，I/O口设置是否匹配

- 显示乱码：检查段码表是否正确，共阴/共阳选择是否匹配

- 按键误判：增加消抖延时，或改进扫描算法

七、总结与拓展

1. 总结

通过本次实验，需要掌握：

- 矩阵键盘的工作原理和接口设计

- 行列扫描法识别按键的方法

- 键盘消抖处理技术

- 数码管显示数字和字母的实现方法

2. 拓展应用

矩阵键盘可应用于：

- 电子密码锁

- 简易计算器

- 电子时钟调整界面

- 智能家居控制面板

3. 改进方向

- 增加按键音效反馈

- 实现组合键功能

- 优化键盘扫描算法，提高响应速度

- 添加按键长按功能

八、附录

1. 完整代码

#include <reg52.h>

#include <intrins.h>

typedef unsigned char uchar;

typedef unsigned int uint;

// 数码管段选端口

#define SEG_PORT P0

// 矩阵键盘端口

#define KEY_PORT P1

// 共阴极数码管0-F的段码表

uchar code seg_table[] = {

0x3F, 0x06, 0x5B, 0x4F, 0x66, 0x6D, 0x7D, 0x07,

0x7F, 0x6F, 0x77, 0x7C, 0x39, 0x5E, 0x79, 0x71

};

// 延时函数

void Delay_ms(uint ms)

{

uint i, j;

for(i = 0; i < ms; i++)

for(j = 0; j < 110; j++);

}

// 矩阵键盘扫描函数，返回键值(0-15)

uchar KeyScan()

{

uchar key_value = 0xFF; // 初始键值设为0xFF表示无按键按下

uchar temp;

// 第一步：判断是否有按键按下

KEY_PORT = 0xF0; // 行线置高，列线置低

temp = KEY_PORT; // 读取按键状态

temp &= 0xF0; // 屏蔽低4位(行线)

if(temp != 0xF0) // 如果有按键按下

{

Delay_ms(20); // 延时消抖

temp = KEY_PORT;

temp &= 0xF0;

if(temp != 0xF0) // 再次确认有按键按下

{

// 第二步：逐行扫描确定按键位置

// 扫描第一行

KEY_PORT = 0xFE; // 0b11111110

temp = KEY_PORT;

temp &= 0xF0;

if(temp != 0xF0)

{

if(temp == 0xE0) key_value = 0; // 第一行第一列

if(temp == 0xD0) key_value = 1; // 第一行第二列

if(temp == 0xB0) key_value = 2; // 第一行第三列

if(temp == 0x70) key_value = 3; // 第一行第四列

}

// 扫描第二行

KEY_PORT = 0xFD; // 0b11111101

temp = KEY_PORT;

temp &= 0xF0;

if(temp != 0xF0)

{

if(temp == 0xE0) key_value = 4; // 第二行第一列

if(temp == 0xD0) key_value = 5; // 第二行第二列

if(temp == 0xB0) key_value = 6; // 第二行第三列

if(temp == 0x70) key_value = 7; // 第二行第四列

}

// 扫描第三行

KEY_PORT = 0xFB; // 0b11111011

temp = KEY_PORT;

temp &= 0xF0;

if(temp != 0xF0)

{

if(temp == 0xE0) key_value = 8; // 第三行第一列

if(temp == 0xD0) key_value = 9; // 第三行第二列

if(temp == 0xB0) key_value = 10; // 第三行第三列

if(temp == 0x70) key_value = 11; // 第三行第四列

}

// 扫描第四行

KEY_PORT = 0xF7; // 0b11110111

temp = KEY_PORT;

temp &= 0xF0;

if(temp != 0xF0)

{

if(temp == 0xE0) key_value = 12; // 第四行第一列

if(temp == 0xD0) key_value = 13; // 第四行第二列

if(temp == 0xB0) key_value = 14; // 第四行第三列

if(temp == 0x70) key_value = 15; // 第四行第四列

}

// 等待按键释放

while((KEY_PORT & 0xF0) != 0xF0);

Delay_ms(20); // 释放后延时消抖

}

return key_value;

}

// 显示函数

void Display(uchar num)

{

SEG_PORT = seg_table[num]; // 输出段码

}

// 主函数

void main()

{

uchar key;

while(1)

{

key = KeyScan(); // 扫描键盘

if(key != 0xFF) // 如果有按键按下

{

Display(key); // 显示键值

}

希望这篇博客对你理解51单片机矩阵键盘和数码管显示有所帮助！