Матричная клавиатура 4x4 и Arduino: кодовый замок

Матричная клавиатура (keypad) — недорогое устройство ввода, похожее на кнопки телефона: с её помощью в проект можно вводить цифры или буквы. На клавиатурах строят кодовые дверные замки, сейфы, калькуляторы, охранные панели и системы меню. Самые распространённые модели — тонкие плёночные клавиатуры с клейкой основой в раскладках 4x4 (16 кнопок) и 3x4 (12 кнопок).

Как работает клавиатура? Матрица строк и столбцов

Если бы у каждой из 16 кнопок был свой пин, понадобилось бы 16 пинов. Вместо этого кнопки клавиатуры собраны в матрицу: 4 строки и 4 столбца, каждая кнопка стоит на пересечении строки и столбца, а нажатие соединяет эту строку с этим столбцом. Arduino по очереди переводит строки в LOW и читает столбцы; столбец, на котором появился LOW при определённой строке в LOW, показывает, какая кнопка нажата. Такое сканирование идёт сотни раз в секунду, поэтому 16 кнопок читаются всего через 8 пинов.

Распиновка и подключение клавиатуры

Если повернуть клавиатуру кнопками к себе, пины шлейфа слева направо обычно такие: R1, R2, R3, R4, C1, C2, C3, C4; первые четыре — строки, последние четыре — столбцы. Дополнительные резисторы не нужны: для столбцов библиотека использует встроенные подтягивающие резисторы Arduino.

Чтение кнопок с библиотекой Keypad

В «Менеджере библиотек» (Library Manager) найди Keypad и установи библиотеку от Mark Stanley и Alexander Brevig. Код ниже выводит каждую нажатую кнопку в монитор порта:

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() не блокирует программу: если в этот момент ничего не нажато, функция сразу возвращает 0, и в loop() можно заниматься другими делами. Дребезг контактов библиотека обрабатывает сама и сообщает о каждом нажатии только один раз. Если нужно дождаться нажатия, используй waitForKey().

Собираем кодовый замок

Теперь соберём нажатые кнопки в строку и сравним её с сохранённым паролем. Клавиша * стирает ввод, а клавиша # подтверждает его. Если пароль верный, сервопривод открывает замок на 3 секунды. Как подключить сервопривод, читай в статье Что такое сервопривод?

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}

Вместе с LCD

С дисплеем гораздо проще понять, что происходит при вводе пароля. I2C LCD занимает только пины A4 и A5, поэтому не мешает 8 цифровым пинам клавиатуры. При каждом нажатии выводи звёздочку в нижней строке LCD, а после подтверждения показывай в верхней строке «Open» (открыто) или «Wrong» (неверно). Подключение дисплея и команды описаны в статье I2C LCD-дисплей с Arduino.

Меньше пинов: I2C- и аналоговые клавиатуры

Одна только клавиатура занимает 8 из 20 пинов Uno. Когда пинов не хватает, есть два решения: I2C-адаптер для клавиатуры на основе PCF8574 сокращает подключение всего до двух проводов и делит шину с LCD. В аналоговых клавиатурах каждая кнопка даёт своё сопротивление, и вся клавиатура читается одним аналоговым пином; проводов меньше, но два одновременных нажатия такая клавиатура распознать не может.

Клавиатура с ESP32 и Raspberry Pi Pico

Библиотека Keypad работает и на ESP32. Пины строк используются как выходы, а пины столбцов — как входы с подтяжкой, поэтому избегай GPIO 34–39: они не умеют работать на выход и не имеют подтягивающих резисторов. Например, для строк выбери 13, 12, 14 и 27, а для столбцов — 26, 25, 33 и 32. На Pico с MicroPython сканирование можно написать самостоятельно в несколько строк:

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)

Идеи проектов с клавиатурой

• Сейф с паролем: шкатулка, которая открывается после ввода кода, с сервоприводом, LCD и зуммером.
• Калькулятор: клавиши A–D отвечают за четыре арифметических действия, результат выводится на LCD.
• Выбор цвета: меняй цвет RGB-светодиода в зависимости от введённого числа.
• Охранная панель: ставь на охрану и снимай с неё сигнализацию с PIR-датчиком по коду.
• Игра «Угадай число»: найди число, загаданное Arduino, по подсказкам «больше» и «меньше».
• Клавиатура горячих клавиш: преврати каждую кнопку в сочетание клавиш для компьютера с помощью Arduino Leonardo.

Частые ошибки и как их исправить

• Читается не та кнопка, что нажата: перепутан порядок строк и столбцов; разверни порядок в массивах rowPins и colPins.
• Не читается ни одна кнопка: шлейф вставлен со сдвигом на один пин, или пины строк и столбцов не совпадают с указанными в коде.
• Некоторые кнопки никогда не срабатывают: плохой контакт в проводе строки или столбца; верный признак — не работают все кнопки одной строки или одного столбца.
• Используются пины 0 и 1: они нужны для последовательной связи по USB; загрузка кода при подключённой клавиатуре может не пройти.
• На ESP32 часть столбцов всегда выглядит нажатой: заняты GPIO 34–39 без подтяжки; перенеси подключение на другие пины.
• Ожидание повторов при долгом нажатии: getKey() сообщает о каждом нажатии один раз; чтобы заметить удержание кнопки, используй состояние HOLD из библиотеки.

По сути, клавиатура — это просто кнопки, собранные в матрицу; логика работы кнопок описана в статье Как подключить кнопку к Arduino. В приложении BlueGrays есть основы работы с клавиатурами 3x4 и 4x4, кодовый замок с LCD, умный электронный сейф, калькулятор на I2C и управление RGB-светодиодом с клавиатуры — со схемами подключения и кодом.