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4.2 4x4 Tastenfeld

In dieser Lektion lernen wir, wie man ein 4x4-Matrix-Tastenfeld mit dem Raspberry Pi Pico 2 W verbindet, um Tasteneingaben zu erkennen. Matrix-Tastaturen werden häufig in Geräten wie Taschenrechnern, Telefonen, Verkaufsautomaten und Sicherheitssystemen für numerische Eingaben verwendet.

• 4x4 Keypad

• E.161 - Wikipedia

Benötigte Komponenten

Für dieses Projekt benötigen wir die folgenden Komponenten.

Es ist praktisch, ein komplettes Kit zu kaufen – hier ist der Link:

Name	ENTHALTENE ARTIKEL IM KIT	LINK
Pico 2 W Starter Kit	450+	Pico 2 W Kit

Alternativ kannst du die Komponenten auch einzeln über die unten stehenden Links erwerben.

SN	KOMPONENTE	MENGE	LINK
1	Einführung in den Pico 2 W	1
2	Micro-USB-Kabel	1
3	Breadboard	1	KAUFEN
4	Jumper-Kabel	Mehrere	KAUFEN
5	Widerstand	4 (10KΩ)	KAUFEN
6	4x4 Keypad	1	KAUFEN

Das 4x4-Tastenfeld verstehen

Ein 4x4-Tastenfeld besteht aus:

• 16 Tasten, angeordnet in 4 Reihen und 4 Spalten.

• 8 Pins: 4 sind mit den Reihen und 4 mit den Spalten verbunden.

Wenn eine Taste gedrückt wird, verbindet sie eine bestimmte Reihe mit einer bestimmten Spalte, sodass wir die Taste anhand der Zeilen- und Spaltennummern identifizieren können.

So ist das Tastenfeld angeordnet:

Schaltplan

Vier Pull-Down-Widerstände sind mit jeder Spalte der Matrix-Tastatur verbunden, sodass G6 ~ G9 bei nicht gedrückten Tasten ein stabiles Low-Signal erhalten.

Die Reihen der Tastatur (G2 ~ G5) werden im Code auf High gesetzt. Wenn einer der Pins G6 ~ G9 auf High gelesen wird, wissen wir, dass eine Taste gedrückt wurde.

Beispiel: Wenn G6 auf High erkannt wird, wurde die Taste „1“ gedrückt. Das liegt daran, dass die Steuerpins von „1“ G2 und G6 sind. Wenn die Taste „1“ gedrückt wird, verbindet sie G2 mit G6, sodass G6 ebenfalls High ist.

Verdrahtung

Um die Verdrahtung zu erleichtern, werden in der obigen Abbildung die Spalten der Matrix-Tastatur und die 10K-Widerstände direkt an die Pins G6 ~ G9 angeschlossen.

Code schreiben

Lass uns ein MicroPython-Programm schreiben, um zu erkennen, welche Taste gedrückt wird.

Bemerkung

• Öffne die Datei 4.2_4x4_keypad.py aus pico-2w-kit-main/micropython oder kopiere den Code in Thonny. Klicke dann auf „Run“ oder drücke F5.

• Stelle sicher, dass der richtige Interpreter ausgewählt ist: MicroPython (Raspberry Pi Pico).COMxx.

import machine
import time

# Zeichen auf dem Tastenfeld definieren
keys = [
    ['1', '2', '3', 'A'],
    ['4', '5', '6', 'B'],
    ['7', '8', '9', 'C'],
    ['*', '0', '#', 'D']
]

# GPIO-Pins für Reihen und Spalten definieren
row_pins = [2, 3, 4, 5]   # GP2-GP5
col_pins = [6, 7, 8, 9]   # GP6-GP9

# Reihen als Ausgänge initialisieren
rows = [machine.Pin(pin_num, machine.Pin.OUT) for pin_num in row_pins]

# Spalten als Eingänge mit Pull-Down-Widerständen initialisieren
cols = [machine.Pin(pin_num, machine.Pin.IN, machine.Pin.PULL_DOWN) for pin_num in col_pins]

def scan_keypad():
    for i, row in enumerate(rows):
        # Alle Reihen auf Low setzen
        for r in rows:
            r.value(0)
        # Aktuelle Reihe auf High setzen
        row.value(1)
        # Spalten auf gedrückte Tasten überprüfen
        for j, col in enumerate(cols):
            if col.value() == 1:
                # Taste erkannt
                return keys[i][j]
    return None

last_key = None

while True:
    key = scan_keypad()
    if key != last_key:
        if key is not None:
            print("Key pressed:", key)
        last_key = key
    time.sleep(0.1)

