اسکن صفحه کلید ماتریسی 4*4 با AVR و STM32

در کنار lcd های کاراکتری ، صفحه کلید ماتریسی یکی از پرکاربردترین لوازمی است که کاربران از آنها  در مدارات میکروکنترلری استفاده می کنند و توسط آنها می توانند از دنیای بیرون به میکروکنترلر دیتا ارسال کرده و آن را پردازش کنند.

صفحه کلید ماتریسی متشکل از تعداد زیادی کلید است ، که بصورت ماتریسی روی هم قرار گرفته اند و ماتریسی بودن کلید ها به ما این امکان را می دهد تا علاوه بر بهرمندی از تعداد زیادی کلید ،  تعداد کمی از پایه های میکروکنترلرها را اشغال کنیم .

صفحه کلید ماتریسی در ابعاد و اندازه های مختلفی در بازار وجود دارند. که از پرکاربردترین آنها می توان صفحه کلید ماتریسی ۴*۴ یا شانزده کلید و صفحه کلید ماتریسی ۴*۳ یا دوازده کلید را نام برد .

در پایان آموزش برنامه نوشته شده برای اسکن صفحه کلید ماتریسی ۴*۴ را به یک کتابخانه تبدیل می کنیم تا کاربران براحتی بتوانند تنها با بکاربردن چند دستور ساده عمل کلید خوانی را انجام دهند .

آموزش اسکن صفحه کلید ماتریسی 4*4 با avr

برای اسکن صفحه کلید ماتریسی 4*4 از الگوریتمی بسیار ساده استفاده شده است . به این صورت که صفحه کلید ماتریسی 4X4 به یک جدول جمع اعداد تشبیه شده است .

اعدادی در سطرها و ستون های صفحه کلید ماتریسی 4×4 قرار داده شده است . که از حاصل جمع آنها موقعیت کلید فشرده شده بدست می آید .

در این روش مقدار کلید فشرده شده طی دو مرحله بدست می آید که در ادامه به آن خواهیم پرداخت . شکل زیر نحوه اتصال یک صفحه کلید ماتریسی 4X4 به یکی از پورتهای میکرو کنترلر avr را نشان می دهد .

مرحله اول اسکن صفحه کلید ماتریسی 4X4

در مرحله اول اسکن صفحه کلید ماتریسی 4X4 پایه هایی را که به ستون های صفحه کلید ماتریسی 4×4 وصل کرده ایم به عنوان پایه های خروجی و پایه هایی را که به سطر های  صفحه کلید ماتریسی 4*4 وصل کرده ایم به عنوان پایه های ورودی تعریف می کنیم .

سپس مقدار صفر منطقی را روی پایه های خروجی قرار می دهیم و در نهایت شروع به اسکن پایه هایی که به عنوان ورودی تعریف شده اند می کنیم . اگر مقدار پایه ای صفر باشد به منزله این است که کلیدی در آن سطر فشرده شده و مقدار متناظر با آن سطر را از جدول جمعی که تشکیل داده بودیم در یک متغییر ذخیره می کنیم .

unsigned char row;
DDRx =0XF0; // 4 OUT 4 IN
PORTx=0X0F; // key columns all low and active pull ups on rows enabled
if(PINx.3==0) row=0;
if(PINx.2==0) row=4;
if(PINx.1==0) row=8;
if(PINx.0==0) row=12;

مرحله دوم اسکن صفحه کلید ماتریسی 4X4

در مرحله دوم برعکس مرحله اول عمل می کنیم پایه هایی را که به ستون های صفحه کلید ماتریسی ۴*۴ وصل کرده ایم به عنوان پایه های ورودی تعریف می کنیم و پایه هایی را که به سطرهای صفحه کلید ماتریسی ۴*۴ وصل کرده ایم به عنوان پایه های خروجی تعریف می کنیم .

سپس مقدار صفر منطقی را روی پایه های خروجی قرار می دهیم و در نهایت شروع به اسکن پایه هایی که به عنوان ورودی تعریف شده اند می کنیم و اگر مقدار پایه ای صفر باشد به منزله این است که کلیدی در آن ستون فشرده شده و مقدار متناظر با آن ستون را از جدول جمعی که تشکیل داده بودیم در یک متغییر دیگر ذخیره می کنیم .

unsigned char column;
DDRx =0X0F; // 4 IN 4 OUT / change port configuration
PORTx=0XF0; // enable pull ups on columns and write 0s to rows
if(PINx.7==0) column =0;
if(PINx.6==0) column =1;
if(PINx.5==0) column =2;
if(PINx.4==0) column =3;

بعد از مراحل اسکن صفحه کلید ماتریسی 4X4 ، برای مشخص کردن موقعیت کلید فشرده شده ، کافیست تا اعدادی را که از دو مرحله قبل در متغییرهای row , column ذخیره کردیم با یکدیگر جمع کنیم . در پایان نیز با تعریف یک آرایه شانزده رقمی و قرار دادن مقادیر asci اعداد در آن می توان کاراکتر متناظر با صفحه کلید را از درون این آرایه جهت نمایش روی  lcd کاراکتری  استخراج کرد .

