基于STM32的激光虚拟键盘的硬件设计

激光投影虚拟键盘的基本原理设计发表时间：2018-11-19T10:59:35.373Z 来源：《科技研究》2018年9期作者：于家泉刘俊杰[导读] 本文主要对激光投影虚拟键盘的基本原理、设计方法及测试过程进行了研究大连民族大学辽宁大连 116600摘要：本文主要对激光投影虚拟键盘的基本原理、设计方法及测试过程进行了研究，在功能模块上可分成可视化的虚拟键盘呈现、键盘输入信号的采集、图像信号定位编码及通信接口四部分，实际分硬件和软件两部分展开工作。

关键词：红外光；图像信号定位编码；STM32F103RBT一、激光投影键盘工作原理及制作步骤 1工作原理本设计采用小功率红色激光发生器作为投射光源，并以自主设计制作的键盘字模，覆盖于激光光源表面，激光透过字模将键盘图形投射到表面上，从而实现虚拟键盘的呈现工作。

单片机对信号的采集拟采用摄像头和一字红外光源实现。

主要做法是将一字红外光源置于投影装置底部，发射出的一字红外信号用于检测是否有手指按下。

若有手指按下时，红外线就会以一定角度被反射。

而摄像头则安置于一字红外光源上方，用于接收被反射的红外信号。

手指按下的时候，将一字线激光器发射出来的红外线反射到摄像头里面，摄像头的图像通过液晶显示屏显示出来。

摄像头加上了红外滤光片的，只有红外线可以进入摄像头里面，避免了可见光的干扰存在，更好的获取到手指的反射光斑，也就是手指反射的红外光斑，将可见光（包括键盘投射的图案）过滤掉了，所以可见光是看不到的，最后得到光斑，再进行二值化+阈值调节。

2激光键盘投影单片机对信号的采集拟采用摄像头和一字红外光源实现。

主要做法是将一字红外光源置于投影装置底部，发射出的一字红外信号用于检测是否有手指按下。

若有手指按下时，红外线就会以一定角度被反射[5]。

其中键盘图案投射器将在桌面等平面上投影出人能看到的虚拟的键盘图案，当使用者用手指接触投射出的虚拟键盘图案中的“按键”时，手指将进入贴近桌面的线形激光发射器的照射范围，此时手指将被该激光器照射，产生反射光，而摄像头则安置于一字红外光源上方，用于接收被反射的红外信号。

基于STM32控制的智能键盘摘要：本设计选择STM32为核心控制元件，设计了用4个IO 口实现4*4矩阵键盘，使用C 语言进行编程。

矩阵式键盘提高效率进行按键操作管理有效方法，它可以提高系统准确性，有利于资源的节约，降低对操作者本身素质的要求。

关键词：STM32 矩阵键盘 ARM 显示电路1 引言随着21世纪的到来，以前的单个端口连接的按键已经不能满足人们在大型或公共场合的需求。

电子信息行业将是人类社会的高科技行业之一，4*4矩阵键盘设计师当今社会中使用的最广的技术之一。

4*4矩阵式键盘采用STM32为核心，主要由矩阵式键盘电路、显示电路等组成，软件选用C 语言编程。

STM32将检测到的按键信号转换成数字量，显示于数码管上。

该系统灵活性强，易于操作，可靠性高，将会有更广阔的开发前景。

2 总体设计方案该智能键盘电路由ARM 最小系统，矩阵键盘电路和显示电路组成，在常规的4*4矩阵键盘的基础上，通过改进实现了用4个IO 口完成4*4矩阵键盘。

2.1 总体设计框图本电路主要由3大部分电路组成：矩阵键盘电路、ARM 最小系统电路、按键显示电路。

其中ATM 最小系统主要由复位电路和时钟电路组成。

电路复位后数码管显示字符“—” 表示没有按键，显示电路由STM32的PD0—PD7来控制数码管显示是哪个按键按下。

总体设计方框图，如图1所示。

图1总体设计方框图STM32矩阵键盘电路时钟电路复位电路按键显示电路3 智能键盘设计原理分析3.1 STM32复位和时钟电路设计此电路主要是复位电路和时钟电路两部分，其中复位电路采用按键手动复位和上电自动复位组合，电路如图2（右）所示：其中14脚为STM32的复位端。

