本系統(tǒng)為測量人體感應(yīng)電容的新式鍵盤設(shè)備。在電路中接入繪有鉛筆軌跡的紙張，在觸碰對應(yīng)軌跡后，人體感應(yīng)電容將會影響到整個電路，使用STM32F4微控制器采集并處理相應(yīng)數(shù)據(jù)，將這種不利的影響轉(zhuǎn)化為有用的觸碰信號，同時，接入的物體不僅均為生活中常見的，而且廉價方便，進而制作出了更加輕薄便捷的新式無線鍵盤，同時衍生出多種趣味水果鍵盤。
視頻：
http://v.youku.com/v_show/id_XNjE5MzA0NDc2.html
0.png (65.92 KB, 下載次數(shù): 154)
下載附件
2017-5-9 22:45 上傳
ARM-STM32校園創(chuàng)新大賽
視頻觀看地址： http://v.youku.com/v_show/id_XNjE5MzA0NDc2.html
人體感應(yīng)式無線鍵盤 摘要 1. 引言 2. 系統(tǒng)方案 3. 系統(tǒng)硬件設(shè)計 4. 系統(tǒng)軟件設(shè)計 5. 系統(tǒng)創(chuàng)新 6. 評測與結(jié)論 附錄
本系統(tǒng)為測量人體感應(yīng)電容的新式鍵盤設(shè)備。在電路中接入繪有鉛筆軌跡的紙張，在觸碰對應(yīng)軌跡后，人體感應(yīng)電容將會影響到整個電路，使用STM32F4微控制器采集并處理相應(yīng)數(shù)據(jù)，將這種不利的影響轉(zhuǎn)化為有用的觸碰信號，同時，接入的物體不僅均為生活中常見的，而且廉價方便，進而制作出了更加輕薄便捷的新式無線鍵盤，同時衍生出多種趣味水果鍵盤。
隨著各類電子設(shè)備的普及，人們對于鍵盤的需求日益增加。但目前的鍵盤種類仍較為有限，大體為機械鍵盤及電容式開關(guān)鍵盤，這些鍵盤普遍有著噪聲大、不易攜帶等缺點，如今廣為開發(fā)的紅外投影鍵盤，也有造價高、受光干擾等弊端。因此，需要這樣一種體積微小、可折疊放置、成本低、易于攜帶的新式鍵盤的研制。這樣一種對人體感應(yīng)電容的利用方式，也使得更多的趣味水果鍵盤能夠被輕松的開發(fā)出來，這些水果鍵盤可作為多款游戲（例如節(jié)奏大師、勁樂團）的外設(shè)使用，大大增加了游戲樂趣。 2. 系統(tǒng)方案
1.002.jpg (21.18 KB, 下載次數(shù): 140)
下載附件
2017-5-9 22:55 上傳
圖 1 感應(yīng)電容檢測流程圖 人體感應(yīng)電容在正常情況下為幾十pF，當人體接觸到連接在電路上的導(dǎo)體后，將會改變電路中的分布電容。通過不斷地對鉛筆軌跡或其他導(dǎo)體（以水果為例）進行充放電，并使用STM32F4微控制器對充放電時間進行計數(shù)，間接地得到電容的改變量。對這個改變量進行監(jiān)控并設(shè)置適當?shù)拈撝担M而得到按鍵狀態(tài)。通過藍牙芯片將處理后的數(shù)據(jù)以預(yù)定的藍牙協(xié)議發(fā)送至上位機或移動設(shè)備上，實現(xiàn)無線鍵盤功能。 3. 系統(tǒng)硬件設(shè)計
1.003.jpg (10.44 KB, 下載次數(shù): 169)
下載附件
2017-5-9 22:55 上傳
圖 2 整體硬件框圖
本系統(tǒng)以STM32 F4為核心控制器，通過檢測電路、施密特觸發(fā)器等電路，將微小的電容改變量轉(zhuǎn)換成電信號，再通過藍牙模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送給手機或者上位機。本系統(tǒng)硬件部分主要由3個部分組成：檢測處理電路、控制器及藍牙模塊電路。 檢測電路由電容積分電路和施密特觸發(fā)器構(gòu)成。當人體通過導(dǎo)電介質(zhì)與電路聯(lián)通時，改變了電路總電容，使得充放電時間發(fā)生改變。為減少外界干擾，選用施密特觸發(fā)器代替普通比較器，使得檢測更準確。
1.004.jpg (14.34 KB, 下載次數(shù): 150)
下載附件
2017-5-9 22:55 上傳
圖 3 電容檢測處理電路圖 HC05藍牙模塊是一款高性能的主從一體的藍牙串口模塊,可以同各種帶有藍牙功能的設(shè)備配對。其波特率范圍：4800~1382400，并兼容5V或3.3V單片機系統(tǒng)。
