本系統(tǒng)為測(cè)量人體感應(yīng)電容的新式鍵盤(pán)設(shè)備。在電路中接入繪有鉛筆軌跡的紙張，在觸碰對(duì)應(yīng)軌跡后，人體感應(yīng)電容將會(huì)影響到整個(gè)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(hào)，同時(shí)，接入的物體不僅均為生活中常見(jiàn)的，而且廉價(jià)方便，進(jìn)而制作出了更加輕薄便捷的新式無(wú)線鍵盤(pán)，同時(shí)衍生出多種趣味水果鍵盤(pán)。
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(wú)線鍵盤(pán) 摘要 1. 引言 2. 系統(tǒng)方案 3. 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 4. 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 5. 系統(tǒng)創(chuàng)新 6. 評(píng)測(cè)與結(jié)論 附錄
本系統(tǒng)為測(cè)量人體感應(yīng)電容的新式鍵盤(pán)設(shè)備。在電路中接入繪有鉛筆軌跡的紙張，在觸碰對(duì)應(yīng)軌跡后，人體感應(yīng)電容將會(huì)影響到整個(gè)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(hào)，同時(shí)，接入的物體不僅均為生活中常見(jiàn)的，而且廉價(jià)方便，進(jìn)而制作出了更加輕薄便捷的新式無(wú)線鍵盤(pán)，同時(shí)衍生出多種趣味水果鍵盤(pán)。
隨著各類(lèi)電子設(shè)備的普及，人們對(duì)于鍵盤(pán)的需求日益增加。但目前的鍵盤(pán)種類(lèi)仍較為有限，大體為機(jī)械鍵盤(pán)及電容式開(kāi)關(guān)鍵盤(pán)，這些鍵盤(pán)普遍有著噪聲大、不易攜帶等缺點(diǎn)，如今廣為開(kāi)發(fā)的紅外投影鍵盤(pán)，也有造價(jià)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(pán)的研制。這樣一種對(duì)人體感應(yīng)電容的利用方式，也使得更多的趣味水果鍵盤(pán)能夠被輕松的開(kāi)發(fā)出來(lái)，這些水果鍵盤(pán)可作為多款游戲（例如節(jié)奏大師、勁樂(lè)團(tuán)）的外設(shè)使用，大大增加了游戲樂(lè)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(cè)流程圖 人體感應(yīng)電容在正常情況下為幾十pF，當(dāng)人體接觸到連接在電路上的導(dǎo)體后，將會(huì)改變電路中的分布電容。通過(guò)不斷地對(duì)鉛筆軌跡或其他導(dǎo)體（以水果為例）進(jìn)行充放電，并使用STM32F4微控制器對(duì)充放電時(shí)間進(jìn)行計(jì)數(shù)，間接地得到電容的改變量。對(duì)這個(gè)改變量進(jìn)行監(jiān)控并設(shè)置適當(dāng)?shù)拈撝�，進(jìn)而得到按鍵狀態(tài)。通過(guò)藍(lán)牙芯片將處理后的數(shù)據(jù)以預(yù)定的藍(lán)牙協(xié)議發(fā)送至上位機(jī)或移動(dòng)設(shè)備上，實(shí)現(xiàn)無(wú)線鍵盤(pán)功能。 3. 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
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(guò)檢測(cè)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(hào)，再通過(guò)藍(lán)牙模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送給手機(jī)或者上位機(jī)。本系統(tǒng)硬件部分主要由3個(gè)部分組成：檢測(cè)處理電路、控制器及藍(lán)牙模塊電路。 檢測(cè)電路由電容積分電路和施密特觸發(fā)器構(gòu)成。當(dāng)人體通過(guò)導(dǎo)電介質(zhì)與電路聯(lián)通時(shí)，改變了電路總電容，使得充放電時(shí)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(cè)更準(zhǔn)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(cè)處理電路圖 HC05藍(lán)牙模塊是一款高性能的主從一體的藍(lán)牙串口模塊,可以同各種帶有藍(lán)牙功能的設(shè)備配對(duì)。其波特率范圍：4800~1382400，并兼容5V或3.3V單片機(jī)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(lán)牙模塊電路圖 本系統(tǒng)分為單線單點(diǎn)、單線多點(diǎn)、及多線多點(diǎn)檢測(cè)方式。 在單線單點(diǎn)中，使用一個(gè)獨(dú)立的導(dǎo)線，檢測(cè)一個(gè)觸電按鍵是否被觸發(fā)，檢測(cè)流程圖如圖二所示，這種方式識(shí)別準(zhǔn)確率高，魯棒性強(qiáng)，適用于多類(lèi)導(dǎo)體連接，使用水果鍵盤(pán)來(lái)彈鋼琴，便是用這種方式來(lái)實(shí)現(xiàn)的。但缺點(diǎn)是，當(dāng)按鍵多時(shí)，需要很多的導(dǎo)線及單片機(jī)引腳導(dǎo)致構(gòu)線繁雜，不易搭接與維護(hù)。 單線多點(diǎn)方式，可以在僅使用一個(gè)導(dǎo)線的情況下，正確識(shí)別出多個(gè)按鍵的觸發(fā)狀態(tài)，通過(guò)對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行濾波、分段，可明確地為每個(gè)按鍵分配出一個(gè)互相完全獨(dú)立的數(shù)據(jù)區(qū)域，經(jīng)多區(qū)域的閾值比較來(lái)判斷出在同一條導(dǎo)線上的哪個(gè)按鍵被觸發(fā)了。 多線多點(diǎn)方式，使用多條獨(dú)立導(dǎo)線，來(lái)識(shí)別出更多的按鍵點(diǎn)。每條導(dǎo)線檢測(cè)流程圖同單線多點(diǎn)基本一致，但需要注意的是，因?yàn)閷?dǎo)體放電需要一段時(shí)間，并且在多個(gè)導(dǎo)線共同工作的情況下，在為某根導(dǎo)線充電時(shí)，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(huì)互相影響。同時(shí)，因系統(tǒng)運(yùn)行要保證良好的實(shí)時(shí)性，因此我們?cè)O(shè)計(jì)為，多路導(dǎo)線交替著循環(huán)充放電，在每個(gè)單線檢測(cè)流程結(jié)束后，將此路引腳拉低，使其在整個(gè)循環(huán)周期內(nèi)大部分時(shí)間都在放電，縮減充電前檢測(cè)等待時(shí)間。
4. 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