时钟电路如图2（左）所示：晶振采用的是8MHz和32.786KHz，8MKz分别接STM32的12脚和13脚，32.786KHz分别接STM32的8脚和9脚。

图２STM复位和时钟电路设计3.2 矩阵键盘电路的设计该电路的四个端子分别接STM32的PB12—PB15，电路如图3所示。

成绩课程论文题目：基于STM32控制的矩阵键盘的仿真设计课程名称： ARM 嵌入式系统学生姓名：张宇学生学号： 1314030140 系别：电子工程学院专业：通信工程年级： 2013级指导教师：权循忠电子工程学院制2015年10月目录1摘要 (1)2关键字 (1)3引言 (1)4 STM32控制的矩阵键盘系统方案计制定 (1)4.1 系统总体设计方案 (1)4.2总体设计框图 (1)4.3矩阵键盘简介 (2)5 矩阵键盘设计原理分析 (2)5.1 STM32复位和时钟电路设计 (2)5.2 矩阵键盘电路的设计 (2)5.3按键去抖动 (3)5.4 按键显示电路 (3)6程序流程图 (4)7 总体电路图 (5)8 软件仿真 (5)9 总结 (6)10 参考文献： (6)11 附录 (7)基于STM32控制的矩阵键盘的仿真设计学生：张宇指导老师：权循忠电子工程学院通信工程1摘要矩阵键盘又称行列键盘，它是用四条I/O线作为行线，四条I/O线作为列线组成的键盘。

在行线和列线的每个交叉点上设置一个按键。

这样键盘上按键的个数就为4*4个。

这种行列式键盘结构能有效地提高ARM嵌入式系统中I/O口的利用率。

2关键字矩阵键盘行列键盘 ARM嵌入式系统3引言随着人们生活水平的不断提升，ARM嵌入式无疑是人们追求的目标之一，它给人带来的方便也是不可否认的，要为现代人工作、科研、生活、提供更好更方便的设备就需要从ARM嵌入式技术入手，一切向若数字化控制，智能化控制方向发展。

用ARM嵌入式来控制的数码管显示按键也在广泛应用，其控制系统具有极大意义。

展望未来，急速的响应速度将成为个性的ARM嵌入式发展的趋势，越来越多的ARM嵌入式正如雨后春笋般涌现。

4 STM32控制的矩阵键盘系统方案计制定4.1 系统总体设计方案该智能键盘电路由ARM最小系统，矩阵键盘电路和显示电路组成，在常规的4*4矩阵键盘的基础上，通过改进实现了用4个IO口完成4*4矩阵键盘。

基于STM32的激光投射虚拟键盘设计作者：朱春华胡军委邓淼磊来源：《无线互联科技》2019年第02期摘要：针对虚拟键盘设计中位置的误判导致识别精度低的问题，文章研究了虚拟键盘设计中的空间坐标采集技术，并提出采用手指反射的红外光来确定虚拟键盘的空间坐标。

以STM32作为主处理器，其拥有的I/O口数量以及具备的高速工作频率，可以很好地支持摄像头对图像的采集和处理；使用激光进行键盘图案的投影，方法简单，不需要对其进行额外的程序操作；使用红外光进行按键的检测，相比采用空间坐标模块方案和双摄像头方案，更加简单、节约成本；使用摄像头进行图像的采集，将摄像头采集到的数据进行图像分析，从而实现其对手指的准确定位。

