Зачастую свободных выводов микроконтроллера не хватает для подключения необходимого количества кнопок. При непосредственном соединении для n кнопок надо выделить столько же линий ввода-вывода, что не всегда возможно.

Для более рационального использования линий портов можно воспользоваться матричной схемой подключения на рис.1. В данном случае матрица, подключённая к порту D, имеет размер 4*4=16 кнопок (4 строки r0…r3 и 4 столбца с0…с3). Линии PD0…PD3, являющиеся строками r0…r3, всегда настроены на ввод, и подтянуты к шине питания резисторами R (типичный номинал 4,7…10 кОм). С них и производится считывание состояния кнопок SB1-SB16. На линиях PD4…PD7 (столбцы с0…с3) поочерёдно формируется сигнал логического нуля.

Первоначально низкий уровень устанавливается на столбце с0, а на всех остальных столбцах при этом Z-состояние. Теперь только при нажатии кнопок этого столбца (SB1…SB4) на линиях строк r0…r3 может возникнуть низкий логический уровень. Далее логический 0 выставляется на столбце с1 и сканируются группа кнопок SB5…SB8 и т.д. Точно такой же алгоритм опроса кнопок применяется и для любой другой матричной клавиатуры не зависимо от числа строк и столбцов. В общем случае количество кнопок n является произведением числа строк и столбцов. Так, например, матрица 2*2 (4 линии) будет содержать 4 кнопки. Но с другой стороны столько же линий ввода-вывода понадобится и для непосредственного подключения того же числа кнопок. Таким образом, экономия выводов начинает проявляться при числе кнопок, превышающем 4…6, и становится ещё более существенной с ростом их количества.

Рис.1 Матричная схема подключения кнопок

Элементы VD1…VD4, и R1…R4 не являются обязательными на схеме. Диоды служат для защиты от короткого замыкания между линиями строк и столбцов. Если, например, при нажатии на кнопку SB1 (в момент сканирования столбца c0) линия строки r0 вдруг окажется настроенной на вывод и на ней будет высокий логический уровень, то по цепи c0r0 начнет протекать недопустимо большой ток. Хотя логика программы не допускает такого режима работы, по разным причинам это все-таки может произойти. Поэтому, по крайней мере, при отладке программы диоды не будут лишними. Если емкость монтажа, приведенная к выводам PD3…PD0, не слишком велика, то сопротивления подтяжки к шине питания, вполне можно заменить внутренними “pull-up” резисторами. Для этого необходимо установить соответствующие разряды в регистре PORTD, когда линии настроены на ввод.

Пример подпрограммы сканирования матричной клавиатуры

При всех преимуществах матричная схема подключения обладает и одним недостатком. С её помощью тяжело реализовать чтение комбинаций кнопок. В случае, когда на такой клавиатуре будут нажаты любые три кнопки, образующие между собой прямой угол (например, SB1,SB2,SB5), то программой опроса будет зафиксировано ложное нажатие кнопки, лежащей в свободном углу прямоугольника (в данном случае SB6). При определённом раскладе такой “фантомной” кнопкой может оказаться любая кнопка на клавиатуре.