基于STM32的激光虚拟键盘的硬件设计

基于STM32的激光虚拟键盘的硬件设计

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。

3 OV7670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