基于STM32的激光虚拟键盘的硬件设计

于家泉刘俊杰

（大连民族大学辽宁大连116600）

摘要：随着科技的进步，人们对电影银幕上曾经出现过的各种高新科技产品的追求越来越强烈，虚拟化、全息技术和云计算作为未来科技的标向，目前已炙手可热。大到国家工业军事设备，小到身边随处可见的办公生活用品，无一不在向这个方向发展，我们的课题——激光投影键盘便是顺从了这样的一个发展方向。

关键词：红外光；图像信号定位编码；单片机

虚拟激光投影键盘，简称激光键盘，是虚拟键盘的一种。它是利用激光将键盘投影在一个平面，以达到在随机环境中使用的功能。该虚拟键盘设备需要满足:高亮度,可在正常室内照明环境下,显示出清晰的键盘图像;高稳定性和安全性,可长时间稳定运行,不对人体造成伤害;满足低成本,便于推广的要求,从而替代传统的机械式键盘。

1硬件系统总体方案设计

系统的硬件接口图如图3-1所示。主要电路包括：主控电路、OV7670摄像头电路、电源电路、显示电路、串口通讯电路、指示灯电路。

2主控芯片的介绍

STM32F103RBT6单片机主要特点：程序储存器内存至少64K，足够本设计程序的存储；工作电压3.3V，同时摄像头和TFT彩屏工作电压都是3.3V，可以在同一电压下工作；晶振范围从4到16MHZ，通过PLL产生CPU时钟，主频可以达到72MHZ，速度快；具有两个18M位/秒SPI；3个USRT可供调试使用；JTAG接口和串行单线调试提供在线下载和调试，为软件调试提供了很大的方便和节约时间；丰富的的I/O口，为彩屏、摄像头提供了接口资源等等；图3-2为STM32微控制器的电路设计。一端接复位引脚另一端接3.3V的R3上拉电阻，起限流作用，单片机采用按键复位的方法，高电平复位，当按键按下时，单片机复位被拉为高电平，从而实现单片机复位，在S1按键没按下的时候，复位引脚为高电平，当S1按键按下时，复位引脚变为低电平，按键松开时，复位引脚再变为高电平，这个过程复位引脚由高变低再变高，这就实现了硬件复位；C5电容除了过滤一些杂波防止乱复位，还可以在单片机刚刚上电的时候，电容的充放电过程，电平由低变高，从而实现了上电复位。

3OV7670摄像头电路

OV7670带FIFO模块，是针对慢速的MCU能够实现图像采集控制推出的带有缓冲存储空间的一种模块。带FIFO的摄像头比不带的多了个3M的缓存,可将采集的数据暂存在这个缓存中,使用时读取缓存中的图像数据即可,因此可减少对单片机采集图像数据时对MCU速度的要求。

接下来说明一下摄像头和单片机接口，

GDN-----接地点

SIO_C---SCCB接口的控制时钟

SIO_D---SCCB接口的串行数据输入（出）端

VSYNC---帧同步信号（输出信号）

HREF----行同步信号（输出信号）

PCLK----像素时钟（输出信号）

XCLCK---时钟信号（输入信号）

D0-D7---数据端口（输出信号）

RESTE---复位端口（正常使用拉高）

PWDN----功耗选择模式（正常使用拉低）

STROBE—拍照闪光控制端口（正常使用可以不需要）

FIFO_RCK---FIFO内存读取时钟控制端

FIFO_WR_CTR----FIFO写控制端(1为允许CMOS写入到FIFO，0为禁止)

FIFO_OE----FIFO关断控制

FIFO_WRST—FIFO写指针服务端

FIFO_RRST—FIFO读指针复位端

由于采用了FIFO做为数据缓冲，数据采集大大简便，用户只需要关心是如何读取即可，不需要关心具体数据是如何采集到的，这样可减小甚至不用关心CMOS的控制以及时序关系，就能够实现图像的采集。这里我们采用的是单片机直接采集图像的方法，只需要按照时序图控制相关的几个控制引脚即可，可以很方便的使用在单片机上，另外一个好处是，可以直接IO口读取数据，读出的数据可以直接送屏，也可以经过MCU简单处理；当然也可以不经过MCU，直接送到屏等外围器件使用。

4稳压电路

由于STM32、摄像头以及TFT彩屏采用的是3.3V的供电方式，所以我们选用了AMS1117稳压芯片。AMS1117是一个低漏失电压调整器，它的稳压调整器是由一个PNP驱动的NPN管组成的。片内过热切断电路提供了过载和过热保护，以防环境温度造成过高的结温，其中过流保护和过热保护模块，能够在应用电路的环境温度大于120℃以上或负载电流大于900Ma时，保证芯片和系统的安全。这里我们采用的是AMS1117的固定版本，输出电压是3.3V。

其中1脚是输入5V电压，2脚是输出的3.3V电压，3脚是接地端。C1是旁路电容，目的是把输入信号中的高频噪声作为滤除对象，把前级携带的高频杂波滤除。C2、C3的作用是滤除干扰提供纯净的3.3V电压，发光二极管是判断有没有电压输出。

5蓝牙模块

HC-05嵌入式蓝牙串口通讯模块（以下简称模块）具有两种工作模式：命令响应工作模式和自动连接工作模式，在自动连接工作模式下模块又可分为主（Master）、从（Slave）和回环（Loopback）三种工作角色。当模块处于自动连接工作模式时，将自动根据事先设定的方式连接的数据传输；当模块处于命令响应工作模式时能执行下述所有AT命令，用户可向模块发送各种AT指令，为模块设定控制参数或发布控制命令。通过控制模块外部引脚（PIO11）输入电平，可以实现模块工作状态的动态转换。

结论

新型实用激光投影键盘工作稳定、输入准确、并可以在多种环境下良好工作。与传统键盘和其他激光投影键盘相比均有一定的优越性。

参考文献：

[1]刘火良杨森，STM32库开发实战指南[M]机械工业出版社，2016

[2]王久鹏漆晶王小平.激光投影虚拟键盘的研究与设计[J].电视技术，2016，04

[3]王芳基于微型投影及视觉感知的虚拟键盘技术研究[D]杭州电子科技大学，2015