基于传感器的新型非接触式键盘

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一、摘要
        现有的机械敲击式键盘在人们生活中逐渐出现的不良影响慢慢的凸显，对于新型非接触式键盘，可以提高人们的生活质量有一定的作用。对于此键盘的开发具有一定的价值。
         
        本设计用Microchip公司生产的高性能MIPS核MCU--PIC32MX460F512L开发板Cerebot 32MX4 Board作为主控板，并采用的是廉价的、用途广等诸多优点的LED作为此设计的核心部件之一。LED作为感应器件的同时又可以作为发光源，美观、大方等实用性和商业性的诸多优点。故设计此项目。
         
        二 传感器的选取
        2.1关于几种传感器的选择
        ①光敏二极管
        有价格低，准确性高等特点。但在夜晚，不具备识别的功能。
         
        该传感器价格便宜，且对周围光亮度的感应能力强。该感应元件需要在有光的情况下使用。但是在夜间情况下，作为键盘的传感器，无法达成识别的效果。
         
        ③接近式传感器
        该传感器有很好的识别能力，且感应的距离较远。但其价格相对贵，成本上相对高。
         
        ④红外收发一体传感器
        该传感器元件收发一体方便。但对于发光二极管来相对来说会贵些，且功耗也较发光二极管略高些
         
        ⑤发光二极管（LED）
        该器件能够对光进行一定的感应，该器件能有一定距离内进行识别能力，可以应用在键盘上。且能有发光效果，能在黑暗中进行一定的照明。
         
        2.2关于发光二极管的选取
        为了较好的达到预期效果，选取发光二极管当传感器使用。最好选取红色的，LED能感光，但距离近。根据光能量特性和反射性质。红外光线能量传递最好，则在可见光波段，则红色LED为首选。
         
        对于发光二极管的管子选取。亮度的选取，尽量选取亮度较高的，有利于识别和照明。还有发射的均匀性，尽量选择发射集中的，不是过于发散的红色发光二极管。
         
        > 对于“白发红”
         

       

         

        适合选用这种“白发红”的发光二极管做传感器
         
        对于“红发红
         

       

         

        初步测试，不适合选取这类“红发红”发光二极管做为传感器
         
        ⒊发光二极管的特点
        灯具功耗低、光效高 ,比日光灯节约电量约70%一80%；
         
        寿命长：在正常使用的情况下 ,寿命超过5000小时 , 理想状态下甚至可达10万小时以上,相当于连续点亮 年 ,并且性能稳定 , 5万小时光衰仅为30%；环保：不含汞等有害物质、可回收再利用, 无红外和紫外线辐射（因此可避免招惹蚊虫)；
         

        人眼舒适度高:由于为恒流驱动 ,因此不存在闪频问题 ,能很好地保护眼睛;外形尺寸灵活,单个,尺寸小巧 ,可随意组合形成发光模块 。

         

        发光二极管的制造设计的不同也有其不同的发散角。如：

         

       

        （发光二极管的发散角的类型。最好是能选取发散角较小的，有利于提高判别的准确性。）
         
        三、总体设计
        3.1发光二极管的模式
        白天模式（日照光情况）
         

       

         

        当有手进行近距离悬空遮挡时，发光二极管状态经行改变，进行高阻态经行读取

         

       

         

        当手离开一定的感应距离是，发光二极管又恢复到原来的状态
         

        夜间模式

        在夜间无光源的时候，发光二极管转换成发光状态成为光源。一则可以用来眼睛亮提供光线，用于照明使用；二则对于LED经行提供照明，能经行按键的判别。
         

       

         
        当光源足够的情况下，没有遮挡是正常使用状态，当有手进行一定距离的遮挡时即判为非常态，发光二极管状态发生  
         

       

         
        当手离开遮挡的距离时，发光二极管又恢复到原来的状态。
         
        具体的工作原理

       

         
        两个相同的led近距离的摆放在一个光纤封闭的房间里，作为光伏转换的参照性特征。选择电阻和电源构建一个典型的Led发光电路。
         
        3.2发光二极管的光强度测试理论（暂未完成实现）
         

       

         

        LED电路应保证阳极能有效接+5V(1发光模式)和被拉地(2反向偏执，3读值状态)。
         

        LED电路应保证阴极能处于GND（1发光模式），+5V（2方向偏执，LED充电（要能  提供电流的驱动能力）），IO输入（3读值状态）。

         

        状态1 正向导通LED发光。
         
        状态2 LED方向通电，电路对LED内部电容充电。充电后LED能保持+5V一段时间
         
        状态3 正极地，阴极接端口高阻状态。则LED内部电容和光电流源形成一个放电回路。当LED接受光照越强，放电越快。则越快回复到低电压，我们则检测LED充电后通过放电，led阴极电压从+5v到低电压（地）的放电时间来计算光照强度。
         

       

         

        3.3键盘的编码

        非编码键盘的结构要简单许多，省略了复杂的编码电路和蜘蛛网似的走线，而且更重要的是，由于非编码式键盘将按键结构和输出键码分离，所以当需要制造不同键位排列的键盘时，不需要重新设计键盘线路，而只要将控制电路中的键位排列表格重新刷新就可以了。

         

        但是非编码式键盘带来的就是“键位冲突”的问题。以上面的按键排列表为例，当按下一个按键时，键盘肯定会正常识别的；当按下两个按键时，例如同时按下 “Q”与“D”，此时上层导线1与下层导线2连通，而上层导线3与下层导线3连通，系统完全可以正常识别；或者同时按下“Q”与“E”，此时，上层导线 1、下层导线2、上层导线3同时连通，系统同样可以正常识别出是按下了这三个按键。

         

        由于非编码键盘的固有结构，“键位冲突”是不可避免的。

         

        传统的键盘，是编码式键盘，它的每个键按下时都会产生唯一的按键编码，并且通过专有的一组导线传输到键盘接口电路，由于其线路和编码的唯一性，这种键盘是不存在键位冲突的问题的。

         

        并且根据现在对此项目的键盘硬件设计，适合使用选择编码式键盘。

         

        3.4总体设计计划

        3.4.1硬件

        NPN的基极至高时，管子导通LED的阳极处于高电平，再将LED阴极置低电平，LED管即可处于发光状态。

         

         

        NPN的基极置低时，管子处于读取状态，当有一定亮度时，PIC32主控板的管教TRISx置1.管脚高阻读取，获得低电平。

         

        3.4.2软件

       

         

        总体设计