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        基于Arduino pro micro的客制化機(jī)械鍵盤設(shè)計(jì)

        2020-11-10 04:40:31耿烽淇高琪琪王振馬睿劉飄
        機(jī)電信息 2020年30期

        耿烽淇 高琪琪 王振 馬睿 劉飄

        摘要:伴隨著新時(shí)代和全面小康社會(huì)的到來,電腦已經(jīng)成為很多家庭必備的家用電器之一,而鍵盤作為電腦一個(gè)重要的外設(shè)設(shè)備也備受人們的關(guān)注。鑒于此,基于自主設(shè)計(jì)的原理圖,設(shè)計(jì)了一種客制化鍵盤,硬件上由內(nèi)核為ATmega32U4的Arduino的微型專業(yè)開發(fā)板、觸發(fā)壓力較輕的cherry茶軸和PCB板組成;軟件設(shè)計(jì)上,主要是在kbfirmware開源軟件上設(shè)計(jì)鍵盤的排列方式、符號(hào)按鍵以及一些特殊的鍵位,之后導(dǎo)出源文件再燒錄到鍵盤的主控板上即可;而鍵盤的殼體設(shè)計(jì)是在123D_Design軟件上設(shè)計(jì)出鍵盤的底蓋和上蓋,并將其用3D打印機(jī)打印出來。

        關(guān)鍵詞:Arduino pro micro;客制化鍵盤;機(jī)械鍵盤

        0? ? 引言

        隨著社會(huì)的快速發(fā)展,電腦已經(jīng)成為人們獲取信息、完成工作的一個(gè)重要工具。尤其是對(duì)于學(xué)生和上班族來說,電腦更是他們學(xué)習(xí)和工作中必不可少的工具。而鍵盤作為電腦重要的外設(shè)輸入設(shè)備,其性能顯然非常重要,因?yàn)槿羰擎I盤的手感較重或噪聲過大會(huì)對(duì)自己或者身邊的人造成不好的影響,所以一個(gè)鍵盤的觸感、外觀、做工、鍵位布局、噪聲、鍵位沖突等問題都是需要我們考慮的。在選購鍵盤的時(shí)候,要結(jié)合自己所處的環(huán)境以及自己的打字習(xí)慣選擇一個(gè)適合自己的鍵盤。一個(gè)合適的鍵盤除了能不給別人造成困擾外,也方便了自己,提高了效率。因此,我們動(dòng)手制作了一種適合自己的鍵盤,來滿足我們的需求。

        1? ? 硬件構(gòu)成

        本項(xiàng)目用的是內(nèi)核為ATmega32U4的Arduino的微型專業(yè)主控板(Arduino pro micro),選擇這個(gè)板子主要有以下幾個(gè)原因:(1)引腳相對(duì)較多,有14個(gè)數(shù)字輸入/輸出端口、8個(gè)模擬輸入端口和4個(gè)10位的ADC引腳等等,便于開發(fā)者使用;(2)價(jià)格實(shí)惠,性價(jià)比較高;(3)體積較小,而且主控板上有一個(gè)PTC保險(xiǎn)絲和二極管可以起到保護(hù)電源電路和糾正RX、TX電路的作用;(4)采用ATmega32U4的單片機(jī)可用于模擬HID設(shè)備,可以配合其他傳感器模塊做鍵盤輸入;(5)使用開發(fā)板微型USB接口編程,支持USB串口下載。

        Arduino pro micro引腳如圖1所示。

        2? ? 電路設(shè)計(jì)

        設(shè)計(jì)時(shí)選擇了矩陣掃描鍵盤的方案,主要是因?yàn)槭褂玫腁rduino pro micro主控板引腳雖然不少,但是畢竟有限,如果要使用具備更多引腳的微處理器,花費(fèi)將會(huì)增加,功耗也會(huì)更大。

        機(jī)械鍵盤原理圖如圖2所示,從圖中可以看出:當(dāng)按鍵未被按下時(shí),電路中沒有電流通過,按鍵兩邊的電壓為高電平;當(dāng)按鍵被按下后,主控板給按鍵兩邊線路通入低電平,電流通過電路后鍵盤就能識(shí)別到是哪一個(gè)按鍵被按下。但是現(xiàn)實(shí)中我們使用的鍵盤都是多行的,如果僅僅只是這樣設(shè)計(jì)可能會(huì)擾亂主控板的讀取,導(dǎo)致主控板讀取到錯(cuò)誤的信息。所以,給每一個(gè)按鍵開關(guān)都配置了一個(gè)二極管來限制電流的流向,也就是陰極應(yīng)該面向輸出(列),陽極應(yīng)該對(duì)著輸入(行)。這樣設(shè)計(jì)就可以使按鍵按下時(shí)不出現(xiàn)主控板被擾亂的情況;同時(shí),一系列的二極管也可以起到防止電路短路的作用。

        3? ? Cherry軸體的選擇

        眾所周知,機(jī)械鍵盤有不同的軸體。對(duì)于喜愛機(jī)械鍵盤的人來說,采用cherry家用的軸體做的鍵盤都是很值得信賴的。軸體最廣義的分類大概包括紅軸、黑軸、青軸和茶軸。