flash char kbd_table[16]={‘۱’,’۲′,’۳′,’A
‘۴’,’۵’,’۶’,’B’,
‘۷’,’۸’,’۹’,’C’,
‘*’,’۰’,’#’,’D’};

char key;
key=kbd_table [ row + column ];

برای درک بهتر مسئله به ذکر یک مثال می پردازیم :
فرض می کنیم کلید شماره ۹ از روی صفحه کلید ماتریسی ۴*۴ را فشرده ایم طبق مرحله اول اسکن صفحه کلید ، P.1  از پایه های پورت ما برابر با مقدار صفر می شود و با توجه به دستور   if(PINx.1==0)  row=8  مقدار ۸ در متغییر row  جا می گیرد .

در مرحله دوم اسکن صفحه کلید ،  P.6  از پایه های پورت ما برابر با مقدار صفر می شود و با توجه به دستور  if(PINx.6==0)  column =1  مقدار ۱ در متغییر column  جا می گیرد و در نهایت با جمع دو متغییر row+column عدد ۹ بدست می آید که همان مقدار کلید فشرده شده است .

معرفی توابع کتابخانه اسکن صفحه کلید ماتریسی ۴*۴ با نرم افزار codevision

تابع kbd_init

الگوی این تابع به شکل زیر می باشد :

void kbd_init(void);

این تابع جهت initializes  یا مقدار دهی اولیه پورت می باشد .

تابع  debounce

الگوی این تابع به شکل زیر می باشد :

void debounce(unsigned char Debouncing_time);

این تابع دارای یک پارامتر با نام Debouncing_time است که مقدار آن از ۰ تا  ۲۰۰ بر حسب میلی ثانیه می باشد  و  یک تاخیر  از ۰ تا ۲۰۰  میلی ثانیه بعد از فشرده شدن هر کلید بوجود می آورد تا لرزشی که در هنگام فشرده شدن کلید پدید می آید از بین برود و این لرزش به منزله فشرده شدن کلید طلقی نگردد .

اگر مقداری بیشتر از ۲۰۰ به آرگومان این تابع بدهیم حداکثر تاخیر یعنی همان ۲۰۰ میلی ثانیه منظور می گردد ، مناسب ترین مقدار برای جلوگیری از لرزش کلیدمقدار ۱۰۰ میلی ثانیه می باشد . مقدار Debouncing_time بصورت پیش فرض ۱۰۰ قرار داده شده .

تابع waitkey 

الگوی این تابع به شکل زیر می باشد :

void waitkey(void);

این تابع منتظر فشرده شدن کلید می ماند .

تابع waitnokey

الگوی این تابع به شکل زیر می باشد :

void waitnokey(void);

این تابع منتظر می ماند تا کلید فشرده شده رها شود یا به عبارتی فشرده نشدن کلیدها را چک می کند .

تابع readkey

الگوی این تابع به شکل زیر می باشد :

char readkey(void);

این تابع صفحه کلید را اسکن می کند و اگر کلیدی فشرده شده باشد مقدار آن را می خواند .

تابع getkey

الگوی این تابع به شکل زیر می باشد :

char getkey(void);

این تابع اصلی ترین تابع می باشد که ما برای اسکن صفحه کلید ماتریسی ۴*۴ از آن استفاده می کنیم ، این تابع  ترکیبی از توابعی است که قبلا ذکر شد .

این تابع منتظر فشرده شدن کلید می ماند و پس از فشرده شدن کلید عمل debounce گیری را انجام می دهد سپس صفحه کلید را اسکن کرده و مقدار کلید فشرده شده را می خواند و درنهایت منتظر می ماند تا کلید فشرده شده رها شود .

تابع getnum

الگوی این تابع به شکل زیر می باشد :

char getnum(void);

عملکرد این تابع شبیه عملکرد تابع getkey   می باشد با این تفاوت که فقط مقادیر کاراکتر های ۰ تا ۹ را برمی گرداند .

اگر مقادیر خوانده شده از صفحه کلید ، متناظر با کلید فشرده شده توسط شما نبود . فایل کتابخانه ای keypad.lib  را توسط محیط کدویژن باز نموده و با جابجایی کاراکترها در جدول kbd_lib   این مشکل را برطرف نمایید .

اسکن صفحه کلید ماتریسی ۴*۴ و نمایش بر روی lcd 2*16

ابتدا از پوشه library که پیوست این مقاله می باشد فایل هدر keypad.h را در پوشه inc   و فایل کتابخانه ای  keypad.lib   را در پوشه lib   در مسیری که نرم افزار کدویژن را نصب کرده اید کوپی کنید .

سپس  نرم افزار کدویژن را اجرا کرده و توسط کدویزارد از زبانه   Chip  آی سی  مورد  نظر  و  از  قسمت  Alphanumeric   LCD پیکربندی LCD را انجام داده و در ادامه با ذخیره فایل تولید شده توسط codewizard بستری را برای برنامه نویسی خود فراهم کنید.

