Come usare un tastierino (keypad): serratura a codice 4x4 con Arduino

Un keypad (tastierino) è un dispositivo di input economico, simile ai tasti di un telefono, che ti permette di inserire numeri o lettere nel tuo progetto. Con un tastierino si realizzano serrature a codice, casseforti, calcolatrici, centraline d'allarme e sistemi a menu. I modelli più comuni sono tastierini a membrana sottili con retro adesivo, nei formati 4x4 (16 tasti) e 3x4 (12 tasti).

Come funziona un tastierino? La matrice righe-colonne

Se ognuno dei 16 tasti avesse un pin tutto suo, servirebbero 16 pin. Il tastierino invece dispone i tasti in una matrice: 4 righe e 4 colonne; ogni tasto si trova all'incrocio di una riga e di una colonna e, premendolo, collega quella riga a quella colonna. Arduino porta le righe a LOW una alla volta e legge le colonne; la colonna che legge LOW mentre una certa riga è a LOW indica quale tasto è premuto. Poiché questa scansione avviene centinaia di volte al secondo, bastano 8 pin per leggere 16 tasti.

Piedinatura e collegamento del tastierino

Con i tasti rivolti verso di te, i pin del cavo piatto sono di solito, da sinistra a destra, R1, R2, R3, R4, C1, C2, C3, C4: i primi quattro sono le righe e gli ultimi quattro le colonne. Non servono resistenze: la libreria usa le resistenze di pull-up interne di Arduino per le colonne.

Leggere i tasti con la libreria Keypad

Nel Gestore librerie cerca Keypad e installa la libreria di Mark Stanley e Alexander Brevig. Il codice qui sotto scrive nel Monitor seriale ogni tasto che premi:

1#include <Keypad.h>
2
3const byte ROWS = 4, COLS = 4;
4char keys[ROWS][COLS] = {
5  {'1', '2', '3', 'A'},
6  {'4', '5', '6', 'B'},
7  {'7', '8', '9', 'C'},
8  {'*', '0', '#', 'D'}
9};
10byte rowPins[ROWS] = {9, 8, 7, 6};     // R1–R4
11byte colPins[COLS] = {5, 4, 3, 2};     // C1–C4
12Keypad keypad = Keypad(makeKeymap(keys), rowPins, colPins, ROWS, COLS);
13
14void setup() {
15  Serial.begin(9600);
16}
17
18void loop() {
19  char key = keypad.getKey();          // tuş yoksa 0 döner / returns 0 if no key
20  if (key) {
21    Serial.println(key);
22  }
23}

getKey() non blocca il programma: se in quel momento non c'è un tasto premuto restituisce subito 0, così puoi fare altro in loop(). La libreria gestisce da sola il rimbalzo dei tasti e segnala ogni pressione una sola volta. Se vuoi aspettare finché non viene premuto un tasto, usa waitForKey().

Costruire una serratura a codice

Ora raccogliamo i tasti premuti in un testo e lo confrontiamo con un codice salvato. Il tasto * cancella l'inserimento, il tasto # lo conferma. Se il codice è giusto, un servomotore apre la serratura per 3 secondi. Per il collegamento del servo vedi Cos'è un servomotore?

1#include <Keypad.h>
2#include <Servo.h>
3
4const byte ROWS = 4, COLS = 4;
5char keys[ROWS][COLS] = {
6  {'1', '2', '3', 'A'},
7  {'4', '5', '6', 'B'},
8  {'7', '8', '9', 'C'},
9  {'*', '0', '#', 'D'}
10};
11byte rowPins[ROWS] = {9, 8, 7, 6};
12byte colPins[COLS] = {5, 4, 3, 2};
13Keypad keypad = Keypad(makeKeymap(keys), rowPins, colPins, ROWS, COLS);
14
15Servo lock;
16const String PASSWORD = "1234";
17String input = "";
18
19void setup() {
20  Serial.begin(9600);
21  lock.attach(10);
22  lock.write(0);                        // kilitli / locked
23}
24
25void loop() {
26  char key = keypad.getKey();
27  if (!key) return;
28  if (key == '*') {                     // temizle / clear
29    input = "";
30  } else if (key == '#') {              // onayla / confirm
31    if (input == PASSWORD) {
32      Serial.println("Doğru, açılıyor / correct, opening");
33      lock.write(90);
34      delay(3000);
35      lock.write(0);
36    } else {
37      Serial.println("Yanlış şifre / wrong code");
38    }
39    input = "";
40  } else if (input.length() < 8) {
41    input += key;
42    Serial.print('*');                  // tuşu gizle / hide the key
43  }
44}

Usarlo con un display LCD

Un display rende molto più comodo vedere cosa stai facendo mentre inserisci il codice. Un LCD I2C usa solo i pin A4 e A5, quindi non tocca gli 8 pin digitali del tastierino. A ogni pressione scrivi un asterisco sulla riga inferiore dell'LCD e, dopo la conferma, mostra "Aperto" o "Errato" sulla riga superiore. Collegamento e comandi del display sono spiegati in Usare un display LCD I2C.

