Teclado matricial con PIC

Vamos a explicar como conectar un teclado matricial tipo membrana a un microcontrolador PIC mediante un sencillo ejemplo. El método que proponemos permite conectar a nuestro microcontrolador 16 teclas usando solamente 8 pines. El código debería ser válido para cualquier microcontrolador, incluso de otras marcas, aunque siempre habrá que revisarlo y posiblemente realizar algunas adaptaciones si se migra a otra plataforma, sin embargo, el algoritmo permanece igual con cualquier microcontrolador.

El ejemplo se realizó para un PIC16F88, aunque como ya hemos mencionado, es compatible básicamente con cualquier microcontrolador PIC. Debido a que el programa utiliza todos los bits del puerto B en nuestro microcontrolador,  pensamos que tal vez sea buena idea utilizar un PIC con buena cantidad de pines como un PIC16F877 o un PIC18F4550, por mencionar un par de ejemplos de micros populares. Para este ejemplo, utilizamos XC8 y MPLAB X como entorno de desarrollo.

En nuestra portada mostramos el equipo que hemos utilizado para probar el teclado matricial, incluido el PIC16F88 en una tarjeta entrenadora y el PICKit 3 como programador/depurador.

¿Como funciona un teclado matricial?

El principio de funcionamiento es sencillo y es similar a lo que haríamos para multiplexar leds o dipslays de 7 segmentos. El programa configura el puerto B del PIC de la siguiente forma:  RB4 a RB7 funcionan como salidas y la otra mitad (RB0-RB3) como entradas. Las filas (horizontal) del teclado matricial se conectan a los bits más significativos que funcionan como salidas, mientras que las columnas (vertical) se conectan a los bits menos significativos del puerto que funcionan como entradas con resistencias pull-down. Cualquier tecla que se oprima en una columna causará que uno de los bits menos significativos del puerto (RB0 – RB3) cambie de un estado lógico bajo a un estado alto.

La siguiente imágen muestra las conexiones del teclado al puerto B del microcontrolador. La imagen muestra el teclado en reposo (sin teclas oprimidas).

¿Que pasa cuando se oprime una tecla en un teclado matricial?… la corriente puede fluir a través del switch y el voltaje de los pines conectados a las filas del teclado (5 V o nivel alto) aparece ahora también en alguno de los pines RB0 a RB3 según la columna en la que se encuentra la tecla oprimida. La siguiente imagen ilustra lo que sucede al oprimir una tecla: al oprimir el botón 6 provocamos un cambio en el PIN RB2 que ahora recibe un 1 o estado alto. Sabemos entonces que se ha pulsado un botón en la segunda columna y se muestra como un nivel lógico alto aparece en los bits menos significativos del puerto B, especificamente en RB2.

De esta manera el microcontrolador sabe que se ha oprimido una tecla al detectar un cambio de nivel en los bits menos significativos. Hasta el momento, se sabe que se ha oprimido una tecla en alguna columna (dependiendo del bit activo RB3 a RB0), sin embargo, no sabemos en cual fila. Para resolver en que fila se oprimió una tecla, hay que realizar un proceso de escaneo del teclado. En este proceso, colocaremos en secuencia un 1 lógico (estado alto) en los 4 bits más significativos del puerto y leeremos el estado de los 4 bits menos significativos. Sigamos con el ejemplo en el que se ha oprimido la tecla 6 pero ahora viéndolo gráficamente en una animación:

El microcontrolador escanea en forma sucesiva los pines de salida, mientras lee las entradas en la parte baja del puerto, de manera que puede detectar que teclas están oprimidas en cada fila. Ahora solo falta escribir nuestro codigo en C que implemente los procedimientos mencionados anteriormente y nos devuelva un valor de la tecla oprimida, por ejemplo, mediante un número binario.

