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Leitura do Teclado Matricial e Multiplexação

Teclados são geralmente utilizados em aplicações na qual o utilizador possa interagir com um sistema , como computadores, calculadoras, comandos remotos entre outros. Imagine que desejamos utilizar um teclado com 64 botões na nossa aplicação.

Caso cada botão seja ligado diretamente a um pino do microcontrolador, gastaríamos 64 pinos o que tornaria a implementação dessa interface, numa placa Arduino Uno por exemplo, impossível. Para evitar este problema podemos ligar as teclas do formato matriz 8×8 gastando apenas 16 pinos e utilizar uma técnica chamada de Multiplexação para realizar a leitura das teclas.

Para demonstrar essa técnica de leitura utilizaremos um Teclado Matricial de membrana 4×4.

Este tutorial requer conhecimento em assuntos abordados em post anteriores. Caso tenha alguma dificuldade em acompanhar os assuntos abordados aqui, consulte alguns dos nossos tutoriais anteriores:

 

O teclado Matricial

Este teclado como o nome indica é formado por botões organizados em linhas e colunas de modo a formar uma matriz. Quando pressionado, um botão conecta a linha com a coluna na qual está ligado como podemos ver na figura abaixo representada.

 

Ligação interna de um teclado matricial 4×4

 

O teclado matricial possui a seguinte pinagem:

  • Pino 1 (esquerda) – Primeira Linha (L1)
  • Pino 2 – Segunda Linha (L2)
  • Pino 5 – Primeira Coluna (C1)
  • Pino 8 – Quarta Coluna (C4)

 

Pinagem do teclado matricial de membrana

A Multiplexação

Esta técnica consiste em compartilhar o mesmo barramento por vários dispositivos, entretanto apenas um deles utilizará o barramento na sua vez. No caso do teclado matricial, os barramentos serão linhas do teclado e os dispositivos as colunas. Logo devemos permitir que apenas uma coluna se ligue as linhas por vez. Para desligarmos as colunas que não devem ser lidas devemos configurá-las como entradas (alta impedância).

Algoritmo de varredura simples

No início os pinos ligados as linhas serão configurados como entradas com pull up e as colunas como entradas (alta impedância). A varredura consiste em ativar uma coluna por vez (saída em nível lógico baixo) e verificar se houve alguma alteração nas linhas. Caso haja uma alteração numa linha em que seja identificada, o bounce da tecla deve ser devidamente tratado para que possamos finalmente afirmar que o botão foi pressionado.

 

const uint8_t row_size = 4;                       // Quantidade de linhas.
const uint8_t col_size = 4;                       // Quantidade de colunas.
const uint8_t row_pin[row_size] = {4, 5, 6, 7};   // Pinos que estão ligados as linhas.
const uint8_t col_pin[col_size] = {8, 9, 10, 11}; // Pinos que estão ligados as colunas.
const char keys[row_size][col_size] = {           // Mapa de teclas do teclado.
 { '1', '2', '3', 'A' },
 { '4', '5', '6', 'B' },
 { '7', '8', '9', 'C' },
 { '*', '0', '#', 'D' }
};
 
bool stable[row_size][col_size];   // Guarda o último estado estável dos botões.
bool unstable[row_size][col_size]; // Guarda o último estado instável dos botões.
uint32_t bounce_timer;
 
// Executa o algoritmo de varredura simples.
void scan() {
  for (uint8_t e = 0; e < col_size; ++e) {   // Varre cada coluna.
    pinMode(col_pin[e], OUTPUT);
    digitalWrite(col_pin[e], 0);             // Habilita a coluna "c".
    for (uint8_t r = 0; r < row_size; ++r) { // Varre cada linha a procura de mudanças. if (changed(r, e)) { // Se houver uma mudança de estado. Serial.print(keys[r][e]); Serial.print(" : "); // Imprime a tecla que sofreu a alteração Serial.println(stable[r][e]); // e seu estado atual. } } pinMode(col_pin[e], INPUT); // Desabilita a coluna "c". } } // Checa se o estado do botão foi alterado além de tratar os efeitos de sua trepidação. bool changed(const uint8_t& row, const uint8_t& col) { bool now = digitalRead(row_pin[row]); // Lê o estado do botão na linha especificada. if (unstable[row][col] != now) { // Checa se houve mudança. bounce_timer = millis(); // Atualiza timer. unstable[row][col] = now; // Atualiza estado instável. } else if (millis() - bounce_timer > 10) { // Checa o tempo de trepidação acabou.
    if (stable[row][col] != now) {         // Checa se a mudança ainda persiste.
      stable[row][col] = now;              // Atualiza estado estável.
      return 1;
    }
  }
  return 0;
}
 
void setup() {
  Serial.begin(9600);
 
  // Configura o estado inicial das linhas como entradas com pull up.
  for (uint8_t r = 0; r < row_size; ++r) {
    pinMode(row_pin[r], INPUT_PULLUP);
  } 
 
  // Configura o estado inicial das linhas como entradas.
  for (uint8_t c = 0; c < col_size; ++c) {
    pinMode(col_pin, INPUT);
  }
 
  // Define estado inicial dos botões;
  for (uint8_t c = 0; c < col_size; ++c) {
    for (uint8_t r = 0; r < row_size; ++r) {
      stable[r] = 1;
    }
  }
}
 
void loop() {
  scan();
}

Pressionando várias teclas

Quando pressionamos 3 ou mais teclas um efeito conhecido como tecla fantasma pode ocorrer, vamos observar a animação a seguir para entender o porquê:

 

Teclas Fantasmas

 

Infelizmente os problemas não acabam por aqui. Caso a tecla fantasma seja pressionada e em seguida uma das teclas anteriores for solta, a tecla que foi solta ainda será considerada com pressionada. Para solucionarmos este problema devemos adicionar um díodo em cada botão para evitar que estes caminhos indesejados sejam formados, como mostra a figura abaixo.

 

Solução para teclas fantasmas

Bibliotecas

A biblioteca Keypad é uma biblioteca especializada na interação de teclados matriciais. O algoritmo de varredura consegue detetar se uma tecla esta pressionada, solta ou sendo sendo segura, entre outras funções.

 

#include <keypad.h>
 
const uint8_t row_size = 4;                       // Quantidade de linhas.
const uint8_t col_size = 4;                       // Quantidade de colunas.
const uint8_t row_pin[row_size] = {4, 5, 6, 7};   // Pinos que estão ligados as linhas.
const uint8_t col_pin[col_size] = {8, 9, 10, 11}; // Pinos que estão ligados as colunas.
const char keys[row_size][col_size] = {           // Mapa de teclas do teclado.
  { '1', '2', '3', 'A' },
  { '4', '5', '6', 'B' },
  { '7', '8', '9', 'C' },
  { '*', '0', '#', 'D' }
};
 
Keypad keypad = Keypad(makeKeymap(keys), row_pin, col_pin, row_size, col_size);
 
void setup() {
  Serial.begin(9600);
}
 
void loop() {
  char key = keypad.getKey();   // Retorna a última tecla que foi apertada.
  if (key != NO_KEY) Serial.println(key); // Imprime tecla na porta serial.
}

 

Artigo gentilmente cedido por Vida de Silicio

 

Todos os produtos utilizados neste artigo podem ser encontrados na Loja de Eletrónica e Robótica – ElectroFun.

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