黑科技：程序员如何打造属于自己的分体键盘

2016-04-19 本文已影响1428人 VellBibi

前言

作为一名程序员，键盘在手，天下我有啊，不整把高大上的键盘怎么提升B格。之前一直想买个机械键盘，听说机械键盘敲代码和玩游戏都特别爽，也是装B神器。同时也觉得普通的键盘打字打久了手腕会有点酸酸的，因为敲键盘时都是要弯着手腕的，一点也不符合人体工程学。于是乎就想买一个分体的机械键盘，结果找了半天都没有比较中意的，找到几个人体工程学键盘，都是薄膜的，而且价格高得离谱，不就多个人体工程学光环嘛。。。身为程序员中的屌丝，岂能被金钱这种东西降低自身B格呢

普通机械键盘

带 * “人体工程学光环” * 键盘

为了不要这么纠结，就自己diy一个咯，正好有台3D打印机（又一个装B神器，你值得拥有，O(∩_∩)O哈哈~），全部外壳自己打印，控制板用Arduino Leonardo，原生支持键盘鼠标驱动，轴体考虑到成本，先买了80颗国产黑轴做实验，键帽也简单打印一下，说干就干

3D打印的分体黑轴机械键盘

符合人体工程学的分体式设计，全键无冲，可任意自定义快捷键，甚至可任性滴修改键位布局哦（重新设计外壳即可）

准备

工具
- 3D打印机（打印外壳）
- 电烙铁
- 热熔胶（固定按键用）
- 万用表
硬件
- Arduino Leonardo板（驱动板）
- 黑轴轴体
- 二极管+电阻+杜邦线+万能板
- 小螺丝（外壳装配）
软件
- SolidWorks （3D建模，设计外壳，可用任何3D建模软件代替哦）
- Arduino IDE （写键盘驱动程序）

是时候上点图了。。。
自己组装的三角洲式3D打印机

淘宝买的工具

步骤

先设计键位排布，使用 ** SolidWorks ** （任何3D建模软件都ok的，只是我比较熟系SolidWorks哦）画出简单的按键布局，先从左手开始，先完整的搞定左手能使用了，再做右手。设计好布局后制作支撑轴体的面板，然后设计电路，用飞线焊接，写代码测试按键是否都正常。电路正常后设计整个外壳，然后整体组装。这就完工啦

键位设计

右手之所以外形扭曲，是因为3D打印机打印面积有限

电路设计

由于Arduino板io口有限，必须使用矩阵扫描来实现按键。扫描方式就是：定义n个io口为扫描口，m个接收口，组成一个n*m的矩阵。扫描口默认全部都是低电压，然后依次将每个扫描口单独置为高电压（即扫描动作），当这个高电压的扫描口上连接的某个按键有按下时，对应的接收口电压就也是高电压，这时就可以定位到是哪个按钮按下了，矩阵如图所示：

Arduino有6个模拟口，14个数字口。我要做的键盘不超过80个键，所以使用8个数字口进行脉冲扫描，6个模拟口加4个数字口用来接收脉冲来定位按键，这样就实现了8*10的矩阵，支持80个键。还有2个数字键是空闲的，可以用于特殊按键定制。

按键冲突处理

如果按上图简单实现会存在冲突问题，当接收口上有多个按键被按下时，会存在回路，高电压的扫描口和低电压的扫描口发生短路，就不知道是哪个按键被按下了。一般键盘都是5键左右不冲突，也就是这个键盘有5个接收口，只要保证在同一个接收口上的按键不会同时按下就不会有冲突。

使用矩阵扫描方式就会有按键冲突问题，我使用二极管来处理冲突，保证不会出现回路问题，如图（R是扫描口，C是接收口）：

电压动荡处理
二极管解决了冲突问题，但是不能解决电压动荡，电压不稳定有两方面，第一就是当扫描口高电压变为低电压时，接收口电压不会立即变成低电压，所以在接收口都需要加一个下拉电阻，让电压立马降下来。第二就是按键按下时接触片碰撞时导致的电压不稳，这个最好是通过加电容（和按键并联）去过滤波动电压，买元件时忘了买电容了，这里就简单粗暴了
最终电路设计
外壳设计（第一期简单点，不把电路板放到外壳内）
- 左手
- 右手
- 侧面
键帽设计
程序设计