Den Code verstehen

1. Tastenfeld-Layout definieren

   Diese 2D-Liste stellt das physische Layout des Tastenfelds dar.

   keys = [
       ['1', '2', '3', 'A'],
       ['4', '5', '6', 'B'],
       ['7', '8', '9', 'C'],
       ['*', '0', '#', 'D']
   ]
   

2. Pins initialisieren:

   row_pins = [2, 3, 4, 5]   # GPIO-Pins für die Reihen
   col_pins = [6, 7, 8, 9]   # GPIO-Pins für die Spalten
   
   # Reihen als Ausgänge initialisieren
   rows = [machine.Pin(pin_num, machine.Pin.OUT) for pin_num in row_pins]
   
   # Spalten als Eingänge mit Pull-Down-Widerständen initialisieren
   cols = [machine.Pin(pin_num, machine.Pin.IN, machine.Pin.PULL_DOWN) for pin_num in col_pins]
   

3. Die Funktion zur Tastenerkennung definieren:

   Diese Funktion scannt jede Reihe, indem sie auf High gesetzt wird, und überprüft, ob eine der Spalten ebenfalls High ist. Dies zeigt an, dass eine Taste gedrückt wurde.

   def scan_keypad():
       for i, row in enumerate(rows):
           # Alle Reihen auf Low setzen
           for r in rows:
               r.value(0)
           # Aktuelle Reihe auf High setzen
           row.value(1)
           # Spalten auf gedrückte Tasten überprüfen
           for j, col in enumerate(cols):
               if col.value() == 1:
                   # Taste erkannt
                   return keys[i][j]
       return None
   

4. Hauptschleife zur Erkennung von Tastendrücken:

   • Die Schleife scannt kontinuierlich nach Tastendrücken.

   • Sie überprüft, ob die aktuell erkannte Taste sich von der vorherigen unterscheidet, um Mehrfacherfassungen derselben Taste zu vermeiden (Entprellung).

   • Gibt die erkannte Taste aus, wenn eine neue Taste gedrückt wurde.

   last_key = None
   
   while True:
       key = scan_keypad()
       if key != last_key:
           if key is not None:
               print("Key pressed:", key)
           last_key = key
       time.sleep(0.1)
   

Nachdem das Programm gestartet wurde, kannst du verschiedene Tasten auf dem Tastenfeld drücken. Das entsprechende Zeichen der Taste wird in der Thonny-Shell ausgegeben.

Fehlersuche

• Keine Ausgabe beim Drücken der Tasten:

  • Stelle sicher, dass alle Verbindungen korrekt sind.

  • Überprüfe, ob die Pull-Down-Widerstände richtig zwischen den Spalten-Pins und GND angeschlossen sind.

• Falsche Taste erkannt:

  • Prüfe die keys-Matrix, um sicherzustellen, dass sie mit dem Layout deines Tastenfelds übereinstimmt.

  • Stelle sicher, dass die Zeilen- und Spalten-Pins im Code mit den physischen Anschlüssen übereinstimmen.

• Mehrere Tasten erkannt:

  Mechanische Tastenfelder können gelegentlich Ghosting (Fehlregistrierung mehrerer Tasten) verursachen, wenn mehrere Tasten gleichzeitig gedrückt werden. Für diese grundlegende Einrichtung sollte immer nur eine Taste gleichzeitig gedrückt werden.

Weitere Experimente

• Einfaches Passwortschloss implementieren: Speichere eine Sequenz von Tastendrücken und vergleiche sie mit einem voreingestellten Passwort.

• Ein LCD-Display hinzufügen: Zeige die gedrückten Tasten auf einem LCD-Bildschirm an.

• Einen Taschenrechner erstellen: Nutze das Tastenfeld, um Zahlen einzugeben und einfache Rechenoperationen durchzuführen.

Fazit

In dieser Lektion hast du gelernt, wie du ein 4x4-Matrix-Tastenfeld mit dem Raspberry Pi Pico 2 W verbindest und programmierst. Damit kannst du nun Tastendrücke erkennen und sie zur Interaktion mit deinen Projekten nutzen – beispielsweise für Zugangskontrollen, Taschenrechner oder Steuerungsinterfaces.