采用本文所提出的虚拟键盘设计方法，可以实现可靠的文字编辑等操作。

关键词：虚拟键盘；激光投射；图像处理；摄像头；STM32虚拟键盘的出现促进了电脑的智能化、小型化发展[1]，近年来，人们不断地提出新的方法来解决虚拟键盘的设计问题，影响虚拟键盘位置的判断以及识别精度的关键在于空间坐标的采集技术及相应的圖像处理技术。

综述现有的文献，虚拟键盘的设计可分为两种实现方法：（1）由特定用途集成电路芯片一起来构成一个键盘扫描系统，利用集成电路芯片所有自有的扫描键盘接口和可编程的逻辑器件来实现半虚拟键盘输入，达到其对计算机的控制。

这种虚拟键盘的实现方法有点类似于将键盘的材质特殊化，通过缩小传统键盘的体积来实现半虚拟键盘，这种方法较为复杂，并且仍然占据一定的体积，不便于人们的使用。

（2）通过模块产生键盘图案，然后使用三维空间坐标定位模块，来检测对手指是否按下键盘图案。

这种方法基本上能够实现虚拟键盘的功能，但三维空间坐标定位模块价格较昂贵，成本太高，不能被人们所接受。

本文针对现在市场上对于虚拟键盘的迫切需求，设计了一套基于单片机的激光投影虚拟键盘方案，并搭建了对应的实物，经过测试，能够实现虚拟键盘的基本要求和功能，并降低了虚拟键盘的成本以及开发难度，提高了可靠性和实用性。

第2期2019年1月No.2January，2019虚拟键盘的出现促进了电脑的智能化、小型化发展[1]，近年来，人们不断地提出新的方法来解决虚拟键盘的设计问题，影响虚拟键盘位置的判断以及识别精度的关键在于空间坐标的采集技术及相应的图像处理技术。

综述现有的文献，虚拟键盘的设计可分为两种实现方法：（1）由特定用途集成电路芯片一起来构成一个键盘扫描系统，利用集成电路芯片所有自有的扫描键盘接口和可编程的逻辑器件来实现半虚拟键盘输入，达到其对计算机的控制。

这种虚拟键盘的实现方法有点类似于将键盘的材质特殊化，通过缩小传统键盘的体积来实现半虚拟键盘，这种方法较为复杂，并且仍然占据一定的体积，不便于人们的使用。

（2）通过模块产生键盘图案，然后使用三维空间坐标定位模块，来检测对手指是否按下键盘图案。

这种方法基本上能够实现虚拟键盘的功能，但三维空间坐标定位模块价格较昂贵，成本太高，不能被人们所接受。

本文针对现在市场上对于虚拟键盘的迫切需求，设计了一套基于单片机的激光投影虚拟键盘方案，并搭建了对应的实物，经过测试，能够实现虚拟键盘的基本要求和功能，并降低了虚拟键盘的成本以及开发难度，提高了可靠性和实用性。

1 系统硬件的设计1.1 系统总体设计本文提出的虚拟键盘总体设计一共由5个部分组成，分别是STM32F103ZET6主控制器、OV7670摄像头模块、激光键盘显示模块、一字线性红外光发射模块和2.8寸TFT LCD 模块。

其系统设计的结构如图1所示。

图1中，选用STM32F103ZET6单片机作为主控制器，以求其能够达到满足模块需求的I/O 数量口和满足摄像头进行图像处理的高速工作频率，使其能够支持对摄像头的连接和图像的处理；选用OV7670摄像头模块作为键盘图案的采集，因为其具备红外光采集的能力和具有一定的视野范围，能够采集到键盘图像；选用激光键盘显示模块来显示键盘图案，是利用了激光具有相干性好、亮度高、传播距离远的特点[2]，即使在外界环境光强较大时，也能显示出人眼可识别图形；选用一字线性红外光发射模块来作为手指触发按键的检测模块，它能够排除可见光以及激光的影响，做到更精准定位手指的位置；选择2.8寸TFT LCD 模块作为显示模块，显示模块不仅可以显示摄像头采集到的原图案，还能够显示经过STM32处理后的二值化图案，调试结束后，还可以使用显示模块显示手指按下的按键信息。