#include "Keyboard.h"
#include "HID.h"

#define scanPin_len 8
int scanPin[] = {4,5,6,7,0,1,2,3}; // 扫描pin，（默认低电平，逐个输出高电平）
int scanPos = 0; // 当前扫描位

#define btnPinA_len 6
#define btnPinD_len 4
int btnPinA[] = {5,4,3,2,1,0}; // 按钮pin，模拟端口
int btnPinD[] = {8,9,10,11}; // 按钮pin，数字端口

#define btn_len 10
byte btn[scanPin_len][btn_len]; // 按钮状态
byte btnTmp[btn_len]; // 临时按钮状态

#define KEY_FN KEY_RIGHT_SHIFT // FN键
// 8*10的按键映射矩阵
uint8_t keyMap[scanPin_len][btn_len] = 
{
{'y','n','7','8',KEY_F6,'h','m','u','j',' '},
{'o','.','0','9',KEY_F7,'l',',','i','k',KEY_FN},
{'p','/','-',KEY_LEFT_ARROW,KEY_F8,';',KEY_UP_ARROW,'[','\'',KEY_DOWN_ARROW},
{KEY_F10,KEY_DELETE,'=',KEY_BACKSPACE,KEY_F9,KEY_F11,KEY_RETURN,']','\\',KEY_RIGHT_ARROW},
{KEY_ESC,KEY_LEFT_GUI,'`',KEY_LEFT_CTRL,KEY_TAB,'a','q','z',KEY_CAPS_LOCK,KEY_LEFT_SHIFT},
{KEY_F1,KEY_LEFT_ALT,'1',KEY_F2,'2','s','w','x','d','c'},
{KEY_F3,' ','4',KEY_F4,'3','e','r','b','f','v'},
{KEY_F5,'6','5',0,0,0,'t','g',0,0}
}; 

void setup() {
  Keyboard.begin();
  Keyboard.releaseAll();

  // 初始化扫描pin
  for(int i=0; i<scanPin_len; i++) {
    pinMode(scanPin[i], OUTPUT);
  }

  // 初始化按钮pin
  for(int i=0; i<btnPinD_len; i++) {
    pinMode(btnPinD[i], INPUT);
  }

  // 初始化按钮状态
  for(int i=0; i<scanPin_len; i++) {
    for(int j=0; j<btn_len; j++) {
      btn[i][j] = 0;
    }
  }

  for(int j=0; j<btn_len; j++) {
    btnTmp[j] = 0;
  }
}

void loop() {
  // 轮询设置scanPin
  for(int i=0; i<scanPin_len; i++) {
    if(i == scanPos) {
      digitalWrite(scanPin[i], HIGH);
    } else {
      digitalWrite(scanPin[i], LOW);
    }
  }

  delay(5);

  // 读取按键信息
  readBtn();

  // 处理状态有改变的btn
  for(int i=0; i<btn_len; i++) {
    if(btn[scanPos][i] != btnTmp[i]) {
      btn[scanPos][i] = btnTmp[i];

      if(btnTmp[i] == 1) {
        Keyboard.press(keyMap[scanPos][i]);
      } else {
        Keyboard.release(keyMap[scanPos][i]);
      }
    }
  }
 scanPos = (scanPos + 1) % scanPin_len; // 下一个
}

void readBtn() {
  // 先读模拟口，再读数字口
  // 5 -> 0
  int index = 0;
  for(int i = 0; i < btnPinA_len; i ++) {
    int val = analogRead(btnPinA[i]);
    if(val > 600) {
      btnTmp[index] = 1;
    } else {
      btnTmp[index] = 0;
    }
    index ++;
  }

  for(int i = 0; i < btnPinD_len; i ++) {
    btnTmp[index] = digitalRead(btnPinD[i]);
    index ++;
  }
}