        (1)紅軸:它的觸發(fā)壓力較小,使得它在按壓的時(shí)候不彈手也不費(fèi)力氣。

        (2)黑軸:雖然比較靜音,但是觸發(fā)壓力大,手感較重,長時(shí)間使用會(huì)產(chǎn)生一定的疲憊感。

        (3)青軸:觸發(fā)建程較長,有強(qiáng)烈的段落感,會(huì)發(fā)出清脆的“咯啪”的聲音,造成很大噪聲。

        (4)茶軸:它是最接近薄膜鍵盤的軸體,同時(shí)觸發(fā)壓力也較輕,屬于萬能軸。

        綜上所述,最后選擇了茶軸,因?yàn)樗骖櫫饲噍S的段落感和紅軸的安靜,并且還具有薄膜鍵盤的特性。無論是打字還是玩游戲都會(huì)比較舒服,是一種游戲和辦公結(jié)合的軸體。

        4? ? 殼體方案

        因?yàn)槲覀冏龀鰜淼逆I盤和市面上一般的鍵盤區(qū)別較大,所以用3D建模軟件123D_Design來設(shè)計(jì)鍵盤的上蓋和底蓋,如圖3、圖4所示。

        5? ? 軟件設(shè)計(jì)

        kbfirmware開源軟件—qmk固件方案設(shè)計(jì)流程:

        (1)根據(jù)TEX Kodachi的鍵列,在keyboard-layout-editor上設(shè)計(jì)好布局圖。

        (2)將keyboard-layout-editor生成的RAW數(shù)據(jù)復(fù)制到kbfirmware中,點(diǎn)擊Import。

        (3)kbfirmware上自動(dòng)生成一個(gè)一個(gè)鍵盤矩陣,接著進(jìn)行固件的自定義設(shè)置。

        (4)在設(shè)置繞線的時(shí)候,因?yàn)闄C(jī)械鍵盤都有防沖二極管,所以要區(qū)分感知引腳和驅(qū)動(dòng)引腳,紅色線的Rows代表驅(qū)動(dòng)引腳,灰色線的Columns代表感知引腳。

        (5)設(shè)計(jì)頁面上的Specify the diode direction指的是二極管方向,引進(jìn)原理圖后可以看出機(jī)械鍵盤的二極管負(fù)極接驅(qū)動(dòng)引腳,正極接感知引腳。

        (6)因?yàn)閗bfirmware中線與線的連接都是點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的連線,會(huì)造成線與線的相交,最好在Excel中建立表格,確定每一個(gè)按鍵的驅(qū)動(dòng)引腳和感知引腳的數(shù)字,再填到kbfirmware中去。

        (7)設(shè)計(jì)KEYMAP鍵列時(shí),kbfirmware支持全鍵盤自定義。鍵盤可以自定義多個(gè)層并進(jìn)行切換,點(diǎn)擊需要修改的按鍵,就能顯示其鍵值。

        (8)接下來就按照自己的喜好去設(shè)置鍵盤的PRIMARY主鍵位、SECONDARY輔助鍵位、KEYPAD數(shù)字鍵盤、FN功能鍵和其他一些手動(dòng)輸入的鍵等等。

        (9)Settings設(shè)置:在這里可以自定義鍵盤的名字,Windows系統(tǒng)能夠識(shí)別出這個(gè)名字,并且還可以查看固件的大小以及相關(guān)主板的名字。

        (10)所有的設(shè)置完成后,要保存配置JSON文件到電腦中,方便下次編輯。

        6? ? 特殊鍵位設(shè)計(jì)

        設(shè)計(jì)的時(shí)候?yàn)榱朔奖闶褂煤凸?jié)省材料,在鍵盤上設(shè)置了兩個(gè)Fn功能鍵,一個(gè)是在空格鍵的左邊,按下按鍵后鍵盤第一行的字母鍵會(huì)變成數(shù)字的功能鍵,可以充當(dāng)0~9來使用。另一個(gè)是在空格鍵的右邊,當(dāng)按下這個(gè)Fn鍵時(shí),鍵盤第一行的字母鍵會(huì)變成Fn功能鍵,用來實(shí)現(xiàn)改變電腦音量、屏幕亮度以及刷新等一些功能。通過這樣的設(shè)置,就能將鍵盤上的按鍵盡可能地利用起來,以節(jié)省材料,降低成本。除此之外,還設(shè)計(jì)了一些常用的組合鍵,例如:Ctrl+A為關(guān)閉當(dāng)前網(wǎng)頁。這一系列組合鍵都是根據(jù)我們?nèi)粘S面I盤的習(xí)慣設(shè)置的。

        7? ? 結(jié)語

        通過設(shè)計(jì)一個(gè)客制化的機(jī)械鍵盤,可以滿足我們對(duì)于機(jī)械鍵盤的各種需求。因?yàn)闊o論是軸體還是鍵帽,或者是鍵盤上的一些特殊功能鍵,我們都可以憑著自己的喜好去選擇和設(shè)置。這樣設(shè)計(jì)出來的鍵盤才完完全全適合自己,能夠最大程度上方便自己日常的學(xué)習(xí)和工作。

        [參考文獻(xiàn)]

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        [5] 承建.電腦該用鍵盤還是觸摸屏[J].個(gè)人電腦,2016(9):60.

        收稿日期:2020-09-07

        作者簡介:耿烽淇(1999—),女,河南南陽人,研究方向:物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用。

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