STM32开发板按键控制实验实验说明2STM32开发板按键控制实验实验说明通过按键控制LED灯的开关实验环境硬件：STM32F407-PZ6808L开发板STM32仿真器软件：Winddows764位操作系统内存8GBKeil5安装后需要添加32F4xx_DFP.2.7.0.packStm32CubeMx 安装后将STM32Cube_FW_F4_V1.13.0文件夹复制到C:\Users\Administrator\STM32Cube\Repository文件夹中。

文档：STM32F407-PZ6808L开发板原理图.pdf实验现象按开发板上的K_RIGHT键D2灯亮，按K_DOWN键D2灯灭。

实验步骤1.打开STM32F407-PZ6808L开发板原理图找到LED灯模块D2链接引脚LED2LED2低电平灯亮高电平灯灭找到LED2在STM32F407ZGT6核心板的链接引脚在PDF阅读器上搜索找到LED2引脚引脚为PF10查找按键K_RIGHT和K_DOWN在核心板上的引脚先查找按键模块分别对应K1和K2然后在核心板上查找K1和K2的引脚名称名称是PE2和PE3分析：按下K1则D2灯亮，按下K2则D2灯灭。

K1和K2按下后，引脚是低电平。

判断PE2和PE3引脚的信号来确定K1和K2是否按下，若为低电平，在为按下，若为高电平，则为放开。

PE2和PE2引脚为输入类型。

PF10引脚为输出类型2.打开STM32CubeMX建立工程（1）设置类型STM32F407ZGTxLQFP144（2）设置引脚类型Peripherals-SYS-Debug设置为SerialWire(仿真使用)注意：一定设置，否则以后不能使用仿真器。

找到PF10，由于是控制LED灯，设置为输出类型（GPIO_Output），同理，设置PE2和PE3类型，为GPIO_Input（3）对PE2和PE3mode进行设置依次选择【Configuration】GPIO 将GPIOPull-up/Pull-down设置为Pull-up（4）设置工程ProjectSettings-ProjectName设置为KEYToolchain/IDE设置为MDK-ARMV5通过向导，自动生成初始化代码，然后通过Keil5打开工程3.先编译工程在main.c中添加代码uint8_tCheck_Key(){if(HAL_GPIO_ReadPin(GPIOE,GPIO_PIN_2)==GPIO_PIN_RESET||HA L_GPIO_ReadPin(GPIOE,GPIO_PIN_3)==GPIO_PIN_RESET){HAL_Delay(10);if(HAL_GPIO_ReadPin(GPIOE,GPIO_PIN_2)==GPIO_PIN_RESET){return1;}if(HAL_GPIO_ReadPin(GPIOE,GPIO_PIN_3)==GPIO_PIN_RESET){return2;}}return 0;}在main函数中uint8_tkey;key=Check_Key();switch(key){case1:HAL_GPIO_WritePin(GPIOF,GPIO_PIN_10,GPIO_PIN_RESET);break;case2:HAL_GPIO_ WritePin(GPIOF,GPIO_PIN_10,GPIO_PIN_SET);break;}编译4.链接仿真器仿真调试然后按开发板上的复位键，测试。

