【雕爷学编程】Arduino动手做（26）---4X4轻触开关矩阵键盘模块2

37款传感器与模块的提法，在网络上广泛流传，其实Arduino能够兼容的传感器模块肯定是不止37种的。鉴于本人手头积累了一些传感器和执行器模块，依照实践出真知（一定要动手做）的理念，以学习和交流为目的，这里准备逐一动手试试多做实验，不管成功与否，都会记录下来——小小的进步或是搞不掂的问题，希望能够抛砖引玉。

【Arduino】168种传感器模块系列实验（资料代码+仿真编程+图形编程）
实验二十六：4X4键盘矩阵按键板控制模块 16按键板 轻触按键微动开关 单片机IO口外扩

知识点：按键开关、矩阵键盘与4X4矩阵键盘模块
一、按键开关（英文switcher）
1、定义概念
又叫轻触开关，微动开关，最早出现在日本（称之为：敏感型开关）使用时以满足操作力的条件向开关操作方向施压开关功能闭合接通，当撤销压力时开关即断开，其内部结构是靠金属弹片受力变化来实现通断的。轻触开关由：嵌件、基座、弹片、按钮以及盖板等部分组成，其中防水类轻触开关在弹片上加一层聚酰亚胺薄膜。

按键开关具有接触电阻荷小、精确的操作力误差、规格多样化等方面的优势，在电子设备及白色家电等方面得到广泛的应用：如影音产品、数码产品、遥控器、通讯产品、家用电器、安防产品、玩具、电脑产品、健身器材、医疗器材、验钞笔、雷射笔按键等等。因为轻触开关对环境的条件（施压力小于2倍的弹力/环境温湿度条件以及电气性能）大型设备及高负荷的按钮都使用导电橡胶或锅仔开关五金弹片直接来代替，比如医疗器材、电视机遥控器等。

2、外观与电路符号
这是一款仿欧姆龙开关的轻触按键开关产品，它由四个定位柱和四个引脚组成，其开关规格尺寸为665mm，一般市面上又广泛被称为6x6防水轻触开关。该开关常规按键力度区分有250gf、180gf、160gf等3个标准力度。

3、性能参数
轻触开关系列主要技术指标
使用温度范围Temperature ：-25°~±85°C
额定负荷Rated Load ：DC12V 0.1A
接触电阻Contact Resistance ：<=0.03Ω
耐压Withstand Voltage ：AC250 V (50Hz) /MIN
动作力Actuation Force ：1.3±0.5N
绝缘电阻Lnsulation Resistance ：>=100MΩ
寿命 Life ：100000 times（次）

4、按键开关的接通（按下）与断开（松开）
按键开关由4个针脚组成，这4个可以分为两组，并排两个针脚一直都是联通的，当开关按下时，对角线联通。由下图可知：按键没按下时候：1，2号脚相连，3，4号脚相连。按键按下去时候，1，2，3，4号脚就全部接通。

二、矩阵键盘（英文matrix keyboard）
1、矩阵法（英文matrix method）
【百度百科】在经济管理领域中，有许多实际问题可以归结为带有线性特征的数学模型处理作为由m×n个数按一定次序排列的m行和n列特殊形式数组的矩阵，通过合理规定的矩阵运算，便可求得线性问题的预测、决策值。比如，对产品需要量、成本等进行多元线性回归预测分析时，可采用矩阵法求得回归系数，并建立预测数学模型，确定预测值；在线性规划问题决策分析时，可将线性规划问题数学模型转化为矩阵形式，通过矩阵运算，求得目标函数最大（或最小）值。下表为剧场等演出场所安全管理矩阵法风险评估表。

【波士顿矩阵法】是指公司发展能够与千变万化的市场机会之间取得切实可行的适应，就必须合理地在各项业务之间分配资源的方法，有发展、维持、收获、放弃等方法可以应用。在此过程中不能仅凭印象，认为哪项业务有前途，就将资源投向哪里，而是应该根据潜在利润分析各项业务在企业中所处的地位来决定，波士顿矩阵法就是一种著名的用于评估公司投资组合的有效模式。

2、使用矩阵法的键盘
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。

3、矩阵键盘（英文Matrix keyboard）
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。由于电路设计时需要更多的外部输入，单独的控制一个按键需要浪费很多的IO资源，所以就有了矩阵键盘，常用的矩阵键盘有2X2、2X3、3X3、3X4、4X4和8X8等。

4、矩阵键盘的工作原理
矩阵键盘又称为行列式键盘，它是用4条I/O线作为行线，4条I/O线作为列线组成的键盘。在行线和列线的每一个交叉点上，设置一个按键。这样键盘中按键的个数是4X4个。这种行列式键盘结构能够有效地提高单片机系统中I/O口的利用率。由于单片机IO端口具有线与的功能，因此当任意一个按键按下时，行和列都有一根线被线与，通过运算就可以得出按键的坐标从而判断按键键值。

三、4X4矩阵键盘模块（英文4X4 matrix keyboard module）
1、模块主要特点
（1）体积小；
（2）节省空间；
（3）使用方便；
（4）共计16按键；
（5）单片机外扩键盘的上佳选择。

2、模块参考电原理图

3、行列扫描法原理
（1）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。
（2）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。
（3）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。
（4）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。

4、4X4矩阵键盘模块的几个应用电路

4X4矩阵键盘模块的实验环境
一、4X4矩阵键盘模块实验所需硬件清单
4X4矩阵键盘模块X1
Arduino Uno开发板 X1
杜邦线 若干（备了9条）
LED发光二极管（蓝色）X1
高电平触发有源蜂鸣器模块X1
高电平触发单路5V继电器模块X1
Proto Shield 原型扩展板（带mini面包板）X1

三、4X4矩阵键盘模块实验接线
4X4矩阵键盘模块上有一个8针的杜邦排线接口，理论上可以直接插到0-7脚上，但0，1脚用于串口通信，所以只能选择2~13脚，这里实验选用了2-9脚。

Keypad Pin R1 –> Arduino Pin 2
Keypad Pin R2 –> Arduino Pin 3
Keypad Pin R3 –> Arduino Pin 4
Keypad Pin R4 –> Arduino Pin 5
Keypad Pin C1 –> Arduino Pin 6
Keypad Pin C2 –> Arduino Pin 7
Keypad Pin C3 –> Arduino Pin 8
Keypad Pin C4 –> Arduino Pin 9