基于STM控制的矩阵键盘的仿真设计

成绩

课程论文

题目：基于STM32控制的矩阵键盘的仿真设计

课程名称：ARM 嵌入式系统

学生姓名：张宇

学生学号：1314030140

系别：电子工程学院

专业：通信工程

年级：2013级

指导教师：权循忠

电子工程学院制

2015年10月

目录

1摘要 (1)

2关键字 (1)

3引言 (1)

4 STM32控制的矩阵键盘系统方案计制定 (1)

4.1 系统总体设计方案 (1)

4.2总体设计框图 (1)

4.3矩阵键盘简介 (2)

5 矩阵键盘设计原理分析 (2)

5.1 STM32复位和时钟电路设计 (2)

5.2 矩阵键盘电路的设计 (2)

5.3按键去抖动 (3)

5.4 按键显示电路 (3)

6程序流程图 (4)

7 总体电路图 (5)

8 软件仿真 (5)

9 总结 (6)

10 参考文献： (6)

11 附录 (7)

基于STM32控制的矩阵键盘的仿真设计

学生：张宇

指导老师：权循忠

电子工程学院通信工程

1摘要

矩阵键盘又称行列键盘，它是用四条I/O线作为行线，四条I/O线作为列线组成的键盘。在行线和列线的每个交叉点上设置一个按键。这样键盘上按键的个数就为4*4个。这种行列式键盘结构能有效地提高ARM嵌入式系统中I/O口的利用率。

2关键字

矩阵键盘行列键盘ARM嵌入式系统

3引言

随着人们生活水平的不断提升，ARM嵌入式无疑是人们追求的目标之一，它给人带来的方便也是不可否认的，要为现代人工作、科研、生活、提供更好更方便的设备就需要从ARM嵌入式技术入手，一切向若数字化控制，智能化控制方向发展。用ARM嵌入式来控制的数码管显示按键也在广泛应用，其控制系统具有极大意义。展望未来，急速的响应速度将成为个性的ARM嵌入式发展的趋势，越来越多的ARM嵌入式正如雨后春笋般涌现。

4 STM32控制的矩阵键盘系统方案计制定

4.1 系统总体设计方案

该智能键盘电路由ARM最小系统，矩阵键盘电路和显示电路组成，在常规的4*4矩阵键盘的基础上，通过改进实现了用4个IO口完成4*4矩阵键盘。

4.2总体设计框图

本电路主要由3大部分电路组成：矩阵键盘电路、ARM最小系统电路、按键显示电路。其中ATM最小系统主要由复位电路和时钟电路组成。电路复位后数码管显示字符“—”表示没有按键，显示电路由STM32的PD0—PD7来控制数码管显示是哪个按键按下。总体设计方框图，如图1所示。

图1总体设计方框图

4.3矩阵键盘简介

矩阵键盘又称行列键盘，它是用四条I/O线作为行线，四条I/O线作为列线组成的键盘。在行线和列线的每个交叉点上设置一个按键。这样键盘上按键的个数就为4*4个。这种行列式键盘结构能有效地提高ARM嵌入式系统中I/O口的利用率。

5 矩阵键盘设计原理分析

5.1 STM32复位和时钟电路设计

此电路主要是复位电路和时钟电路两部分，其中复位电路采用按键手动复位和上电自动复位组合，电路如图2（右）所示：其中14脚为STM32的复位端。时钟电路如图2（左）所示：晶振采用的是8MHz和32.786KHz，8MKz分别接STM32的12脚和13脚，32.786KHz分别接STM32的8脚和9脚。

图2 STM复位和时钟电路设计

5.2 矩阵键盘电路的设计

该电路的四个端子分别接STM32的PB12—PB15，电路如图3所示。

图3 矩阵键盘电路

该矩阵键盘电路扫描方法如下：

（1）PB15，PB14，PB13，PB12设置为输入并内部上拉。程序读取这四个IO口引脚电平，如果某个IO为低电平，则该列中相应IO口对应行处的按键按下。

（2）PB15输出低电平，PB14，PB13，PB12设置为输入并内部上拉。程序读取PB14，PB13，PB12这三个IO口的引脚电平。如果某个IO为低电平，则是第一列中相应IO口对应行处的按键按下。

（3）PB14输出低电平，PB15，PB13，PB12设置为输入并内部上拉。程序读取PB15，PB13，PB12这三个IO口的引脚电平。如果某个IO为低电平，则是第二列中相应IO口对应行处的按键按下。

（4）PB13输出低电平，PB15，PB14，PB12设置为输入并内部上拉。程序读取PB15，PB14，PB12这三个IO口的引脚电平。如果某个IO为低电平，则是第三列中相应IO口对应行处的按键按下。

（5）PB12输出低电平，PB15，PB14，PB13设置为输入并内部上拉。程序读取PB15，PB14，PB13这三个IO口的引脚电平。如果某个IO为低电平，则是第四列中相应IO口对应行处的按键按下。

