矩阵键盘是单片机外部设备中所使用的排布类似于矩阵的键盘组。矩阵式结构的键盘显然比直接法要复杂一些，识别也要复杂一些，列线通过电阻接正电源，并将行线所接的单片机的I/O口作为输出端，而列线所接的I/O口则作为输入。

在键盘中按键数量较多时，为了减少I/O口的占用，通常将按键排列成矩阵形式。在矩阵式键盘中，每条水平线和垂直线在交叉处不直接连通，而是通过一个按键加以连接。这样，一个端口（如P1口）就可以构成4*4=16个按键，比之直接将端口线用于键盘多出了一倍，而且线数越多，区别越明显，比如再多加一条线就可以构成20键的键盘，而直接用端口线则只能多出一键（9键）。由此可见，在需要的键数比较多时，采用矩阵法来做键盘是合理的。

这样，当按键没有按下时，所有的输入端都是高电平，代表无键按下。行线输出是低电平，一旦有键按下，则输入线就会被拉低，这样，通过读入输入线的状态就可得知是否有键按下了。

<1>确定矩阵式键盘上何键被按下介绍一种“行扫描法”。

行扫描法 行扫描法又称为逐行（或列）扫描查询法，是一种最常用的按键识别方法，如图1所示键盘，介绍过程如下。

1、判断键盘中有无键按下 将全部行线Y0-Y3置低电平，然后检测列线的状态。只要有一列的电平为低，则表示键盘中有键被按下，而且闭合的键位于低电平线与4根行线相交叉的4个按键之中。若所有列线均为高电平，则键盘中无键按下。

2、判断闭合键所在的位置 在确认有键按下后，即可进入确定具体闭合键的过程。其方法是：依次将行线置为低电平，即在置某根行线为低电平时，其它线为高电平。在确定某根行线位置为低电平后，再逐行检测各列线的电平状态。若某列为低，则该列线与置为低电平的行线交叉处的按键就是闭合的按键。

下面给出一个具体的例子：

图仍如上所示。8031单片机的P1口用作键盘I/O口，键盘的列线接到P1口的低4位，键盘的行线接到P1口的高4位。列线P1.0-P1.3分别接有4个上拉电阻到正电源+5V，并把列线P1.0-P1.3设置为输入线，行线P1.4-P1.7设置为输出线。4根行线和4根列线形成16个相交点。

1、检测当前是否有键被按下。检测的方法是P1.4-P1.7输出全“0”，读取P1.0-P1.3的状态，若P1.0-P1.3为全“1”，则无键闭合，否则有键闭合。

2、去除键抖动。当检测到有键按下后，延时一段时间再做下一步的检测判断。

3、若有键被按下，应识别出是哪一个键闭合。方法是对键盘的行线进行扫描。P1.4-P1.7按下述4种组合依次输出：

P1.7 1 1 1 0

P1.6 1 1 0 1

P1.5 1 0 1 1

P1.4 0 1 1 1

在每组行输出时读取P1.0-P1.3，若全为“1”，则表示为“0”这一行没有键闭合，否则有键闭合。由此得到闭合键的行值和列值，然后可采用计算法或查表法将闭合键的行值和列值转换成所定义的键值

4、为了保证键每闭合一次CPU仅作一次处理，必须去除键释放时的抖动。

键盘扫描程序：

从以上分析得到键盘扫描程序的流程图所示。程序如下

SCAN: MOV P1,#0FH

MOV A,P1

ANL A,#0FH

CJNE A,#0FH,NEXT1

SJMP NEXT3

NEXT1: ACALL D20MS

MOV A,#0EFH

NEXT2: MOV R1,A

MOV P1,A

MOV A,P1

ANL A,#0FH

CJNE A,#0FH,KCODE;

