Кодовый замок: клавиатура 4x4 и светодиоды

Замок на тумбочку с ключами я собрал за вечер и к утру разобрал обратно. Сканер клавиатуры из прошлого урока честно печатал каждую нажатую клавишу в монитор порта — но печать и есть вся его польза: любой гость нажимает что угодно, плата рапортует в никуда, а прибор, который всем всё рассказывает, охраны не прибавляет. Не хватает двух этажей: памяти о том, что уже набрано, и решения «свой или чужой».

В этом уроке достраиваем оба. Нажатия копятся в буфер до клавиши решётки, затем набранное сверяется с эталоном — у меня это 2580, весь второй столбец мембранки сверху вниз, а у вас любой, ведь раскладка живёт в массиве. Совпало — зелёный светодиод, короткий радостный бип и пять секунд открытой двери, после которых замок сам возвращается в закрытое состояние. Не совпало — красный и три тревожных гудка зуммером. Сам сканер берём готовый из урока про матричную клавиатуру: здесь он станет тремя строками внутри большего скетча, и именно так выглядит переиспользование наработок в реальных проектах.

Замок — идеальный первый проект, где данные идут по полной цепочке: палец, матрица, сканер, буфер, сравнение, действие. Нажатая клавиша в этой цепи то же самое, что команда, пришедшая из монитора порта: снаружи приходит символ, и кто-то внутри должен его разобрать и решить, что он значит. Разница только в проводе — на выходе вы получите прибор, который понимает последовательности, а не отдельные нажатия.

Четыре состояния — закрыт, набор, открыто, тревога — ложатся на схему из урока про конечный автомат один в один, и это не красивость: без памяти состояния замок не собрать, потому что одно и то же нажатие решётки должно означать разное в зависимости от того, что было до него. Память держат три переменные: pos считает набранные клавиши, nabrano[8] хранит сами символы, флаг otkryto отличает открытую дверь от закрытой. Восемь ячеек в буфере — с запасом: цифры сверх восьми молча не пишутся, замок от длинного набора не переполняется и не сходит с ума, а просто ждёт решётку с тем, что успело набраться. Всё остальное — если и циклы, которые вы уже писали руками сотню раз.

Первая грабля — удержание. Пока клавиша зажата, сканер видит её на каждом проходе loop, и наивный скетч запишет пятёрку трижды за четверть секунды: я поймал на этом 555 вместо 5 и добрые полминуты подозревал клавиатуру в поломке, хотя виноват был собственный цикл. Лекарство — память derzhim: клавиша принимается только если она отличается от той, что сканер видел в прошлый раз. Отпустили — derzhim обнулился, и следующее нажатие снова считается новым. Приём тот же, что у фронтов кнопки из урока про дребезг, только порогом служит сама клавиша; после принятого нажатия я ещё ставлю паузу 30 мс — мембранка дребезжит ровно так же, как обычная кнопка, просто тише. И про печать: замок выводит в монитор не сами цифры, а счётчик Zvezdochek — банкоматный обычай маскировать ввод, чтобы код не читался через плечо ни из журнала, ни с экрана.

Вторая грабля — брошенный ввод. Набрали две цифры и ушли: буфер висит с половиной кода, и следующий человек молча допишет вторую половину поверх чужой. Замок, который помнит чужой набор, — это дыра в буквальном смысле, поэтому у всех замков, от офисных домофонов до банковских ячеек, есть таймаут ввода. Мой — десять секунд тишины, буфер чистится, замок ждёт с начала; заодно таймаут страхует и залипшую клавишу, которая иначе успела бы забить буфер мусором за пару минут.

Сравнение с эталоном начинается с длины: набрано не четыре клавиши — сверять нечего, это уже неверный код. Дальше цикл по четырём местам: nabrano[i] против ETALON[i], и флаг sovpalo сбрасывается при первом же несовпадении. Отдельный флаг вместо счётчика совпадений — не прихоть: счётчик хочется инкрементировать в двух местах и проверять в третьем, а флаг сбрасывается один раз и читается однозначно. Массивы в C++ не сравниваются знаком равенства — только поэлементно, мы это разбирали в уроке про String и сравнение; для буфера из восьми символов честный цикл из четырёх строк надёжнее любой обёртки.

Тревога и успех различаются звуком сознательно: три гудка по 200 мс на частоте 400 Гц с паузами 120 мс — примерно секунда резкого низкого гула, который не спутаешь ни с чем, против одного писка 1200 Гц на 120 мс — высокого и короткого, как подтверждение на кассе. Оба сигнала делает tone() с третьим аргументом-длительностью, разобранным в уроке про пьезозуммер. На плате tone() не задерживает loop: звук идёт сам по таймеру, программа уже печатает в Serial. В симуляторе длительность внутри tone() паузит скетч на те же миллисекунды — на логику замка это не влияет, а различие честнее знать заранее.

Открытое состояние держится не delay(5000), а меткой millis(): при верном коде otkrytoDo = millis() + 5000, и пока часы не дотикали, замок открыт. Разница проявится, как только захотите, чтобы во время открытой двери клавиатура жила: delay заморозил бы весь скетч на пять секунд, а таймер на millis оставляет loop свободным — ввод, тревога и печать продолжают работать. Полный разбор приёма с примерами — в уроке про millis вместо delay.

Мембранка живёт на этих восьми пинах годами без обслуживания: ток через замкнутую клавишу — доли миллиампера, греться и изнашиваться тут нечему, единственное слабое место — шлейф в разъёме, который отгибается при частых перетыканиях. Сам шлейф — восемь жил на стандартном шаге 2,54 мм: втыкаются в макетку без обжимки и переходников, у меня один экземпляр кочует между проектами третий год. Раскладку в массиве klavishi[16] я менял трижды и ни разу не тронул провода: приезжает клавиатура с другой распиновкой — переставляешь символы в одной строке массива, и замок снова читает мысли. Пины строк и столбцов при этом остаются на месте: формула r умножить на 4 плюс c безразлична к тому, какой буквой вы назвали клетку.

Честное ограничение: замок из этого урока — учебный, и защита у него уровнем ниже, чем у амбарного. Эталон лежит во флеше открытым текстом — подключившийся к плате человек прочтёт его дампом памяти; три неверных попытки не блокируют ничего, перебирать можно хоть без паузы. Настоящие замки считают попытки и растят паузу после каждой, а код хранят не строкой, а хэшем. Прикинем масштаб: четыре цифры — десять тысяч комбинаций; пальцами такой перебор займёт недели, а скетчем по UART — секунды, поэтому у серьёзных замков пауза после неудачи растёт геометрически: пять, десять, двадцать секунд. Мы это сознательно отложили: сейчас ценность в цепочке сканер — буфер — сравнение — действие, а счётчик попыток с минутной блокировкой — готовое домашнее задание из списка ниже.

Куда это растёт дальше. Тот же буфер с таймаутом принимает команды по UART, коды ИК-пульта или последовательность с энкодера — меняется источник, логика стоит на месте. А если добавить дисплей, замок превращается в прибор с приглашением «Vvedite kod:» и звёздочками вместо цифр — интерфейсная надстройка над уже работающим сердцем. Ниже — живая клавиатура: нажмите клавишу и проследите, как сканер ведёт строку и находит столбец, — ровно то, что делает opros() в замке.