Como usar um teclado matricial: fechadura com senha 4x4 com Arduino

O teclado matricial (keypad) é um dispositivo de entrada barato, parecido com as teclas de um telefone, que permite digitar números ou letras no seu projeto. Fechaduras de porta com senha, cofres, calculadoras, painéis de alarme e sistemas de menu são feitos com teclados assim. Os modelos mais comuns são os teclados de membrana finos, com verso adesivo, nos formatos 4x4 (16 teclas) e 3x4 (12 teclas).

Como funciona um teclado matricial? A matriz de linhas e colunas

Se cada uma das 16 teclas tivesse o próprio pino, você precisaria de 16 pinos. Em vez disso, o teclado organiza as teclas em uma matriz: há 4 linhas e 4 colunas, cada tecla fica onde uma linha e uma coluna se cruzam, e apertá-la liga aquela linha àquela coluna. O Arduino coloca as linhas em LOW uma de cada vez e lê as colunas; a coluna que estiver em LOW enquanto uma certa linha está em LOW diz qual tecla foi apertada. Como essa varredura acontece centenas de vezes por segundo, 16 teclas são lidas com só 8 pinos.

Pinagem e ligação do teclado matricial

Com as teclas viradas para você, os pinos do cabo flat costumam ser, da esquerda para a direita, R1, R2, R3, R4, C1, C2, C3, C4: os quatro primeiros são as linhas e os quatro últimos, as colunas. Não precisa de resistores extras; a biblioteca usa os resistores de pull-up internos do Arduino nas colunas.

Lendo as teclas com a biblioteca Keypad

No Gerenciador de Bibliotecas, busque Keypad e instale a biblioteca de Mark Stanley e Alexander Brevig. O código abaixo mostra no Monitor Serial cada tecla que você aperta:

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}

O getKey() não bloqueia o programa: se nenhuma tecla estiver apertada naquele momento, ele retorna 0 na hora, então você pode fazer outras tarefas no loop(). A própria biblioteca cuida do repique das teclas e informa cada toque uma única vez. Se você quiser esperar até uma tecla ser apertada, use waitForKey().

Montando uma fechadura com senha

Agora vamos juntar as teclas apertadas em uma string e compará-la com uma senha guardada. A tecla * apaga o que foi digitado e a tecla # confirma. Se a senha estiver certa, um servo motor abre a fechadura por 3 segundos. Para a ligação do servo, veja O que é servo motor?

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}

Usando com um LCD

Um display deixa muito mais fácil ver o que você está fazendo ao digitar a senha. Um LCD I2C usa só os pinos A4 e A5, então não mexe nos 8 pinos digitais do teclado. Mostre um asterisco na linha de baixo do LCD a cada tecla apertada e exiba “Open” (aberto) ou “Wrong” (errado) na linha de cima depois de confirmar. A ligação e os comandos do display estão em Como usar um display LCD I2C.

Menos pinos: teclados I2C e analógicos

Sozinho, o teclado ocupa 8 dos 20 pinos do Uno. Quando faltam pinos, há duas soluções: um adaptador I2C para teclado baseado no PCF8574 reduz o teclado a só dois fios e compartilha o barramento com um LCD. Nos teclados analógicos, cada tecla cria uma resistência diferente e o teclado inteiro é lido por um único pino analógico; ele precisa de menos fios, mas não detecta duas teclas apertadas ao mesmo tempo.

Teclado matricial com ESP32 e Raspberry Pi Pico

A biblioteca Keypad também funciona no ESP32. Como os pinos das linhas são usados como saídas e os das colunas como entradas com pull-up, evite os GPIO 34–39, que não funcionam como saída e não têm resistores de pull-up; por exemplo, escolha 13, 12, 14 e 27 para as linhas e 26, 25, 33 e 32 para as colunas. No Pico com MicroPython, você mesmo pode escrever a varredura em poucas linhas:

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)

Ideias de projetos com teclado matricial

• Cofre com senha: uma caixa que abre quando o código é digitado, com servo motor, LCD e buzzer.
• Calculadora: use as teclas de A a D como as quatro operações e mostre o resultado em um LCD.
• Seletor de cores: mude a cor de um LED RGB de acordo com o número digitado.
• Painel de alarme: ative e desative com um código um alarme com sensor PIR.
• Jogo de adivinhar o número: descubra o número que o Arduino escolheu com as dicas “maior” e “menor”.
• Teclado de atalhos: transforme cada tecla em um atalho do computador com um Arduino Leonardo.

Erros comuns e como corrigir

• É lida uma tecla diferente da apertada: a ordem das linhas e colunas está invertida; inverta a ordem dos arrays rowPins e colPins.
• Nenhuma tecla é lida: o cabo flat está encaixado um pino deslocado, ou os pinos das linhas e colunas são diferentes dos do código.
• Algumas teclas nunca funcionam: um fio de linha ou de coluna está com mau contato; se todas as teclas de uma linha ou coluna falham, esse é o sinal.
• Usar os pinos 0 e 1: esses pinos são da comunicação serial pela USB; carregar o código com o teclado ligado pode falhar.
• No ESP32, algumas colunas parecem sempre apertadas: estão sendo usados os GPIO 34–39, que não têm pull-up; mude para outros pinos.
• Esperar repetição ao segurar a tecla: o getKey() informa cada toque uma vez; use o estado HOLD da biblioteca para detectar uma tecla segurada.

No fundo, um teclado matricial é só um conjunto de botões organizados em matriz; a lógica dos botões está em Como ligar um botão no Arduino. No app BlueGrays você encontra o básico dos teclados 3x4 e 4x4, um app de senha com LCD, um cofre eletrônico inteligente, uma calculadora I2C e controle de LED RGB pelo teclado, com esquemas do circuito e código.