Arduino 64 键原型键盘矩阵：用移位寄存器打造全自定义键盘

项目缘起

作者需要在一个嵌入式项目中集成键盘，但不能使用 USB 键盘或现成 Arduino 键盘库，因为目标 MCU 需要直接扫描矩阵。于是设计了这款无集成电路的 64 键 PCB 原型键盘：行列引脚直接引出到排针，配合 74HC595 移位寄存器仅占用 MCU 11 个 I/O，即可实现 64 键全键无冲 (NKRO) 扫描。

原理：键盘矩阵 + 二极管防鬼键

矩阵扫描：8 行 × 8 列 = 64 键。逐行拉低 (输出 LOW)，读取 8 列 (输入上拉)；列读 LOW 表示该行该列按键按下。全键盘每秒扫描 200 次 (每行 5 ms)。

1N4148 二极管：串联在每个按键阳极侧，单向导通防止“鬼键”，实现真正的 N-Key Rollover。

74HC595 省引脚：3 根线 (Data/Clock/Latch) 控制 8 行输出，节省 5 个 I/O。输入端直接用 MCU 内部上拉，不再用输入移位寄存器，避免抖动与噪声。

PCB 设计要点

• 工具：KiCad 原理图 + PCB；板框在 Fusion 360 绘制导出 DXF 导入 Edge.Cuts 层
• 按键布局参考标准键盘排列，走线需过孔 (2 层板)
• 关键坑点：KiCad 自带二极管符号引脚序与封装不一致，导致首版 PCB 二极管全反向。作者自建封装交换引脚序解决。
• Gerber 打包可直接上传 JLCPCB 等厂商生产

焊接建议

1. 先焊 64 颗 1N4148 (注意标记方向)，修剪引脚
2. 再焊 64 颗 6×6×5 mm 轻触开关
3. 最后焊 2×8 排针 (公/母均可，公头插在板底可直插面包板)

接线指南 (Arduino Uno 示例)

74HC595 接线：

• Data (DS/14) → D2
• Latch (ST_CP/12) → D3
• Clock (SH_CP/11) → D4
• VCC/GND 各两脚接 5V/GND
• 输出 Q0~Q7 对应 Row 1~8 (注意 Q1 对应 Row 2 等非顺序排布，详见文中 Pinout 表)

固件特性

• 零依赖库，纯手写扫描逻辑，确保每个键在每种修饰键组合下行为可独立定义
• 支持 Shift / CapsLock / Ctrl / Alt / Fn / Special 六种修饰键，正确处理 “Caps+Shift=小写” 等真实键盘逻辑
• 默认向串口输出 ASCII，替换 Serial.print 即可接驱 OLED、LCD、USB HID 等
• 两个版本：
  • ProtoKeyboardV1-Bits.ino (v1.2) —— 位运算比较当前/上一帧全键盘状态，250 Hz 扫描，Flash 3.5 KB / RAM 605 B，兼容 Cortex-M4 等高速 MCU
  • ProtoKeyboardV1.1-Shifted.ino (旧版) —— 仅记录上一个按键，Flash 9.1 KB / RAM 394 B

新版核心扫描逻辑 (v1.2 精简版)

const int rowData=2, rowLatch=3, rowClock=4;
const int colPins[8] = {A0,A1,A2,A3,A4,A5,5,6};
byte shiftRow[8] = {B01111111, B10111111, B11011111, B11101111,
                    B11110111, B11111011, B11111101, B11111110};
byte rowState[8], prevRowState[8];
int rowToCheck = 0;
long prevMicros = 0, interval = 500; // µs

void setup() {
  Serial.begin(9600);
  for (int p: colPins) pinMode(p, INPUT_PULLUP);
  pinMode(rowLatch, OUTPUT); pinMode(rowClock, OUTPUT); pinMode(rowData, OUTPUT);
  updateShiftRegister(B11111111);
}

void loop() {
  if (micros() - prevMicros > interval) {
    prevMicros = micros();
    checkKeyboard();
  }
}

void checkKeyboard() {
  updateShiftRegister(shiftRow[rowToCheck]);
  for (int c=0; c<8; c++)
    bitWrite(rowState[rowToCheck], c, digitalRead(colPins[c])==LOW);
  updateShiftRegister(B11111111);
  if (++rowToCheck > 7) { checkPressedKeys(); rowToCheck = 0; }
}

void checkPressedKeys() {
  // 解析修饰键状态
  bool shift = bitRead(rowState[5],1) | bitRead(rowState[6],4);
  bool ctrl  = bitRead(rowState[6],5) | bitRead(rowState[7],3);
  bool spcl  = bitRead(rowState[6],6) | bitRead(rowState[7],2);
  bool alt   = bitRead(rowState[6],7) | bitRead(rowState[7],1);
  bool fn    = bitRead(rowState[7],4);
  bool caps  = capsLockState; // 由 processKey 维护
  bool capsShift = shift && caps;

  for (int r=7; r>=0; r--)
    for (int c=7; c>=0; c--) {
      bool now = bitRead(rowState[r],c);
      bool prev = bitRead(prevRowState[r],c);
      if (now && !prev) { // 上升沿 = 新按下
        int idx = r*8 + c;
        char ch = capsShift ? capsShiftKey[idx] :
                  shift ? shiftKey[idx] :
                  ctrl ? ctrlKey[idx] :
                  alt ? altKey[idx] :
                  spcl ? spclKey[idx] :
                  fn ? fnKey[idx] :
                  caps ? capsKey[idx] : key[idx];
        processKey(ch);
      }
      bitWrite(prevRowState[r], c, now);
    }
}

void processKey(char k) {
  if (k == 7) capsLockState = !capsLockState; // ASCII 7 = CapsLock 自定义码
  else Serial.print(k);
}

void updateShiftRegister(byte b) {
  digitalWrite(rowLatch, LOW);
  shiftOut(rowData, rowClock, MSBFIRST, b);
  digitalWrite(rowLatch, HIGH);
}

按键映射表 (key[] 数组索引 = 行×8+列)

数组按行主序排列，含字母、数字、符号、修饰键、功能键，共 64 位。修饰键位置固定 (如 Left Shift=Row5 Col1, Right Shift=Row6 Col4 等)，其 ASCII 码设为 0，由单独逻辑处理。所有映射表 (key、shiftKey、capsKey… ) 均在代码开头，便于修改。

资源文件

• PCB Gerber 打包：keyplots_4xipOSLHzg.zip (可直接下单打板)
• 原理图 PDF：schematic.pdf
• 两版固件源码

适用场景

• 嵌入式设备原型需集成键盘
• 自制宏键盘、编程键盘、乐器控制器
• 教学演示键盘矩阵扫描、防鬼键原理