以Multisim仿真软件验证CD4017键盘扫描电路真值数据分析

以Multisim仿真软件验证CD4017键盘扫描电路真值数据分析
在项目中当MCU的I/O足够多的情况下，使用矩阵键盘扫描的方式来进行按键检测，方案常规。但是当遇到I/O数量不足情况下就要考虑其他的方案。
有两个办法可以解决此类问题：方案1：电压分压检测法；使用现成的I/O扩展器，或用一只电阻排，为每个键设定一个唯一的电压，然后使用模拟引脚来读取电压值，判断按住了哪个键。缺点：一方面是I/O扩展器需通过特殊的通信协议(如I2C或SPI)来读写数据，MCU需要具备内置通信模块，或用户需实现相关的通信协议软件，而这明显增加了MCU的负担。另一方面是当按键数量增加时，通过电阻排给各按键分配独特电压会变得很繁琐，而这最终将导致电压裕度较小。此外，由于电阻值会随温度而变化，使用较小的电压裕度可能导致读取错误，甚至连开关弹跳都可能成为导致电压出错的重要原因。这种方法的另一个弊端是要求MCU中需有模拟输入引脚。
方案2：计数器检测中断法; 优势：它只需要两只I/O引脚，而不论连接的开关数量有多少;不需要特别的通信协议;不需要模拟引脚,电路方面搭建。
本案例基于两个CD4017约翰逊计数器组成的4×3键盘电路，LED1–LED9为输出端口状态显示，R1–R9为限流电阻，D8，D9，D10组成“或”门，D1–D7为单向二极管，R10-R14为限流电阻。

电路分析（仿真软件已验证）
CD4017上电后，MR进行自复位操作，MR变为H，行检测 U1的状态置位，Q0=H，Q1–Q9=L，Q3与MR相连，MR变为L，可以计数，由于CP1=L，计数方式为上升沿触发方式，U2的上电初始状态，触发方式都与U1相同。
U1初始输出状态Q0 Q1 Q2 Q3值为1000，LED1亮起，这时按下按键1时，输出端=H，为什么等于H？是因为U1，U2的Q0=H，U2/Q0电压通过D1，R10后当按键按下时，由于D5负端为H，不会把U2/Q0过来的电压吃掉，通过D8输出H。其他按键检测方式与上描述相同。关键节点分析，当第三个脉冲到达后，U1/Q3输出为H，导致MR=H，U1进行置位，Q0变为H，Q1–Q3变为L，MR又变为L，U1又可以计数，这个过程中LED4会闪一下。当第三个脉冲到达后，U2/CP0接受到1个高电平，U2计数1次，状态由Q0-Q4 10000变为01000。每3个脉冲U2计数1次。还有一个状态有需要特别注意，上电后到稳定阶段，输出口会有短暂的不稳定输出状态，对于危险设备请注意延时防勿动操作。
MCU每隔一段时间会产生一序列的时钟脉冲，MCU内的时钟计数自动增加，脉冲序列数与内部计数都等于键盘上的开关数目，按下这些开关时可造成中断。
只有当行和列的按钮两端均处于逻辑高位时，一个按钮被按下时才会发生中断。如果按钮的行或列，有一端或者两端处于逻辑零值，则不会发生中断。
中断发生时，MCU读取当时的计数值，所读取的值即对应于刚按下的按钮。

注意：虽然本例仅展示了4×3键盘的读取方法，但可以用两个4017计数器的剩余输出来读取10×10键盘。另外，必要时，还可以级联更多的4017 IC来扩展键盘，方法检测一致。
原著：克努先生