MOV A,R1

SETB C

RLC A

JC NEXT2

NEXT3: MOV R0,#00H

RET

KCODE: MOV B,#0FBH

NEXT4: RRC A

INC B

JC NEXT4

MOV A,R1

SWAP A

NEXT5: RRC A

INC B

INC B

INC B

INC B

JC NEXT5

NEXT6: MOV A,P1

ANL A,#0FH

CJNE A,#0FH,NEXT6

MOV R0,#0FFH

RET

<2>确定矩阵式键盘上被按下介绍一种“高低电平翻转法”。

首先让P1口高四位为1，低四位为0。若有按键按下，则高四位中会有一个1翻转为0，低四位不会变，此时即可确定被按下的键的行位置。

然后让P1口高四位为0，低四位为1。若有按键按下，则低四位中会有一个1翻转为0，高四位不会变，此时即可确定被按下的键的列位置。

最后将上述两者进行或运算即可确定被按下的键的位置。

键盘处理程序就作这么一个简单的介绍，实际上，键盘、显示处理是很复杂的，它往往占到一个应用程序的大部份代码，可见其重要性，但说到，这种复杂并不来自于单片机的本身，而是来自于操作者的习惯等等问题，因此，在编写键盘处理程序之前，最好先把它从逻辑上理清，然后用适当的算法表示出来，最后再去写代码，这样，才能快速有效地写好代码。

实验目的

1． 了解 4*4 矩阵键盘的工作原理。

2． 掌握利用行列扫描法读取按键信息及软件消抖的方法。

3． 熟悉掌握 VHDL 语言和 QUARTUS 2 软件的使用。

4． 理解状态机的工作原理和设计方法。

5． 掌握利用 EDA 工具进行自顶向下的电子系统设计方法。

实验任务

设计制作一个检测 4*4 矩阵键盘的按键编码的实验，把实际按键的键值的八位编码先转换成从0000—1111 的编码，再译成数码管能识别 的八位编码，在数码管动态显示时，矩阵键盘的第一行对应00—03，4*4 第二行对应04—07，第三行08—11，第四行对应12—15。

1．键盘的工作原理： 按键设置在行、列线交点上，行、列线分别连接到按键开关的两端。行线通过上拉电阻接到+5V电源上。无按键按下时，行线处于高电平的状态，而当有按键按下时，行线电平与此行线相连的列线电平决定。

2．行列扫描法原理：

第一步， 使行线为编程的输入线，列线是输出线，拉低所有的列线，判断行线的变化，如果有按键按下，按键按下的对应行线被拉低，否则所有的行线都为高电平。

第二步，在第一步判断有键按下后， 延时10ms消除机械抖动，再次读取行值，如果此行线还处于低电平状态则进入下 一步，否则返回第一步重新判断。

第三步，开始扫描按键位置，采用逐 行扫描，每间隔1ms的时间，分别拉低第一列，第二列，第三列，第四 列，无论拉低哪一列其他三列都为高电平，读取行值找到按键的位置，分别把行值和列值储存在寄存器里。

第四步，从寄存器中找到行值和列 值并把其合并，得到按键值，对此按键值进行编码，按照从第一行第一个一直到第四行第四个逐行进行编码，编码值从“0000” 至“1111” ， 再进行译码，最后显示按键号码。数码管动态扫描原理。数码管动态扫描原理：数码管的 7 个段及小数点都是由 LED 块组成的，显示方式分为静 态显示和动态显示两种。数码管在静态显示方式时，其共阳管的位选 信号均为低电平，四个数码管的共用段选线 a、b、c、d、e、f、g、dp 分别与 CPLD 的 8 根 I/O 口线相连，显示数字时只要给相应的段选线送 低电平。数码管在动态显示方式时，在某一时刻只能有一个数码管被点亮显示数字，其余的处于非选通状态，位选码端口的信号改变时， 段选码端口的信号也要做相应的改变 ，每位显示字符停留显示的时间 一般为 1-5ms，利用人眼睛的视觉惯性，在数码管上就能看到相当稳定的数字显示。