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(lái)，電腦已經(jīng)成為很多家庭必備的家用電器之一，而鍵盤(pán)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(pán)，硬件上由內(nèi)核為ATmega32U4的Arduino的微型專(zhuān)業(yè)開(kāi)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(kāi)源軟件上設(shè)計(jì)鍵盤(pán)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(pán)的主控板上即可;而鍵盤(pán)的殼體設(shè)計(jì)是在123D_Design軟件上設(shè)計(jì)出鍵盤(pán)的底蓋和上蓋，并將其用3D打印機(jī)打印出來(lái)。

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

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(lái)說(shuō)，電腦更是他們學(xué)習(xí)和工作中必不可少的工具。而鍵盤(pán)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(pán)的手感較重或噪聲過(guò)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(pán)的觸感、外觀、做工、鍵位布局、噪聲、鍵位沖突等問(wèn)題都是需要我們考慮的。在選購(gòu)鍵盤(pán)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(pán)。一個(gè)合適的鍵盤(pán)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(pán)，來(lái)滿(mǎn)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(zhuān)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(kāi)發(fā)者使用;（2）價(jià)格實(shí)惠，性?xún)r(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(pán)輸入;（5）使用開(kāi)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(pán)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(pán)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(méi)有電流通過(guò)，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(xiàn)路通入低電平，電流通過(guò)電路后鍵盤(pán)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(pán)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(kāi)關(guān)都配置了一個(gè)二極管來(lái)限制電流的流向，也就是陰極應(yīng)該面向輸出（列），陽(yáng)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(pán)有不同的軸體。對(duì)于喜愛(ài)機(jī)械鍵盤(pán)的人來(lái)說(shuō)，采用cherry家用的軸體做的鍵盤(pán)都是很值得信賴(lài)的。軸體最廣義的分類(lèi)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(zhǎng)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(zhǎng)，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(pán)的軸體，同時(shí)觸發(fā)壓力也較輕，屬于萬(wàn)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(pán)的特性。無(wú)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?lái)的鍵盤(pán)和市面上一般的鍵盤(pán)區(qū)別較大，所以用3D建模軟件123D_Design來(lái)設(shè)計(jì)鍵盤(pán)的上蓋和底蓋，如圖3、圖4所示。

5? ? 軟件設(shè)計(jì)

kbfirmware開(kāi)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(pán)矩陣，接著進(jìn)行固件的自定義設(shè)置。

（4）在設(shè)置繞線(xiàn)的時(shí)候，因?yàn)闄C(jī)械鍵盤(pán)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(xiàn)的Rows代表驅(qū)動(dòng)引腳，灰色線(xiàn)的Columns代表感知引腳。

（5）設(shè)計(jì)頁(yè)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(pán)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(xiàn)與線(xiàn)的連接都是點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的連線(xiàn)，會(huì)造成線(xiàn)與線(xiàn)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(pán)自定義。鍵盤(pán)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(lái)就按照自己的喜好去設(shè)置鍵盤(pán)的PRIMARY主鍵位、SECONDARY輔助鍵位、KEYPAD數(shù)字鍵盤(pán)、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(pán)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(pán)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(pán)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(lái)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(pán)第一行的字母鍵會(huì)變成Fn功能鍵，用來(lái)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(guò)這樣的設(shè)置，就能將鍵盤(pán)上的按鍵盡可能地利用起來(lái)，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(yè)。這一系列組合鍵都是根據(jù)我們?nèi)粘Ｓ面I盤(pán)的習(xí)慣設(shè)置的。

7? ? 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)設(shè)計(jì)一個(gè)客制化的機(jī)械鍵盤(pán)，可以滿(mǎn)足我們對(duì)于機(jī)械鍵盤(pán)的各種需求。因?yàn)闊o(wú)論是軸體還是鍵帽，或者是鍵盤(pán)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(lái)的鍵盤(pán)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。

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收稿日期：2020-09-07

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