5.3按键去抖动

每隔10ms扫描键盘一次，当扫描某个按键按下时，则开始计数，当连续4次扫描（也就是40ms）都是这个按键按下时，说明按键有效。如果不到四次计数，就采集不到该按键按下，则说明该按键无效。

5.4 按键显示电路

本设计采用STM32的IO口PD0—PD7来控制数码管来实时显示按键状态。当按键有按下时，数码管将显示对应的按键编号“0—F”，对应表示的按键是“SW1

—SW16”。按键显示电路，如图4。

图4 按键显示电路

6程序流程图

先对键盘初始化,看读列线是否有键按键,再延时消抖,再看读列是否有键按下,最后根据当前状态识别按键,显示键值。

程序流程图，如图5所示。

图5 程序流程图

流程图描述：先对键盘值进行初始化，判断列线是否有按键按下，若无直接返回结果，若有则进行延时消抖，然后继续判断列线是否有按键按下，若无直接返回结果，若有根据当前状态识别按键，显示按键值，返回结果。

7 总体电路图

把矩阵键盘电路、ARM最小系统电路、按键显示电路连接在一起。其中ATM最小系统主要由复位电路和时钟电路组成。

总体电路图，如图6所示。

图6 总体电路图

8 软件仿真

首先，我们进行软件仿真，点击按钮Debug，然后再点击波形图按钮，出现逻辑分析窗口，点击Setup，新建6个信号PORTB.2、PORTB.8、PORTB.9、PORTB.10、PORTB.13、和PORTB.14。Display Type全部选择Bit，然后选择各个颜色。然后再点击Peripherals General Purpose I/O GPIOB。然后设置各个引脚电平，然后在x=KEY_Scan（）处设置一个断点，点击Run按钮，会出现以下波形即实验成功。

图7 软件仿真

9 总结

一学期的ARM课程即将结束，从一开始对ARM的完全陌生到现在的慢慢入门，其中体会到了很多ARM的妙处和实用意义。通过这次矩阵键盘的设计，使我对ARM有了更深的理解。在做课程论文时增强了对论文格式的修改，熟悉和掌握了ARM工程项目的建立与生成，在遇到程序出现错误时及时的翻书查看或者上网查找，并且在后期的ARM实训课中自己尝试在ARM开发板上进行调试，让我深刻领悟到理论和实践相结合的重要意义。只有把理论运用到实践中才能很好掌握理论和技术。所以以后不管在学什么知识都要重视理论与实践相结合。这样就好觉得其实学知识也不是那么难，更重要的是体现的学习的实际用处。

10 参考文献：

[1] 彭刚、秦志强等.基于ARM Cortex-M3的STM32系列嵌入式微控制器应用实践[M].北京:电子工业出版社

[2] 李宁.基于MDK的STM32处理器开发应用 [M].北京航空航天大学出版社，2008.

[3]潘松、黄继业等.EDA技术实用教程（第一版）[M].科学出版社 2002年10月

[4]陆坤、奚大顺、李之权等.电子设计技术[M].四川：电子科技大学出版社.1997年.682-688,838-941

[5]赵俊超.集成电路设计VHDL教程（第一版）[M].北京：北京希望电子出版社.2002年

[6]杨邦文.新型实用电路制作200例[M].北京：人民邮电出版社.1998年.175-288

[7]许海燕、付炎著.嵌入式系统技术与应用.机械工业出版社.2002年

[8]周主力主编.ARM嵌入式系统基础教程.北京航空航天大学出版社.2005年

[9]田泽主编.嵌入式系统开发与应用教程.北京航空航天大学出版社

11 附录

主程序

#include "led.h"

#include "delay.h"

#include "sys.h"

#include "key.h"

#include "usart.h"

#include "stdio.h"

int main(void)

{

int x;

SystemInit();

delay_init(72); //延时初始化

NVIC_Configuration();

uart_init(9600);

LED_Init();

KEY_Init(); //初始化与按键连接的硬件接口

while(1)

{

x=KEY_Scan(); //得到键值

switch(x)

{

case 0:

// LED=0;

printf("D\n");

break;

case 1:

LED=1;

printf("C\n");

break;

case 2:

LED=2;

printf("B\n");

break;

case 3:

LED=3;

printf("A\n");

break;

case 4:

LED=4;

printf("#\n");

break;

case 5:

LED=5;

printf("9\n");

break;

case 6:

LED=6;

printf("6\n");

break;

case 7:

LED=7;

printf("3\n");

break;

case 8:

LED=8;

printf("0\n");

break;

case 9:

LED=9;

printf("8\n");

break;

case 10:

LED=10;

printf("5\n");

break;

case 11:

LED=11;

printf("2\n");

break;

case 12:

LED=12;

printf("*\n");

break;

case 13:

LED=13;

printf("7\n");

break;

case 14:

LED=14;

printf("4\n");

break;

case 15:

LED=15;

printf("1\n");

break;

}

}

}

///////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////

//////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////

key.c //按键扫描

#include "stm32f10x.h"

#include "delay.h"

#include "key.h"

/*本文件的函数，主要实现矩阵键盘的功能。矩阵键盘使用PB8到PB15引脚，其中，PB8到PB11固定为

推挽输出，PB12到PB15固定为下拉输入。即，无键按下时，对应PB12到PB15为0，有键按下时，PB12到PB15中，

对应的引脚为高。*/

void KEY_Init(void) //初始化矩阵键盘要使用的GPIO口。

{

GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;

RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOB,ENABLE);

GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP; //定义PB8到PB11为上拉输入、、。

GPIO_InitStructure.GPIO_Speed= GPIO_Speed_50MHz;

GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_8|GPIO_Pin_9|GPIO_Pin_10|GPIO_Pin_11;

GPIO_Init(GPIOB,&GPIO_InitStructure);

GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IPD; //定义PB12到PB15为下拉输入。

GPIO_InitStructure.GPIO_Speed= GPIO_Speed_50MHz;

GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_12|GPIO_Pin_13|GPIO_Pin_14|GPIO_Pin_15;

//因为上面定义引脚为输出时，已经打开整个GPIOA的时钟了，

//所以此处不再需要函数RCC_APB2PeriphClockCmd()来打开时钟了。

GPIO_Init(GPIOB,&GPIO_InitStructure);

}

int KEY_Scan(void) //实现矩阵键盘。返回值为，各按键的键值，此键值由用户自己定义。

{

u8 KeyVal; //keyVal为最后返回的键值。

GPIO_Write(GPIOB,(GPIOB->ODR & 0xf0ff | 0x0f00)); //先让PB8到PB11全部输出高。

if((GPIOB->IDR & 0xf000)==0x0000) //如果PB12到PB15全为0，则没有键按下。此时，返回值为-1.

return -1;

else

{

delay_ms(5); //延时5ms去抖动。

if((GPIOB->IDR & 0xf000)==0x0000)//如果延时5ms后，PB12到PB15又全为0，则，刚才引脚的电位变化是抖动产生的.

return -1;

}

GPIO_Write(GPIOB,(GPIOB->ODR & 0xf0ff | 0x0100)); //让PB11到PB8输

出二进制的0001.

switch(GPIOB->IDR & 0xf000)//对PB12到PB15的值进行判断，以输出不同的键值。

{

case 0x1000: KeyVal=15; break;

case 0x2000: KeyVal=11; break;

case 0x4000: KeyVal=7; break;

case 0x8000: KeyVal=3; break;

}

GPIO_Write(GPIOB,(GPIOB->ODR & 0xf0ff | 0x0200)); //让PB11到PB8输出二进制的0.

switch(GPIOB->IDR & 0xf000) //对PB12到PB15的值进行判断，以输出不同的键值。

{

case 0x1000: KeyVal=14; break;

case 0x2000: KeyVal=10; break;

case 0x4000: KeyVal=6; break;

case 0x8000: KeyVal=2; break;

}

GPIO_Write(GPIOB,(GPIOB->ODR & 0xf0ff | 0x0400)); //让PB11到PB8输出二进制的1011.

switch(GPIOB->IDR & 0xf000) //对PB12到PB15的值进行判断，以输出不同的键值。

{

case 0x1000: KeyVal=13; break;

case 0x2000: KeyVal=9; break;

case 0x4000: KeyVal=5; break;

case 0x8000: KeyVal=1; break;

}

GPIO_Write(GPIOB,(GPIOB->ODR & 0xf0ff | 0x0800)); //让PB11到PB8输出二进制的0111.

switch(GPIOB->IDR & 0xf000) //对PB12到PB15的值进行判断，以输出不同的键值。

{

case 0x1000: KeyVal=12; break;

case 0x2000: KeyVal=8; break;

case 0x4000: KeyVal=4; break;

case 0x8000: KeyVal=0; break;

}

return KeyVal;

}

//////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////// /////////////////////////////////////////////////////////////

key.h 文件

#ifndef __KEY_H

#define __KEY_H

#include "sys.h"

#define KEY0 PBin(8) //PB8

#define KEY1 PBin(9) //PB9

#define KEY2 PBin(10) //PA10

#define KEY3 PBin(11) //PA11

#define KEY4 PBin(12) //PA12

#define KEY5 PBin(13) //PA13

#define KEY6 PBin(14) //PA14

#define KEY7 PBin(15) //PA15

void KEY_Init(void);//IO初始化

int KEY_Scan(void);

#endif

键码表为：

{1 2 3 A}

{4 5 6 B}

{7 8 9 C}

{* 0 # D} 这个可以根据自己来定义。