【星云 Orbit-F4 开发板】03g. 按键玩法七：矩阵键盘单个触发

引言

矩阵键盘是一种常见的输入设备，广泛应用于各种嵌入式系统中。通过矩阵键盘，用户可以通过按键输入字符或控制信号。本文将详细介绍如何使用STM32F407的GPIO引脚实现矩阵键盘的单个触发功能。通过本教程，读者将能够掌握矩阵键盘的基本原理以及如何通过HAL库实现单个触发的检测。

硬件准备

在开始编程之前，确保您已经准备好以下硬件：

STM32F407开发板：板载STM32F407VGT6（Cortex-M4/168MHz）作为主控芯片。
矩阵键盘模块：4x4矩阵键盘模块。
连接线：用于连接矩阵键盘和开发板。
限流电阻：若干个220Ω至330Ω的电阻，用于保护电路。

硬件连接

将矩阵键盘连接到STM32F407的GPIO引脚：

连接矩阵键盘的行引脚：
- 将矩阵键盘的行引脚（通常标记为R0-R3）连接到STM32F407的PB0-PB3引脚。
连接矩阵键盘的列引脚：
- 将矩阵键盘的列引脚（通常标记为C0-C3）连接到STM32F407的PC0-PC3引脚。
连接地线：
- 将矩阵键盘的地线连接到STM32F407的GND引脚。

GPIO配置

在STM32F407中，GPIO引脚可以配置为多种模式，以适应不同的应用需求。以下是一些常见的GPIO模式：

输入模式：
- 浮空输入（Floating Input）：引脚处于高阻态，适用于不需要上拉或下拉的情况。
- 上拉输入（Pull-Up Input）：引脚内部连接上拉电阻，适用于外部信号为低电平有效的情况。
- 下拉输入（Pull-Down Input）：引脚内部连接下拉电阻，适用于外部信号为高电平有效的情况。
输出模式：
- 推挽输出（Push-Pull Output）：引脚可以输出高电平或低电平，适用于直接驱动小电流负载，如LED灯。
- 开漏输出（Open-Drain Output）：引脚输出低电平或高阻态，适用于需要外部上拉电阻的场合。

在本教程中，我们将矩阵键盘的行引脚配置为推挽输出模式，列引脚配置为上拉输入模式。

配置GPIO时钟：

在使用GPIO引脚之前，需要先使能相应的GPIO时钟。对于PB0-PB3引脚，需要使能GPIOB时钟；对于PC0-PC3引脚，需要使能GPIOC时钟。

// 使能GPIOB时钟
__HAL_RCC_GPIOB_CLK_ENABLE();

// 使能GPIOC时钟
__HAL_RCC_GPIOC_CLK_ENABLE();

配置GPIO引脚：

使用GPIO_InitTypeDef结构体配置GPIO引脚的模式、上下拉、速度等参数。

GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0};

// 配置PB0-PB3为推挽输出模式
GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_0 | GPIO_PIN_1 | GPIO_PIN_2 | GPIO_PIN_3;
GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_PP;
GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL;
GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_LOW;

HAL_GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStruct);

// 配置PC0-PC3为上拉输入模式
GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_0 | GPIO_PIN_1 | GPIO_PIN_2 | GPIO_PIN_3;
GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_INPUT;
GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_PULLUP;

HAL_GPIO_Init(GPIOC, &GPIO_InitStruct);

按键扫描模块

为了实现模块化设计，我们将按键的扫描功能封装到bsp/KEY目录下的bsp_key.c和bsp_key.h文件中。

1. 创建`KEY`目录

打开文件管理器：
- 导航到STM32F407项目目录下的Drivers/BSP文件夹。
创建新目录：
- 右键点击空白区域，选择新建文件夹。
- 输入目录名称KEY，并按回车键确认。

2. 创建`bsp_key.c`和`bsp_key.h`文件

确保bsp_key.c和bsp_key.h文件当前位于Drivers/BSP/KEY目录下。

3. 更新项目包含路径

打开Keil MDK：
- 加载当前的STM32F407项目。
进入项目设置：
- 右键点击工程名称，选择Options for Target。
添加新的包含路径：
- 在弹出的窗口中，选择C/C++选项卡。
- 在Include Paths字段中，添加以下路径：
```
Drivers/BSP/KEY
```
- 确保路径正确无误，点击OK保存设置。

4. 更新`main.c`文件

打开main.c文件：
- 在Keil MDK的项目资源管理器中，找到并双击main.c文件。
包含新的头文件：
- 在文件顶部，添加以下包含语句：
```
#include "bsp_key.h"
```
- 确保路径正确，以便编译器能够找到该头文件。

5. 重新编译项目

编译工程：
- 点击工具栏中的Build按钮（或按F7键）。
- 确保编译过程中没有错误和警告。
处理编译错误：
- 如果出现包含路径错误，请检查Include Paths设置是否正确。
- 确保bsp_key.h文件位于Drivers/BSP/KEY目录下。

6. 更新项目分组

添加新的文件夹分组：
- 在Keil MDK的项目资源管理器中，右键点击BSP分组，选择Add Group。
- 输入分组名称KEY，点击OK。
添加文件到分组：
- 右键点击新的KEY分组，选择Add New Item to Group。
- 选择Add Existing File，导航到Drivers/BSP/KEY目录，选择bsp_key.c和bsp_key.h文件，点击OK。
确保文件可见性：
- 确保bsp_key.c和bsp_key.h文件在KEY分组下可见，并且路径正确。

