Naszym zadaniem będzie zbudowanie zamka szyfrowego. W projekcie użyjemy szesnastu przycisków (tactswitch) oraz trójkolorowej diody RGB ze wspólną katodą.

Podpięcie szesnastu przycisków do Arduino Uno może być nieco utrudnione przez brak wystarczającej liczby wejść. W naszym projekcie zastosujemy tzw. klawiaturę matrycową.

Klawiatura matrycowa

Zazwyczaj każdy przycisk podłączony do Arduino zajmuje jedno wejście. Przy kilku przyciskach nie jest to problem, ale co w sytuacji, gdy tych przycisków mamy aż 16? Przykładowo, w celu wpisania zwykłego kodu pin musimy mieć do dyspozycji aż 10 przycisków dla samych tylko cyfr od 0 do 9, a przecież potrzebne są jeszcze przyciski do resetowania hasła i jego zatwierdzania. Podłączanie każdego z przycisków byłoby z pewnością dość kłopotliwe, a niekiedy wręcz niemożliwe.

Rozwiązaniem w takich sytuacjach jest klawiatura matrycowa, dzięki której możliwe jest zmniejszenie liczby potrzebnych wejść. W tego typu klawiaturze przyciski połączone są w kolumny oraz wiersze, tworząc matrycę połączeń.

Najczęściej spotykamy dwa rodzaje klawiatur membranowych: 4×3 oraz 4×4.

Klawiatura 4×3 ma 12 przycisków ułożonych w czterech wierszach i trzech kolumnach. Znajdują się na niej cyfry od 0 do 9 oraz znaki * i #. Do podłączenia wykorzystuje 7 przewodów: cztery dla wierszy i trzy dla kolumn.

RK27GDJME1A7P

Ilustracja przedstawia panel przycisków 4 rzędy na 3 kolumny oznaczonych cyframi i znakami * oraz #. Następnie kolejny fragment ukazuje kolejność połączeń rzędów i kolumn. Rzędy połączone są do kabli oznaczonych jako "P1", "P2", "P3" oraz "P4", każdy rząd połączony jest do osobnego kabla. Kolumny połączone są do kolejnych 3 kabli, „P5”, „P6” oraz „P7”, każda kolumna połączona jest do osobnego kabla.

Klawiatura 4×4 ma 16 przycisków ułożonych w czterech wierszach i czterech kolumnach. Oprócz cyfr oraz znaków * i # posiada także przyciski A, B, C i D. Wymaga 8 przewodów: czterech dla wierszy i czterech dla kolumn.

RST24OD3Q6DH5

Ilustracja przedstawia panel klawiatury 4 rzędy na 4 kolumny. Każda kolumna jak i rząd podłączone są do osobnych kabli. Rzędy podłączone są do kabli oznaczonych P1, P2, P3 i P4. Kolumny oznaczone są poprzez P5, P6, P7 oraz P8. Oprócz cyfr od 0 do 9 dodatkowo widoczne są litery a, b, c, d po prawej stronie panelu jak i symbole * i #.

Obie klawiatury działają w podobny sposób. Arduino sprawdza kolejne wiersze i kolumny, aby rozpoznać, który przycisk został naciśnięty.

Jak widać na powyższych schematach, matryca 4x3 umożliwia podłączenie 12 przycisków za pomocą siedmiu linii danych, a dzięki matrycy 4x4 podłączymy 16 przycisków za pomocą ośmiu linii danych.

Budowa układu z klawiaturą matrycową

Na potrzeby naszego zadania użyjemy prostszej wersji klawiatury matrycowej – wygląda ona tak, jak na poniższym zdjęciu.

R33UJ5XERVP71

Zdjęcie przedstawia płytkę stykową z ośmioma pinami z lewej strony i 16 przyciskami umieszczonymi na płytce w siatkę.

Do pracy z Arduino Uno będziemy potrzebowali biblioteki, która ułatwi nam pracę nad zamkiem szyfrowym.

Po pobraniu biblioteki musimy zainstalować ją w Arduino IDE. Aby to zrobić, uruchamiamy program, klikamy w zakładkę Szkic, najeżdżamy kursorem na Dołącz bibliotekę i z rozwijanej listy wybieramy Dodaj bibliotekę .ZIP...

