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接触感应型自然人机交互键盘设计报告

1、技术背景

自然人机交互技术它将使人与计算机的交互变得越来越像人与人之间的互动，较为合理的看法是“自然人机交互是利用人的日常技能进行的”，强调无需特别训练或不需要训练。一个操作系统的人机交互功能是决定计算机系统“友好性”的一个重要因素，这些人机交互可称为智能化的人机交互。

在此我们提出一种新型的人机交互方式，称为接触感应型自然人机交互，基于此理论开发出的自然人机交互键盘可以把连接到的一切导体都变成计算机的触摸板或是按键，可以让你家的楼梯变成钢琴，让香蕉变成键盘，让橡皮泥变成游戏手柄，甚至让你的家人变成音乐合成器。使自然人机交互方式更为人性化，并且充分发挥IAP15F2K61S2的特色功能。

2、系统组成

本系统主要由主控、信息采集，数据发送组成。

示意图

主控部分：选用STC公司的IAP15F2K61S2单片机作为主控因为其具有以下几项优点。

（1）IAP：传统的以单片机为核心的产品，使用ISP（在系统编程）技术在出厂前写好固件，用户一般无法自行升级固件，即使程序只是产生一些轻微故障也无法修复，产品只能报废。本作品使用STC最新款的IAP15F2K61S2主控芯片利用IAP（在应用编程）技术使最终用户自行升级程序成为可能，而且IAP技术的应用前景十分广泛，以本作品来讲属于一款多媒体产品，用户能够自行升级甚至修改程序，赋予了广阔的DIY空间，使产品更加灵活人性化。

（2）BandGap：本作品使用IAP15F2K61S2主控芯片自带的A/D转换接口，因此需要输入外部基准电压。利用新增的A/DC第九通道测量内部参考电压用来计算工作电压VCC，由于内部BandGap参考电压很稳定，不会随芯片的工作电压的改变而变化，所以可以通过测量内部BandGap参考电压，然后通过A/DC的值便可反推出VCC的电压，从而获得更为精准的采样值，使得触摸效果更加灵敏准确。省却了测量基准电压的外围电路，减少了一个I/O口。不仅节约了生产成本，还降低了电路复杂程度。

信息采集：A/D矩阵键盘，本作品最大创新之处在于设计并开发了A/D矩阵键盘。若以人体电压为基础的A/D采样键盘，在每个A/D转换接口上只能连接一个按键，因此严重制约了键盘的易用性与可扩展性。以本作品设计的4*4A/D矩阵键盘为例，使用4个A/D转换接口和四个P0口组成4*4矩阵。按键导通后先扫描按键所在行，然后按规则反转P0口的高电平为低电平确定按键所在列。本算法使用分治法加速了扫描时间，使时间复杂度保持在常数范围内。按键所在行能够快速确定，所在列以四列为例只需要反转三次即可确定，八列为2 ^ n = 8，扫描n + 1次即四次。以IAP15F2K61S2主控芯片为例，利用全部A/D转换接口可扩展为8 * N个按键的矩阵键盘，满足各种使用需求经实验测试，按键确认速度快速、灵敏、准确，达到设计需求。而A/D键盘可以设计成任意形状，可根据需求进行设计。

数据发送：本作品使用基于飞利浦公司生产的PDISUBD12芯片，使交互键盘能够作为一款HID设备，无需安装任何驱动直接连接计算机使用，适应于多种操作系统，也无需安装任何软件，提高了产品易用性与适应性，降低了用户使用门槛。

可扩展功能：可使用2.4GHZ无线射频模块解除有线限制，使用节电模式，提高键盘续航能力，加入三轴陀螺仪，使其具有体感感应功能。

3、电路设计

(1)STC15F2K60S2系列单片机的最小系统板原理图采用STC公司提供的芯片手册进行搭建，图示选自STC官网。

最小系统下载原理图

（2）A/D矩阵键盘在芯片手册上A/D按键扫描上进行了改进从而做出A/D矩阵键盘。

A/D矩阵键盘原理图（本作品创新点）

（3）PDIUSBD12模块原理。

PDIUSBD12原理图

4、实物图

整体实物图

香蕉已经为了我们的作品献身了，每次测试的时候各种插孔。

矩阵键盘实物图

实物测试图1

实物测试图2

用铅笔画的方向键可以用来玩超级玛丽奥等等游戏，进一步扩展可以弹钢琴从而充分发挥A/D矩阵键盘的功能。

附图：AD矩阵键盘原理图

PDIUSBD12原理图

测试图1

为什么不能插入视频啊 啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