Programa en C para teclado matricial

El programa es bastante sencillo e implementa todos los procesos que describimos en la teoría vista anteriormente. El código se ha mantenido simple intencionalmente para que se pueda apreciar el funcionamiento de la manera más obvia posible. La función keypad_read() es la encargada de realizar la mayor parte de las tareas para determinar que tecla ha sido pulsada. El valor que retorna es una palabra de 16 bits en la cual, cada uno de los bits representa una tecla, en donde un bit en estado alto representa una tecla oprimida. Como la función no retorna como tal la tecla pulsada, sino una cadena de bits que representan las teclas, es posible detectar cuando se presiona más de una tecla de forma simultanea. El código de esta función es el siguiente:

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56

/** * Procesa las entradas del teclado matricial y determina la tecla que esta * siendo oprimida. Retorna una palabra binaria de 16 bits en la cual los bits * que se encuentran en estado alto representan teclas oprimidas. * * Esta función esta diseñada para poder detectar cuando se oprimen varias * teclas sin embargo, debido a limitantes de la forma de conexión del teclado * matricial, no se deben esperar resultados correctos al oprimir varias teclas * * @return Retorna una palabra de 16 bits, cada bit representa una tecla. */ uint16_t keypad_read() { unsigned char count = 0; unsigned char bitmask = 0x10; // Valor de retorno de la funcion keypad_read() entero de 16 bits uint16_t keys =0;   // Revisamos si alguna de las lineas en la parte baja esta en estado alto // debido a que se ha cerrado un switch en el teclado. if( PORTB & 0x0F ) { // Escaneamos las filas una por una para determinar la tecla oprimida do { // Apagamos todas las filas (parte alta) PORTB &= 0x0F; // Seleccionamos solo una como salida (bit del registro tris = 0) TRISB &= ~bitmask; // Y colocamos el pin en estado alto PORTB |= bitmask; // Esperamos unos cuantos milisegundos y leemos las columnas delay_ms(100); // Guardamos las columnas en una variable de 16 bits keys |= (PORTB & 0x0F); // Si ya hemos leido 4 columnas, las siguientes instrucciones no son // necesarias, por lo que salimos del ciclo if( count == 3 ) break; // Recorremos la lectura a la izquierda para hacer espacio keys = keys<<4; // Recorremos el bitmask de la fila a leer bitmask = bitmask<<1; // Incrementar el contador de filas count ++; } while(1);   // Mantenemos parte alta = salidas y parte baja = entradas TRISB = 0x0F; // Mantenemos los bits mas significativos del puerto en estado alto PORTB = 0xF0; return keys; } return 0; }

Detalles de la implementación

En nuestra implementación del hardware, todos los pines tienen conectada una resistencia “pull-down”, por lo que se mantienen en estado bajo (0) cuandoel teclado esta en reposo. Cuando se presiona un botón, el estado del pin cambia a estado alto (1). Esto puede hacerse de manera inversa, utilizando las resistencias “pull-up” incluidas internamente en el puerto B de muchos PIC que están diseñadas para este tipo de aplicaciones. En nuestro caso, la tarjeta que utilizamos tiene resistencias pull-down previamente conectadas en los pines, por lo que decidimos aprovecharlas.

Es un buen ejercicio invertir la lógica del código para permitir que este funcione con resistencias “pull-up”, por lo que te recomendamos que realices al menos este ejercicio.

Proyecto de MPLAB con teclado matricial

Para probar el código anterior, hemos desarrollado un ejemplo completo que puede abrirse con MPLAB X y grabarse directamente sobre un PIC16F88. El programa esta configurado para una velocidad de reloj de 4 Mhz y utiliza el puerto B completo para conectar el teclado. Para mantener las cosas simples, mostramos el número binario correspondiente a la tecla oprimida mediante leds conectados en el puerto A (nada de pantallas ni cosas complicadas). Puedes descargar este proyecto a continuación:

Conclusión

Con la información que tenemos hasta este momento, ya podemos darnos una idea de como funciona un teclado matricial y podemos comenzar a incluirlo en nuestros proyectos. Nos queda de tarea estudiar más a fondo el funcionamiento del puerto B de los PIC, que incluye varias funciones opcionales como resistencias pull-up internas e interrupción por cambio de estado en los pines, ideales para facilitar la conexión de teclados matriciales.