1.005.jpg (35.27 KB, 下載次數(shù): 158)
下載附件
2017-5-9 22:55 上傳
圖 4 藍牙模塊電路圖 本系統(tǒng)分為單線單點、單線多點、及多線多點檢測方式。 在單線單點中，使用一個獨立的導(dǎo)線，檢測一個觸電按鍵是否被觸發(fā)，檢測流程圖如圖二所示，這種方式識別準確率高，魯棒性強，適用于多類導(dǎo)體連接，使用水果鍵盤來彈鋼琴，便是用這種方式來實現(xiàn)的。但缺點是，當按鍵多時，需要很多的導(dǎo)線及單片機引腳導(dǎo)致構(gòu)線繁雜，不易搭接與維護。 單線多點方式，可以在僅使用一個導(dǎo)線的情況下，正確識別出多個按鍵的觸發(fā)狀態(tài)，通過對輸入信號進行濾波、分段，可明確地為每個按鍵分配出一個互相完全獨立的數(shù)據(jù)區(qū)域，經(jīng)多區(qū)域的閾值比較來判斷出在同一條導(dǎo)線上的哪個按鍵被觸發(fā)了。 多線多點方式，使用多條獨立導(dǎo)線，來識別出更多的按鍵點。每條導(dǎo)線檢測流程圖同單線多點基本一致，但需要注意的是，因為導(dǎo)體放電需要一段時間，并且在多個導(dǎo)線共同工作的情況下，在為某根導(dǎo)線充電時，務(wù)必保證其他導(dǎo)線均為低電平及放電完畢狀態(tài)，這樣才不會互相影響。同時，因系統(tǒng)運行要保證良好的實時性，因此我們設(shè)計為，多路導(dǎo)線交替著循環(huán)充放電，在每個單線檢測流程結(jié)束后，將此路引腳拉低，使其在整個循環(huán)周期內(nèi)大部分時間都在放電，縮減充電前檢測等待時間。
4. 系統(tǒng)軟件設(shè)計
1.006.jpg (39.79 KB, 下載次數(shù): 168)
下載附件
2017-5-9 22:55 上傳
圖 5 單線單點按鍵檢測流程圖
因人體感應(yīng)電容不穩(wěn)定，因此采集到的數(shù)據(jù)將會頻繁抖動，這里我們采用了均值濾波及保持濾波的方式。即在多次采樣后，剔除極端數(shù)據(jù)后進行均值運算；而后在n次采樣中保持輸出前n次出現(xiàn)次數(shù)最多的采樣值，從而減小數(shù)據(jù)抖動。
1.007.jpg (13.86 KB, 下載次數(shù): 179)
下載附件
2017-5-9 22:55 上傳
圖 6 濾波前數(shù)據(jù)
1.008.jpg (14.99 KB, 下載次數(shù): 151)
下載附件
2017-5-9 22:55 上傳
圖 7 濾波后數(shù)據(jù)
1.009.jpg (15.21 KB, 下載次數(shù): 150)
下載附件
2017-5-9 22:55 上傳
圖 8 傳至上位機的數(shù)據(jù)
隨著所處環(huán)境的變化，必然影響電路中電容及人體感應(yīng)電容值的大小，因此在系統(tǒng)開始運行前，需進行自動或手動初始化，以減小誤識別。系統(tǒng)上電后，將自動采集n組（n足夠大）數(shù)據(jù)，作為以后做比較的初始值。初始值采集后，所有數(shù)據(jù)均計算與初始值的差值，默認將設(shè)置一個較小的值作為差值閾值，但保證不會誤觸發(fā)。當環(huán)境發(fā)生較大改變時，可使用User按鍵進行系統(tǒng)矯正，矯正過程中將采集n組值，選取其中的最小值，并再降低30%~50%作為觸發(fā)閾值。經(jīng)過實際測試，此種策略基本可以保證該無線鍵盤的識別率。 當前比較流行的音樂節(jié)奏游戲(以節(jié)奏大師為例)，在觸控設(shè)備上均有良好的交互效果，但使用普通鍵盤玩，卻十分生硬，沒有很好的用戶體驗。而水果不僅經(jīng)常出現(xiàn)在我們的生活中，也很適合拍打，且為導(dǎo)體，因此我們設(shè)計使用水果鍵盤來操作這類音樂節(jié)奏游戲，增加趣味性。水果鍵盤使用單線單點的檢測方式，通過對水果不斷充放電實現(xiàn)檢測功能。將數(shù)據(jù)發(fā)送到上位機之后，借助COM組件實現(xiàn)對電腦鍵盤的控制，實現(xiàn)游戲功能。（如附錄中圖11） 在采集到按鍵數(shù)據(jù)后，STM32F4由串口與藍牙芯片連接，使用指定的藍牙協(xié)議將數(shù)據(jù)發(fā)送到上位機或移動設(shè)備。