Arduino、キーパッド、リニアアクチュエーターで作るパスワード式ドアロック

必要な部品と材料

部品	数量	備考
Arduino UNO	1
メンブレンキーパッド（4×4マトリックス）	1
L293D デュアルHブリッジ モータードライバー	1	Texas Instruments製
リニアアクチュエーター（12V）	1	ドアの施錠/解錠用

プロジェクト概要

キーパッド入力でパスワード認証し、正しければリニアアクチュエーターを駆動してドアを開けるシステム。ネット上に類似プロジェクトは多数あるが、動作原理をわかりやすく解説することを目的としています。

キーパッドの仕組み

4×4マトリックスキーパッドは内部で行（Row）と列（Column）に配線されています。キーを押すと対応する行と列が短絡。Arduino側では列をプルアップ入力、行を出力に設定し、行を順番にLowにして列の状態を読み取る「スキャン」方式でどのキーが押されたかを判定します。

スキャンの流れ

1. 全行をHighに設定
2. Row 0のみLowにし、Column 0-3を読み取り → Lowならキー'1','2','3','A'のいずれか
3. Row 1をLowにし、同様に読み取り → '4','5','6','B'
4. Row 2をLow → '7','8','9','C'
5. Row 3をLow → '*','0','#','D'
6. これを高速で繰り返すことで、短時間の押下も検出可能

コード1: キーパッドスキャンのみ（ライブラリ不使用）

STM32等でライブラリが使えない場合にも対応できるよう、スキャンロジックを自前で実装した版。シリアルモニターに押されたキーを表示します。

int rows = 4; int columns = 4;
#define c3 9 #define c2 8 #define c1 7 #define c0 6
#define r3 5 #define r2 4 #define r1 3 #define r0 2

void setup() {
  Serial.begin(9600);
  pinMode(c0, INPUT_PULLUP); pinMode(c1, INPUT_PULLUP);
  pinMode(c2, INPUT_PULLUP); pinMode(c3, INPUT_PULLUP);
  pinMode(r0, OUTPUT); pinMode(r1, OUTPUT);
  pinMode(r2, OUTPUT); pinMode(r3, OUTPUT);
  pinMode(11, OUTPUT); pinMode(12, OUTPUT); // アクチュエーター制御用
}

char readkey(void) {
  // Row 0 スキャン
  digitalWrite(r0, LOW); digitalWrite(r1, HIGH); digitalWrite(r2, HIGH); digitalWrite(r3, HIGH);
  if (digitalRead(c0) == LOW) { delay(500); return '1'; }
  else if (digitalRead(c1) == LOW) { delay(500); return '2'; }
  else if (digitalRead(c2) == LOW) { delay(500); return '3'; }
  else if (digitalRead(c3) == LOW) { delay(500); return 'A'; }
  // Row 1 スキャン
  digitalWrite(r0, HIGH); digitalWrite(r1, LOW); digitalWrite(r2, HIGH); digitalWrite(r3, HIGH);
  if (digitalRead(c0) == LOW) { delay(500); return '4'; }
  else if (digitalRead(c1) == LOW) { delay(500); return '5'; }
  else if (digitalRead(c2) == LOW) { delay(500); return '6'; }
  else if (digitalRead(c3) == LOW) { delay(500); return 'B'; }
  // Row 2 スキャン
  digitalWrite(r0, HIGH); digitalWrite(r1, HIGH); digitalWrite(r2, LOW); digitalWrite(r3, HIGH);
  if (digitalRead(c0) == LOW) { delay(500); return '7'; }
  else if (digitalRead(c1) == LOW) { delay(500); return '8'; }
  else if (digitalRead(c2) == LOW) { delay(500); return '9'; }
  else if (digitalRead(c3) == LOW) { delay(500); return 'C'; }
  // Row 3 スキャン
  digitalWrite(r0, HIGH); digitalWrite(r1, HIGH); digitalWrite(r2, HIGH); digitalWrite(r3, LOW);
  if (digitalRead(c0) == LOW) { delay(500); return '*'; }
  else if (digitalRead(c1) == LOW) { delay(500); return '0'; }
  else if (digitalRead(c2) == LOW) { delay(500); return '#'; }
  else if (digitalRead(c3) == LOW) { delay(500); return 'D'; }
  return 'o'; // 押下なし
}

char nfunc(void) {
  char key = 'o';
  while (key == 'o') key = readkey();
  return key;
}

void loop() {
  char key1 = nfunc();
  if (key1) Serial.print(key1);
}

コード2: パスワード認証付き

入力された4桁を配列に蓄積し、設定パスワード「1234」と比較。一致ならD11 High / D12 Lowでアクチュエーターを引き込み（ドア開）、不一致なら「intruder」表示。

char password[5] = "1234";
char typed[5];
int count = 0;

void loop() {
  char key1 = nfunc();
  if (key1) {
    typed[count] = key1;
    count++;
    Serial.print(key1);
  }
  if (count == 4) {
    if (strcmp(typed, password) == 0) {
      Serial.println(" correct");
      digitalWrite(11, HIGH);
      digitalWrite(12, LOW);
      delay(250); // アクチュエーター駆動時間
      digitalWrite(11, LOW); // 停止
    } else {
      Serial.println(" intruder");
    }
    count = 0;
  }
}

リニアアクチュエーターの駆動

L293Dは12V電源で駆動し、Arduinoの5Vロジックで制御可能。入力ピン（D11, D12）のHigh/Low組み合わせで正転/逆転/停止を制御。パスワード正解時はD11=High, D12=Lowでアクチュエーターを引き込み（ドア開）。通常時は逆極性で突き出し状態（施錠）にしておきます。

回路図と動画

回路図ではアクチュエーターをモーター接続位置に、L293DのPin 8に12Vを接続。動画でキースキャン表示、パスワード正解時のLED点灯、アクチュエーター動作を確認できます。

発展のヒント

• パスワードをEEPROMに保存し、キーパッドから変更可能にする
• 複数ユーザー対応、入力回数制限、ブザーアラーム追加
• キーパッドライブラリ（Keypad.h）を使えばコード簡略化可能