4x4のスイッチマトリックス

電子工作で良く使う4行x4列の計16個のスイッチをArduinoで取り込む回路です。以下は自分で失敗したことの覚書になっています。 16個のスイッチの状態をArduinoで取り込みたい時、次の回路図のようにスイッチそれぞれにポートを使うとすると、ポートが16個必要になります。 Arduino UNO R3の場合、Digital INのポートは16個なので、2個足らなくなってしまいます。

そこで、次のようなマトリックス構造を作ります。下の回路で、OUT1,2,3,4はArduinoの出力、IN1,2,3,4は入力です。 OUT1はSW1,SW2,SW3,SW4に接続されています。 また、IN1にはSW1,SW5,SW9,SW13が接続されています。 すなわち、上のやり方では16個のスイッチの状態を知るために16個の入力ポートが必要でしたが、 この回路では4個の出力と、4個の入力ポートがあれば可能となります。

OUT1,2,3,4 はいずれかが１になり、その他はゼロです。もし、OUT1が１で、他がゼロである時、 もしSW1のスイッチがONであればIN1が1になります。

同様に、OUT1,2,3,4のいずれを１にしたかと、IN1,2,3,4のいずれが１であるかをArduinoが判断すれば、 どのスイッチがONであるか、下の表のようにわかります。

	OUT1	OUT2	OUT3	OUT4
IN1	SW1	SW5	SW9	SW13
IN2	SW2	SW6	SW10	SW14
IN3	SW3	SW7	SW11	SW15
IN4	SW4	SW8	SW12	SW16

ただし、これがうまくいくのはいずれか１つのスイッチが押された時だけです。 もし、SW1とSW5が同時にONであったら、OUT1が1の時、SW5を介してOUT2へ1の信号が行く、 すなわちOUT1とOUT2が直結してしまいます。両方のポートは出力なので、出力がぶつかって壊れるかもしれません。

これに加えてSW7がONだったら、SW5を介してIN2へ戻る信号がSW7を通じてIN3へ出力されます。 すなわち、OUT1が1で、IN3に信号が出ますので押してもいないSW3がONのように見えてしまいます。

この２つを防ぐためには、上で言うところのSW5の逆流を止めれば良いことになります。以下のような回路図となります。 これで、4個の出力ポートと、4個の入力ポート、合わせて8個のポートがあれば16このスイッチを検出することができます。

3to8ラインデコーダーを使う

上のマトリックスでは、８個のポートが必要でしたが、さらにポート数を減らすことができます。 デコーダーを使うことです。ここでは、74HC138という、よく使われるデコーダーICを使います。 このICは、3つの入力信号の組み合わせによって、8本ある出力のうちどれか1本だけを選んでONにする回路です。 3つの入力は0〜7までの数字（3ビットのバイナリ）を表します。 その数字に対応した出力だけが**LOW（選ばれた状態）**になり、他の出力はHIGHのままになります。

˜E0, ˜E1はLOWに、E2はHIGHにすることで、138は動作します。

入力			出力
A	B	C	˜Y0	˜Y1	˜Y2	˜Y3	˜Y4	˜Y5	˜Y6	˜Y7
0	0	0	0	1	1	1	1	1	1	1
1	0	0	1	0	1	1	1	1	1	1
0	1	0	1	1	0	1	1	1	1	1
1	1	0	1	1	1	0	1	1	1	1
0	0	1	1	1	1	1	0	1	1	1
1	0	1	1	1	1	1	1	0	1	1
0	1	1	1	1	1	1	1	1	0	1
1	1	1	1	1	1	1	1	1	1	0

74HC138の出力は、対応した数字がLOWになります。上で作成したスイッチマトリックスは入力ラインに HIGHが必要ですので、それぞれの出力をインバーターで反転します。回路図は以下のようになります。 これで、２個の出力ポート、４個の入力ポートの計６個のポートで実現できます。

入力ポートは、複数のスイッチが押されることを考えると２つ以上のポートがHIGHになります。ですのでこれ以上ポート数を減らすことは、 **この方法**ではできません。