Meno pin: tastierini I2C e analogici

Il tastierino da solo occupa 8 dei 20 pin dell'Uno. Quando i pin non bastano ci sono due soluzioni: un adattatore I2C per tastierino basato sul PCF8574 riduce il tutto a due fili e condivide il bus con l'LCD. Nei tastierini analogici ogni tasto crea una resistenza diversa e l'intero tastierino si legge da un solo pin analogico; servono meno fili, ma non si possono rilevare due tasti premuti insieme.

Tastierino con ESP32 e Raspberry Pi Pico

La libreria Keypad funziona anche sull'ESP32. Poiché i pin delle righe fanno da uscite e quelli delle colonne da ingressi con pull-up, evita i GPIO 34–39, che non possono fare da uscita e non hanno pull-up; per esempio usa 13, 12, 14 e 27 per le righe e 26, 25, 33 e 32 per le colonne. Sul Pico con MicroPython puoi scrivere tu stesso la scansione in poche righe:

1from machine import Pin
2import time
3
4KEYS = ["123A", "456B", "789C", "*0#D"]
5rows = [Pin(n, Pin.OUT, value=1) for n in (2, 3, 4, 5)]        # R1–R4
6cols = [Pin(n, Pin.IN, Pin.PULL_UP) for n in (6, 7, 8, 9)]     # C1–C4
7
8def scan():
9    for r, row in enumerate(rows):
10        row.value(0)                         # bu satırı etkinleştir / activate this row
11        for c, col in enumerate(cols):
12            if col.value() == 0:             # tuş basılı / key pressed
13                row.value(1)
14                return KEYS[r][c]
15        row.value(1)
16    return None
17
18last = None
19while True:
20    key = scan()
21    if key and key != last:                  # her basışı bir kez yaz / print each press once
22        print(key)
23    last = key
24    time.sleep_ms(50)

Idee di progetti con il tastierino

• Cassaforte a codice: una scatola che si apre inserendo il codice, con servomotore, display LCD e buzzer.
• Calcolatrice: usa i tasti A–D per le quattro operazioni e mostra il risultato su un LCD.
• Selettore di colore: cambia il colore di un LED RGB in base al numero inserito.
• Centralina d'allarme: attiva e disattiva con un codice un allarme con sensore PIR.
• Gioco indovina il numero: trova il numero scelto da Arduino con gli indizi "più alto" e "più basso".
• Tastiera di scorciatoie: trasforma ogni tasto in una scorciatoia del computer con un Arduino Leonardo.

Errori comuni e come risolverli

• Viene letto un tasto diverso da quello premuto: l'ordine di righe e colonne è invertito; inverti l'ordine degli array rowPins e colPins.
• Non viene letto nessun tasto: il cavo piatto è inserito spostato di un pin, oppure i pin di righe e colonne non corrispondono al codice.
• Alcuni tasti non funzionano mai: un filo di riga o di colonna fa falso contatto; se non funzionano tutti i tasti di una riga o colonna, è questo il segnale.
• Usare i pin 0 e 1: servono alla comunicazione seriale USB; caricare il codice con il tastierino collegato può dare errore.
• Sull'ESP32 alcune colonne sembrano sempre premute: si stanno usando i GPIO 34–39, privi di pull-up; spostale su altri pin.
• Aspettarsi ripetizioni tenendo premuto: getKey() segnala ogni pressione una volta; per rilevare un tasto tenuto premuto usa lo stato HOLD della libreria.

Un tastierino in fondo è fatto di pulsanti disposti a matrice; la logica dei pulsanti è spiegata in Come collegare un pulsante ad Arduino. Nell'app BlueGrays trovi progetti sull'uso dei tastierini 3x4 e 4x4, un'app per codici con LCD, una cassaforte elettronica intelligente, una calcolatrice I2C e il controllo di un LED RGB con tastierino, con schemi e codice.