仅用 3 根模拟口驱动 4×3 矩阵键盘：电阻分压识别键值

问题背景

标准 4×3 矩阵键盘需 7 个数字 IO（4 行 + 3 列），在 Uno/Nano 等引脚紧张的场景下占用过多。本文提出仅用 3 个模拟输入引脚（A0/A1/A2），通过精心设计的电阻分压网络，将 12 个按键映射为 3 路互不重叠的电压区间，实现零库依赖、低资源占用的按键检测。

电路原理

拓扑结构

每列接一只公共下拉电阻 R5=R6=R7=1kΩ 至地；每行通过不同阻值电阻接 VCC：

• Row1（键 1,2,3）：直接接 VCC（等效 R1=0Ω）
• Row2（键 4,5,6）：R2=1kΩ
• Row3（键 7,8,9）：R3=3kΩ
• Row4（键 *,0,#）：R4=10kΩ（原文为 330Ω+1k+3k 组合，简化为单一上拉电阻）

按下某键时，对应列被拉高至该行分压电压，其余列保持 0V。ADC 读取三列电压，非零列即为按键所在列，电压幅度对应行号。

电压区间设计（5V 供电，10-bit ADC，0~1023）

原文给出的实测窗口：Row1 923~1123、Row2 669~869、Row3 412~612、Row4 156~356（单位 ADC 值）。通过选用 1% 精度电阻或软件校准可进一步扩大间隔。

Arduino 实现代码

/* Analog 4x3 Keypad - 3 Analog Inputs
 * G. Carrera 2018
 */
const int NADCmin[4] = {923, 669, 412, 156};
const int NADCmax[4] = {1123, 869, 612, 356};
const char keyMap[12] = {'1','4','7','*',  // Col0: Row1~Row4
                         '2','5','8','0',  // Col1
                         '3','6','9','#'}; // Col2
int keyVal[3];

void setup() { Serial.begin(9600); }

void loop() {
  char k = readKeypad();
  if (k != 'N') {
    Serial.print("Key: "); Serial.println(k);
    delay(300); // 简单去抖
  }
}

char readKeypad() {
  scanColumns();
  // 无按键：三列和 < 40 (约 0.2V)
  if (keyVal[0] + keyVal[1] + keyVal[2] < 40) return 'N';
  delay(10); // 去抖
  scanColumns();
  // 识别哪列非零
  for (int c = 0; c < 3; c++) {
    if (keyVal[c] > 40) {
      int v = keyVal[c];
      for (int r = 0; r < 4; r++) {
        if (v >= NADCmin[r] && v <= NADCmax[r]) {
          return keyMap[c * 4 + r];
        }
      }
    }
  }
  return 'N';
}

void scanColumns() {
  keyVal[0] = analogRead(A0); delay(1);
  keyVal[1] = analogRead(A1); delay(1);
  keyVal[2] = analogRead(A2); delay(1);
}

扩展至 4×4 键盘

增加第 4 列：再接一路模拟输入 A3，复用相同的行电阻网络，即可支持 16 键。同理可扩展至更多列，仅受限于可用模拟输入数量（Uno 6 路，最多 5 列 20 键）。

优缺点分析

实物原型

作者用废弃按键手工搭建原型，5 针排针接 Arduino，验证方案可行。

原理图