سپس  با استفاده از دستور پیش پردازنده <include <keypad.h# فایل هدر keypad  را به برنامه خود اضافه کنید . حال نوبت به معرفی پورتی که قرار است کیپد ۴*۴ را به آن متصل کنیم می رسد .

برای سادگی و قابل فهم بودن  پیکربندی keypad روی پورت مورد نظر ، از الگوی پیکربندی lcd   کاراکتری  که در ورژن های قدیمیتر کدویژن و به زبان اسمبلی استفاده می شد بکار گرفته شده است ، برای انجام پیکربندی ابتدا باید آدرس پورتهای خروجی میکروکنترلر AVR را بدانیم.

الگوی پیکربندی lcd   کاراکتری به شکل زیر می باشد  :

#asm
.equ __lcd_port=0x18 ;portb
#endasm
#include <lcd.h>;

الگوی پیکربندی ۴*۴ keypad به شکل زیر می باشد  :

#asm
.equ __kbd_port=0x1b ;porta
#endasm
#include <keypad.h>;

نمایش کلید فشرده شده بر روی lcd کاراکتری

/****************************************************
Project : 4 x 4 Keypad - polling
Version : 1
Date    : 4/5/2013
Author  : hossein ghiasvand
Company : http://www.micronik.ir
E-mail  :hossein.ghiasvand@gmail.com

Chip type               : ATmega16
Program type            : Application
AVR Core Clock frequency: 8.000000 MHz
Memory model            : Small
External RAM size       : 0
Data Stack size         : 256
****************************************************/
#include <mega16.h>
#include <delay.h>
#include <alcd.h>

#asm
    .equ __kbd_port=0x1b ;PORTA
#endasm
#include <keypad.h>

void main(void)
{
lcd_init(16);
kbd_init();

while (1)
      { 
      unsigned char keypressed;
      lcd_clear();      
      lcd_gotoxy(0,0);
      lcd_putsf("Enter Key:");
      lcd_gotoxy(0,1); 
      _lcd_write_data(0x0f);     //Cursor blanked
          while(1)
          { 
          keypressed=getkey();
          lcd_putchar(keypressed);
          if(keypressed=='C') break; //'C'-----> clear screen
          }
      }
}

در مثال ذکر شده اسکن صفحه کلید ماتریسی ۴*۴ به روش polling  یا سرکشی صورت می پذیرد ، یعنی میکروکنترلر باید دائما به پورتی که کیپد به آن متصل شده سرکشی کند تا فشرده شدن کلیدی را متوجه شود .

این عمل باعث اشغال شدن cpu  می شود و از کارایی میکروکنترلر avr کاسته می شود ، برای رفع این مشکل از روشی به نام wake up در اسکن صفحه کلید ۴*۴ استفاده می کنیم .

در این روش با استفاده از چهار عدد دیود 1N4148 سطرهای  کیپد ( P.0 تا  P.3) را به یکی از وقفه های خارجی میکروکنترلر متصل می کنیم و با فعال سازی وقفه خارجی ، هنگامی که کلیدی فشرده شود زیر برنامه وقفه خارجی اتفاق می افتد و با نوشتن دستورات مربوط به کلید خوانی در زیر برنامه وقفه ، مقدار کلید فشرده شده را بدون نیاز به سرکشی دائم و اشغال شدن cpu   میکروکنترلر  بدست می آورد .

مثال :
ابتدا با استفاده از چهار عدد دیود 1N4148  پینهای صفر تا سه از پورتی که کیپد به آن متصل شده را مطابق شکل به پایه INT0 میکروکنترلر وصل کنید . سپس PIND.2  که ورودی وقفه خارجی صفر است را به عنوان ورودی و مقاومت poll up  آن را فعال نموده و وقفه خارجی صفر را در مد low level  قرار دهید . در این مثال lcd  روی PORTB پیکربندی شده .

/****************************************************
Project : 4 x 4 Keypad - Wake-up on Keypress
Version : 2
Date    : 4/5/2013
Author  : hossein ghiasvand
Company : http://www.micronik.ir
E-mail  :hossein.ghiasvand@gmail.com
Comments: 
• ۱۶ Key Pushbutton Pad in 4 x 4 Matrix
Chip type               : ATmega16
Program type            : Application
AVR Core Clock frequency: 8.000000 MHz
Memory model            : Small
External RAM size       : 0
Data Stack size         : 256
****************************************************/
#include <mega16.h>
#include <delay.h>
#include <alcd.h>

#include <keypad.h>
#asm
.equ __kbd_port=0x1b ;PORTA
#endasm

_Bool wakeup=0;
char k;

void main(void)
{
DDRD=0X00;
PORTD=0Xff;
MCUCR=0x30;
GIMSK=0x40;
lcd_init(16);
lcd_clear();
kbd_init();
#asm("sei")
while (1)
      {  
      if(wakeup){  
        k=getkey(); 
        wakeup=0;
        lcd_putchar(k);
        if( k=='C') lcd_clear(); //'C'-----> clear 
        };
      // Place your code here
      }
}
 
interrupt [EXT_INT0] void ext_int0_isr(void)
{
wakeup=1;
}