按键扫描模块实现

`bsp_key.h`文件

#ifndef __BSP_KEY_H
#define __BSP_KEY_H

#include "stm32f4xx_hal.h"

#define ROWS 4    // 矩阵键盘的行数
#define COLS 4    // 矩阵键盘的列数

/**
 * @brief 初始化矩阵键盘
 */
void KEY_Init(void);

/**
 * @brief 扫描矩阵键盘并检测按键状态
 * @return 按键状态（0：未按下，1-16：按键编号）
 */
uint8_t KEY_Scan(void);

#endif /* __BSP_KEY_H */

`bsp_key.c`文件

#include "bsp_key.h"

static uint8_t key_state = 0;

/**
 * @brief 初始化矩阵键盘
 */
void KEY_Init(void) {
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0};

    // 使能GPIOB和GPIOC时钟
    __HAL_RCC_GPIOB_CLK_ENABLE();
    __HAL_RCC_GPIOC_CLK_ENABLE();

    // 配置PB0-PB3为推挽输出模式
    GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_0 | GPIO_PIN_1 | GPIO_PIN_2 | GPIO_PIN_3;
    GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_PP;
    GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL;
    GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_LOW;

    HAL_GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStruct);

    // 配置PC0-PC3为上拉输入模式
    GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_0 | GPIO_PIN_1 | GPIO_PIN_2 | GPIO_PIN_3;
    GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_INPUT;
    GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_PULLUP;

    HAL_GPIO_Init(GPIOC, &GPIO_InitStruct);
}

/**
 * @brief 扫描矩阵键盘并检测按键状态
 * @return 按键状态（0：未按下，1-16：按键编号）
 */
uint8_t KEY_Scan(void) {
    static uint8_t row = 0;
    static uint8_t col = 0;
    static uint8_t key_pressed = 0;

    if (key_pressed) {
        // 检测按键是否释放
        if (HAL_GPIO_ReadPin(GPIOC, C0_Pin) == GPIO_PIN_SET &&
            HAL_GPIO_ReadPin(GPIOC, C1_Pin) == GPIO_PIN_SET &&
            HAL_GPIO_ReadPin(GPIOC, C2_Pin) == GPIO_PIN_SET &&
            HAL_GPIO_ReadPin(GPIOC, C3_Pin) == GPIO_PIN_SET) {
            key_pressed = 0;
        }
        return 0;
    }

    // 扫描行
    for (row = 0; row < ROWS; row++) {
        // 激活当前行
        switch (row) {
            case 0:
                HAL_GPIO_WritePin(GPIOB, GPIO_PIN_0, GPIO_PIN_RESET);
                break;
            case 1:
                HAL_GPIO_WritePin(GPIOB, GPIO_PIN_1, GPIO_PIN_RESET);
                break;
            case 2:
                HAL_GPIO_WritePin(GPIOB, GPIO_PIN_2, GPIO_PIN_RESET);
                break;
            case 3:
                HAL_GPIO_WritePin(GPIOB, GPIO_PIN_3, GPIO_PIN_RESET);
                break;
        }

        // 检测列
        for (col = 0; col < COLS; col++) {
            if (HAL_GPIO_ReadPin(GPIOC, (GPIO_PinTypeDef)(GPIO_PIN_0 << col)) == GPIO_PIN_RESET) {
                // 按键按下
                key_pressed = 1;
                return (row * COLS) + col + 1;
            }
        }

        // 禁用当前行
        switch (row) {
            case 0:
                HAL_GPIO_WritePin(GPIOB, GPIO_PIN_0, GPIO_PIN_SET);
                break;
            case 1:
                HAL_GPIO_WritePin(GPIOB, GPIO_PIN_1, GPIO_PIN_SET);
                break;
            case 2:
                HAL_GPIO_WritePin(GPIOB, GPIO_PIN_2, GPIO_PIN_SET);
                break;
            case 3:
                HAL_GPIO_WritePin(GPIOB, GPIO_PIN_3, GPIO_PIN_SET);
                break;
        }
    }

    return 0;
}

主程序实现

#include "stm32f4xx_hal.h"
#include "bsp_key.h"

int main(void) {
    // 系统初始化
    HAL_Init();
    SystemClock_Config();

    // 按键初始化
    KEY_Init();

    while (1) {
        // 扫描按键状态
        uint8_t key = KEY_Scan();

        if (key != 0) {
            // 按键按下，执行相应操作
            // 在此处添加按键处理代码
            // 例如，控制LED灯或播放声音
        }
    }
}

测试与验证

编译与下载：
- 将代码编译并下载到STM32F407开发板中。
观察按键状态：
- 连接好硬件后，按下矩阵键盘上的按键，观察是否能够正确检测按键按下事件。如果按键状态没有正确检测，请检查硬件连接和代码配置是否正确。
验证单个触发：
- 按下按键，确保每次按下只触发一次响应。如果触发不正常，请检查按键扫描逻辑以及相关处理代码。

总结

通过本教程，您已经掌握了如何使用STM32F407的GPIO引脚实现矩阵键盘的单个触发功能。矩阵键盘的扫描逻辑是关键步骤，选择合适的行和列配置以及扫描逻辑可以确保按键的稳定工作。模块化设计使代码更加清晰和易于维护，为后续的项目扩展奠定了良好的基础。希望本教程对您有所帮助，祝您在嵌入式开发的道路上取得更大的成功！