上位機程序使用C#編寫，移動設(shè)備以WinPhone8設(shè)備作演示。（如附錄中圖12、圖13） 在STM32單片機采集到按鍵數(shù)據(jù)后，根據(jù)按下的鍵的信息，使用單片機DAC以DMA方式控制輸出音頻數(shù)據(jù)發(fā)出不同音調(diào)聲音，對于STM32F4-DISCOVERY開發(fā)板，也可使用I2S協(xié)議，控制音頻DAC輸出音頻數(shù)據(jù)。從而實現(xiàn)了水果電子琴功能。（如附錄中圖10） 5. 系統(tǒng)創(chuàng)新- 將人體感應(yīng)電容對電路的不利影響合理地利用起來，使用生活中隨處可見的物品（如A4紙、水果等）代替?zhèn)鹘y(tǒng)按鍵，制作出廉價的便攜的新式鍵盤。
- 使用施密特觸發(fā)器結(jié)合stm32控制器中計數(shù)器實現(xiàn)對電容充放電時間的檢測，進而實現(xiàn)對微小電容改變量的檢測。
- 將衍生出的水果鍵盤應(yīng)用到合適的游戲中（例如節(jié)奏大師），大大增加了游戲趣味性和可玩性。同時也衍生出了水果電子琴等獨特游戲。
- 利用了鉛筆軌跡的導(dǎo)電性及因軌跡長度導(dǎo)致的電容改變特性，實現(xiàn)了單路多觸點的檢測，大大減小了單片機I/O引腳的使用量。
6. 評測與結(jié)論按鍵響應(yīng)時間：<50ms (8路多點檢測) 按鍵誤觸發(fā)率：1% 按鍵未響應(yīng)率：4% 20cm長鉛筆軌跡可分觸點：4~5個
在多路單點檢測的情況下，按鍵準確率在99%以上。 在8條導(dǎo)線的情況下即可完成30鍵鍵盤的正確檢測。
如下圖為數(shù)據(jù)擬合后，充電時間t隨觸點與軌跡端點距離的大致變化趨勢：
1.010.jpg (12.51 KB, 下載次數(shù): 135)
下載附件
2017-5-9 22:55 上傳
圖 9 充電時間變化趨勢圖
本系統(tǒng)在硬件方面包括LM358運算放大器搭建的電壓跟隨器及施密特觸發(fā)器，藍牙芯片等，在軟件方面包括在stm32上對人體感應(yīng)電容的檢測與數(shù)據(jù)預(yù)處理，上位機與stm32的藍牙通信協(xié)議，上位機的鍵盤驅(qū)動、模擬鋼琴發(fā)聲程序，以及基于c#的圖形化數(shù)據(jù)分析程序。整個設(shè)計過程包括人體電容檢測原理電路圖的設(shè)計，PCB板繪制及制作，焊接調(diào)試等，對硬件系統(tǒng)采集到的數(shù)據(jù)進行濾波以及分析處理等整個開發(fā)調(diào)試過程。
附錄
1.011.jpg (45.05 KB, 下載次數(shù): 158)
下載附件
2017-5-9 22:55 上傳
圖 10 香蕉電子琴
1.012.jpg (40.02 KB, 下載次數(shù): 163)
下載附件
2017-5-9 22:55 上傳
圖 11 “節(jié)奏大師”游戲外設(shè)
1.013.jpg (38.76 KB, 下載次數(shù): 133)
下載附件
2017-5-9 22:55 上傳
圖 12 手機藍牙鍵盤
1.014.jpg (40.01 KB, 下載次數(shù): 158)
下載附件
2017-5-9 22:55 上傳
圖 13 電腦藍牙鍵盤
1.015.jpg (49.81 KB, 下載次數(shù): 142)
下載附件
2017-5-9 22:55 上傳
圖 14 輕薄環(huán)保鍵盤
下面是源碼的目錄：
0.png (47.53 KB, 下載次數(shù): 137)
下載附件
2017-5-9 22:47 上傳
全部設(shè)計資料下載（原理圖 源碼 文檔 資料等等）：
人體感應(yīng)式無線鍵盤.7z
(7.02 MB, 下載次數(shù): 178)
2021-8-24 17:34 上傳
點擊文件名下載附件
下載積分: 黑幣 -5
還順便分享個一個是攝像頭：
OV7670學習資料.zip
(1.38 MB, 下載次數(shù): 87)
2017-5-9 21:51 上傳
點擊文件名下載附件
下載積分: 黑幣 -5
| 
[復(fù)制鏈接]
QQ好友和群
QQ空間
騰訊微博
騰訊朋友
收藏
淘帖
頂
踩
都在杭州，你還敢這么裝逼