Następnie w oknie dialogowym szukamy naszego pliku z biblioteką, zaznaczamy go i klikamy przycisk Open.

Po poprawnym zainstalowaniu biblioteki na pasku informacji wyświetli się napis o powodzeniu instalacji nowej biblioteki.

Sprawdzamy, czy nasza biblioteka znajduje się na liście. Klikamy Szkic, najeżdżamy kursorem na Dołącz bibliotekę i szukamy na liście naszej biblioteki Keypad.

REJ2N8ABCX41D

Zdjęcie ekranu arduino IDE z zaznaczonym przyciskiem "Szkic", z którego rozwija się okno dialogowe, następnie oznaczona jest opcja "Dołącz bibliotekę", z której oznaczona jest opcja Keypad.

Zanim przejdziemy do budowy naszego zamka szyfrowego, napiszemy program testowy, który będzie sprawdzał, czy i jaki przycisk został wciśnięty. W tym celu posłużymy się monitorem portu szeregowego. Na początku podłączmy naszą klawiaturę do Arduino Uno, korzystając z pinów od 2 do 9. Pamiętajmy o kolejności podpięcia pinów – na tym etapie jest to bardzo ważne.

RM7KGSQ823M3X

Ilustracja przedstawia płytkę z przyciskami i pinami. Przyciski ułożone w siatce 4 na 4, piny zaś po lewej stronie z numeracją rozpoczynającą się na 9 a kończącą się na 2, jest zatem 8 pinów. Siatka przycisków ma następujące oznaczenia, czytane od góry rząd 1: 1, 2, 3, A. Rząd 2: 4, 5, 6, B. Rząd 3: 7, 8, 9, C. Rząd 4: *, 0, #, D.

Klawiaturę z Arduino Uno łączymy za pomocą przewodów męsko‑żeńskich.

Kiedy wszystkie przewody zostaną prawidłowo podpięte, przechodzimy do programowania. Zaczynamy od dodania biblioteki.

#include <Keypad.h>

Następnie podajemy informację, z ilu wierszy i kolumn zbudowana jest nasza klawiatura.

const byte ROWS = 4;
const byte COLS = 4;

Teraz przypisujemy poszczególne piny Arduino Uno do wierszy i kolumn.

byte rowPins[ROWS] = {5, 4, 3, 2};
byte colPins[COLS] = {6, 7, 8, 9};

W tym momencie przechodzimy do stworzenia mapy naszej klawiatury za pomocą tablicy dwuwymiarowej:

char keys[ROWS][COLS] = {
  {'1','2','3','A'},
  {'4','5','6','B'},
  {'7','8','9','C'},
  {'*','0','#','D'}
};

Ostatnim krokiem konfiguracji jest utworzenie nowego obiektu Keypad – nazwijmy go MatrycaPrzyciskow.

W pętli setup() uruchamiamy monitor portu szeregowego.

Serial.begin (9600);

Natomiast w pętli loop() tworzymy zmienną typu char odpowiadającą za przechowywanie znaków i przypisujemy jej wartość odczytaną z klawiatury. W tym celu musimy wywołać polecenie MatrycaPrzyciskow.getKey(), a otrzymany w ten sposób znak wysyłamy za pomocą UART do komputera.

char przycisk = MatrycaPrzyciskow.getKey();
  
  if (przycisk){
    Serial.println(przycisk);
  }

Połączmy teraz Arduino z komputerem, wgrajmy nasz program i sprawdźmy w monitorze portu szeregowego, czy prawidłowo podpięliśmy i przypisaliśmy wartości odpowiednim przyciskom. Po wciśnięciu wybranego klawisza powinna wyświetlić się odpowiednia wartość – ta, którą przypisaliśmy mu w naszej tablicy.

R17E49HN2V6HB

Zdjęcie ekranu przedstawia okno arduino IDE wraz z otwartym na wierzchu oknem COM6, wydrukowane do tego okna konsoli jest kolejno każdy symbol bądż liczba z klawiatury. Są to: 1, 2, 3, A, 4, 5, 6, B, 7, 8, 9, C, *, 0, #, D.

Jeśli znaki różnią się od tych zdeklarowanych w tablicy, należy sprawdzić podłączenie klawiatury.