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(diǎn)按鍵檢測(cè)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(huì)頻繁抖動(dòng)，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(jìn)行均值運(yùn)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(dòng)。
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(jī)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(kāi)始運(yùn)行前，需進(jìn)行自動(dòng)或手動(dòng)初始化，以減小誤識(shí)別。系統(tǒng)上電后，將自動(dòng)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(jì)算與初始值的差值，默認(rèn)將設(shè)置一個(gè)較小的值作為差值閾值，但保證不會(huì)誤觸發(fā)。當(dāng)環(huán)境發(fā)生較大改變時(shí)，可使用User按鍵進(jìn)行系統(tǒng)矯正，矯正過(guò)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(guò)實(shí)際測(cè)試，此種策略基本可以保證該無(wú)線鍵盤(pán)的識(shí)別率。 當(dāng)前比較流行的音樂(lè)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(pán)玩，卻十分生硬，沒(méi)有很好的用戶(hù)體驗(yàn)。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?cè)O(shè)計(jì)使用水果鍵盤(pán)來(lái)操作這類(lèi)音樂(lè)節(jié)奏游戲，增加趣味性。水果鍵盤(pán)使用單線單點(diǎn)的檢測(cè)方式，通過(guò)對(duì)水果不斷充放電實(shí)現(xiàn)檢測(cè)功能。將數(shù)據(jù)發(fā)送到上位機(jī)之后，借助COM組件實(shí)現(xiàn)對(duì)電腦鍵盤(pán)的控制，實(shí)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(lán)牙芯片連接，使用指定的藍(lán)牙協(xié)議將數(shù)據(jù)發(fā)送到上位機(jī)或移動(dòng)設(shè)備。上位機(jī)程序使用C#編寫(xiě)，移動(dòng)設(shè)備以WinPhone8設(shè)備作演示。（如附錄中圖12、圖13） 在STM32單片機(jī)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(jī)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(duì)于STM32F4-DISCOVERY開(kāi)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(shí)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(duì)電路的不利影響合理地利用起來(lái)，使用生活中隨處可見(jiàn)的物品（如A4紙、水果等）代替?zhèn)鹘y(tǒng)按鍵，制作出廉價(jià)的便攜的新式鍵盤(pán)。
- 使用施密特觸發(fā)器結(jié)合stm32控制器中計(jì)數(shù)器實(shí)現(xiàn)對(duì)電容充放電時(shí)間的檢測(cè)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)微小電容改變量的檢測(cè)。
- 將衍生出的水果鍵盤(pán)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(shí)也衍生出了水果電子琴等獨(dú)特游戲。
- 利用了鉛筆軌跡的導(dǎo)電性及因軌跡長(zhǎng)度導(dǎo)致的電容改變特性，實(shí)現(xiàn)了單路多觸點(diǎn)的檢測(cè)，大大減小了單片機(jī)I/O引腳的使用量。
6. 評(píng)測(cè)與結(jié)論按鍵響應(yīng)時(shí)間：<50ms (8路多點(diǎn)檢測(cè)) 按鍵誤觸發(fā)率：1% 按鍵未響應(yīng)率：4% 20cm長(zhǎng)鉛筆軌跡可分觸點(diǎn)：4~5個(gè)
在多路單點(diǎn)檢測(cè)的情況下，按鍵準(zhǔn)確率在99%以上。 在8條導(dǎo)線的情況下即可完成30鍵鍵盤(pán)的正確檢測(cè)。
如下圖為數(shù)據(jù)擬合后，充電時(shí)間t隨觸點(diǎn)與軌跡端點(diǎn)距離的大致變化趨勢(shì)：
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(shí)間變化趨勢(shì)圖
本系統(tǒng)在硬件方面包括LM358運(yùn)算放大器搭建的電壓跟隨器及施密特觸發(fā)器，藍(lán)牙芯片等，在軟件方面包括在stm32上對(duì)人體感應(yīng)電容的檢測(cè)與數(shù)據(jù)預(yù)處理，上位機(jī)與stm32的藍(lán)牙通信協(xié)議，上位機(jī)的鍵盤(pán)驅(qū)動(dòng)、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(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程包括人體電容檢測(cè)原理電路圖的設(shè)計(jì)，PCB板繪制及制作，焊接調(diào)試等，對(duì)硬件系統(tǒng)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波以及分析處理等整個(gè)開(kāi)發(fā)調(diào)試過(guò)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(jī)藍(lán)牙鍵盤(pán)
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(lán)牙鍵盤(pán)
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(pán)
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(jì)資料下載（原理圖 源碼 文檔 資料等等）：
人體感應(yīng)式無(wú)線鍵盤(pán).7z
(7.02 MB, 下載次數(shù): 178)
2021-8-24 17:34 上傳
點(diǎn)擊文件名下載附件
下載積分: 黑幣 -5
還順便分享個(gè)一個(gè)是攝像頭：
OV7670學(xué)習(xí)資料.zip
(1.38 MB, 下載次數(shù): 87)
2017-5-9 21:51 上傳
點(diǎn)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