虚拟镭射键盘的设计与制作作者：王帅刘莉刘世捷彭翔王茂金曾亚琛来源：《企业科技与发展》2020年第03期【摘要】本款虚拟镭射键盘分为硬件和软件两个部分。

硬件部分主要为650 nm激光投射键盘、850 nm激光一字线发射器、150°广角摄像头、STM32模块、TFT彩屏等。

软件部分使用C语言编写程序，编译器使用keil4。

激光投射器投射出键盘图样，一字线激光发射器发射出覆盖键盘图样的线型结构光。

当手指点击平面上投影的键盘图案时，手指遮挡住了一字线激光发射器发射出的线型结构光，指尖会有反射光斑的产生。

摄像头拍摄到反射光斑，传输到STM32模块进行数字图像处理，TTF彩屏上显示出经图像处理后形成的二值图。

将由图像中所获得的光斑坐标与事先存储在STM32模块内的投影键盘图案各字符坐标做比对，比对完成后传输到PC端，在PC端完成字符输入和显示。

【关键词】C语言;数字图像处理;虚拟键盘【中图分类号】TP273 【文献标识码】A 【文章编号】1674-0688（2020）03-0076-021 概述随着电脑、手机、平板电脑等智能设备朝着体积小、可穿戴、功能集成度高的方向不断发展，键盘、鼠标等输入设备也随之改变。

对于键盘而言，人们需要一款便于携带且不受智能设备体积限制的键盘。

早在20世纪60年代，IBM公司就开始对虚拟键盘进行研究，不需要实质键盘，通过手套内部的传感器识别手指动作[1]。

国内汪忠德于2002年提出了红外虚拟键盘的构想[2]，其主要思路是先将键盘图像投影到平坦平面上，通过红外光源发射的红外线定位手指指尖按键位置，红外摄像仪采集数据从而实现键盘输入功能。

2004年，石艳玲设计出的虚拟键盘元器件集成度高[3]，采取的方案是利用摄像头和红外光源结合获取位置信息，对图像的编码方法采用霍夫曼编码。

但因设计复杂，所以最终仅实现了其中的部分功能。

此后蔡睿研提出了一种准确度较高的设计方案，其利用红外激光辅助定位，当手指点击键盘坐标时，经过摄像头图像采集及上位机数字图像处理完成指尖坐标的获取及字符输入[4]。

stmf407 案例基于STM32F407的虚拟键盘案例一、前言STM32F407是一款功能强大的微控制器，其强大的处理能力和丰富的外设接口使得它成为许多项目的理想选择。

在此，我们将展示如何使用STM32F407和寸电容屏实现一个虚拟键盘。

这个虚拟键盘可以控制数字的输入、删除，并可以通过点击OK将当前数据通过串口发送到上位机。

同时，上位机也可以发送数据到屏幕上显示。

二、硬件配置我们使用的是正点原子STM32F407探索者开发板，配合一块寸电容屏（分辨率为480x800）。

三、实现功能1. 虚拟键盘的数字输入与删除：用户可以在虚拟键盘上输入数字，并通过特定的按键进行删除操作。

2. 数据交互：当用户完成输入后，点击OK按钮，系统会将当前的数据通过串口发送到上位机。

同时，上位机也可以发送数据到屏幕上显示。

四、案例细节由于篇幅限制，我们无法在此详细展示整个项目的源代码。

但我们会提供一些关键部分的代码示例和思路，以帮助你理解整个项目的实现过程。

1. 初始化硬件：首先，我们需要初始化STM32F407的开发板和寸电容屏。

这包括设置开发板的时钟、初始化串口通信等。

2. 创建虚拟键盘：利用STM32F407的绘图功能，在电容屏上创建虚拟键盘的界面。

这包括数字、字母、符号等按键的设计和布局。

3. 检测用户输入：通过检测电容屏上的触摸事件，判断用户的点击位置，从而确定用户输入了哪个字符。

4. 数据处理与发送：当用户输入完成后，系统会将这些数据进行处理，并通过串口发送到上位机。

同时，上位机发送的数据也会被接收并显示在屏幕上。

5. 安全与稳定性：在整个过程中，我们需要考虑系统的安全性和稳定性。

例如，为了避免误操作，我们可以设置一个短暂的输入延迟；为了确保数据的准确性，我们可以对数据进行校验等。

五、总结通过这个案例，我们可以看到STM32F407的强大功能和广泛的应用场景。

无论是基础的数字输入，还是复杂的图形界面设计，STM32F407都能提供强大的支持。