4.01.4. Лабораторная работа №4.1.4.md

Матричная клавиатура

Тема работы

Мы научились работать с одной кнопкой, но что, если нам нужно подключить 16 кнопок, как на кодовом замке или калькуляторе? Использовать 16 пинов для этого — непозволительная роскошь. В этой лабораторной работе мы познакомимся с матричной клавиатурой 4x4 и изучим умный метод сканирования, который позволяет управлять 16 кнопками, используя всего 8 пинов.

Цель

Понять принцип устройства и работы матричной клавиатуры.
Освоить алгоритм матричного сканирования для опроса кнопок.
Написать программу, которая определяет, какая именно из 16 кнопок нажата, и выводит её символ в монитор порта.

Оборудование и материалы

Отладочная плата Рудирон.
1 матричная клавиатура 4x4.
8 соединительных проводов.
USB-кабель для подключения Рудирона.
Компьютер с настроенной средой Arduino IDE.

Ход работы

Как устроена матричная клавиатура?

Внутри клавиатуры 16 кнопок расположены на пересечении 4-х строк и 4-х столбцов. Это похоже на таблицу или поле для игры в «Морской бой». Каждая кнопка — это просто выключатель, который при нажатии соединяет одну конкретную строку с одним конкретным столбцом.

Выводы клавиатуры как раз и соответствуют этим строкам и столбцам. Наша задача — программно определить, на каком пересечении произошло замыкание.
Алгоритм сканирования

Чтобы найти нажатую кнопку, мы будем использовать метод сканирования: 1. Настраиваем все пины строк как выходы (OUTPUT), а пины столбцов — как входы (INPUT) с подтягивающими резисторами. 2. По очереди подаём низкий уровень (LOW) на одну строку, в то время как на всех остальных строках держим высокий уровень (HIGH). 3. В этот момент быстро считываем состояние всех столбцов. 4. Если на каком-то из столбцов мы считали LOW, это значит, что кнопка на пересечении активной строки и этого столбца нажата! 5. Повторяем этот процесс для каждой строки.

Микроконтроллер делает это так быстро, что для нас реакция на нажатие кажется мгновенной.
Сборка схемы
- Подключите 8 выводов клавиатуры к цифровым пинам Рудирона. Важно не перепутать строки и столбцы. Обычно выводы идут по порядку: 4 для строк, 4 для столбцов.
  - Строки (Rows):
    - R1 → пин 8
    - R2 → пин 12
    - R3 → пин 14
    - R4 → пин 16
  - Столбцы (Columns):
    - C1 → пин 0
    - C2 → пин 2
    - C3 → пин 4
    - C4 → пин 6

Написание и загрузка кода

Установите перемычку PRG | RUN в положение PRG.

В Arduino IDE введите следующий код. Он реализует описанный выше алгоритм сканирования.

// Массив, который хранит символы на кнопках
char keys[4][4] = {
  {'1','2','3','A'},
  {'4','5','6','B'},
  {'7','8','9','C'},
  {'*','0','#','D'}
};

// Пины, к которым подключены строки и столбцы
byte rowPins[4] = {8, 12, 14, 16}; 
byte colPins[4] = {0, 2, 4, 6};

void setup() {
  Serial.begin(9600);

  // Настраиваем пины строк на выход
  for (int i = 0; i < 4; i++) {
  pinMode(rowPins[i], OUTPUT);
  digitalWrite(rowPins[i], HIGH); // Подаём высокий уровень по умолчанию
  }

  // Настраиваем пины столбцов на вход с подтяжкой
  for (int i = 0; i < 4; i++) {
  pinMode(colPins[i], INPUT_PULLUP);
  }
}

void loop() {
  // Сканируем клавиатуру
  for (int r = 0; r < 4; r++) {
  // Подаём LOW на текущую строку
  digitalWrite(rowPins[r], LOW);

  // Проверяем все столбцы
  for (int c = 0; c < 4; c++) {
      // Если на столбце тоже LOW, кнопка нажата
      if (digitalRead(colPins[c]) == LOW) {
        // Выводим символ с этой кнопки
        Serial.print("Нажата кнопка: ");
        Serial.println(keys[r][c]);
        delay(200); // Задержка для защиты от дребезга
      }
  }

  // Возвращаем на строку HIGH перед переходом к следующей
  digitalWrite(rowPins[r], HIGH);
  }
}

Нажмите кнопку «Upload», чтобы загрузить код на плату.

Проверка работы
- Откройте Монитор последовательного порта (скорость 9600 бод).
- Нажимайте на разные кнопки клавиатуры. В мониторе порта вы должны видеть соответствующий символ, например: Нажата кнопка: 5 Нажата кнопка: # Нажата кнопка: B

Результаты

Вы успешно подключили матричную клавиатуру и написали программу, которая определяет каждое нажатие. Вы на практике освоили метод сканирования — один из самых распространённых приёмов в микроконтроллерной технике для работы с большим количеством кнопок.

Анализ результатов

Двумерный массив keys[4][4]. Позволяет удобно хранить символы в виде таблицы, соответствующей физическому расположению кнопок.
Вложенные циклы for. Внешний цикл перебирает строки, а внутренний — столбцы, реализуя сам алгоритм сканирования.
INPUT_PULLUP. Использование внутренних подтягивающих резисторов на столбцах упрощает схему и позволяет определять LOW при нажатии.

Выводы

В этой лабораторной работе вы научились работать с матричной клавиатурой и поняли, как с помощью хитрого программного подхода можно экономить пины микроконтроллера. Этот навык необходим для создания любых устройств, где требуется ввод данных: кодовых замков, калькуляторов, пультов управления.

Вопросы для самопроверки

Почему матричное подключение кнопок выгоднее, чем индивидуальное?
Объясните своими словами алгоритм сканирования клавиатуры.
Зачем в коде используется INPUT_PULLUP для столбцов?
Что произойдёт, если убрать строку digitalWrite(rowPins[r], HIGH); в конце внешнего цикла for?
Как можно использовать полученные знания для управления чем-либо? Например, как зажечь светодиод L1 при нажатии кнопки «A»?

Вы научились работать с матричной клавиатурой!