专利名称：虚拟键盘的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及属于电子信息和IT作品领域，具体的说是涉及一种虚拟键盘，以使需要键盘的电子产品免于使用实体键盘。
背景技术：
现如今，随着科技的发展，键盘的形式也愈发多样，体积变得越来越小，越来越便捷，但人仍然受到使用环境的局限。例如，键盘中携带的大量细菌和病毒无法使其良好的应用于医用无菌环境中；很多残障人士在使用传统键盘还是有很多不方便；传统键盘并无法满足现代人个性化的需求。鉴于这些缺点，希望设计出一个个性化的键盘，突破了传统键盘固定模式和传送方式的限制，实现在任意环境下轻松实现键盘功能的目标。当然，如今很多厂商都发明出了虚拟键盘。虚拟键盘的应用场所非常广泛，可广泛应用于残障人士键盘、平板式PC机、笔记本电脑、工业环境、洁净室、无菌和医疗环境、测试设备以及航空铁路等运输设备上。已有业者提出一种投影式的虚拟键盘，例如美国专利 US6650318、公开号为CN1479191A的中国发明专利申请等都有记载这种投影式虚拟键盘。 或者是HRR公司设计的虚拟键盘，他们制造出一种大小与小型移动电话相仿的虚拟键盘， 它通过发光源，将虚拟键盘投影至相邻的界面表面。该模块由经过特殊设计的高效全息光学原件照明产生，元件带有红色二极管激光器。当用户碰触到界面表面上的按键位置时，按键边上的平面就会反射出光线，直接传到传感器模块上。用户与界面表面互动所反射出的光线传至红外线滤光片，并反射至传感器模块内的CMOS影像传感器。传感器芯片(虚拟接口处理核TM)内含定制的硬件，能够实时确定反射光的位置。键盘的形状打到桌面上，通过键盘识别手指触摸的按键。虽然形式很好，但造价不菲，不能满足普通大众的需求。现有的投影虚拟键盘，多数采用LED作为光源以投射出虚拟键盘，这往往需要大量的LED，而且这些LED均密集排列，以达到投影虚拟键盘所需要的光亮度和均勻度。但这样一方面是会增加成本、增加电力消耗；另一方面是过密的排列容易使其产生的热量难以散出，降低使用寿命。
发明内容针对现如今大部分的键盘受到固定形式的约束，并不能满足特殊群体和环境的要求，本实用新型的目的旨在利用AVR单片机、摄像头、红色线激光器和平板设计出一种新型的虚拟键盘，以解决上述问题。为了达到上述目的，本实用新型采用了如下技术方案。它由键盘单元和处理单元组成，其特征在于，所述键盘单元由一个线激光器、CMOS摄像头、印制键盘组成，处理单元由单片机组成，所述的线激光器水平放置在印制键盘的前面，发射出一层激光覆盖整个印制键盘，所述的CMOS摄像头安置在单片机上，单片机具有晶振等处理功能，并通过背面两排串线管脚与单片机相连。所述CMOS摄像头，安置在印制键盘的前上方，其拍摄的范围能够覆盖整个印制键盘，并能获取特征点的坐标，所述的线激光器安置在摄像头的下方。所述印制键盘是一种不可反光的黑色板子，整体呈T型，按键以深蓝色卡片纸制成，粘贴在印制键盘上。所述单片机为AVR单片机安置在开发板上，配以开关、串口和晶振等元件。虚拟键盘由四个主要部分组成线激光器、摄像头、AVR单片机和印制键盘。线激光器，这种激光器可以发射出一条线激光射在墙面上，当把它放在印制键盘上方，射出的激光会在距离键盘几毫米处覆盖整个键盘平面，具体见图1。一般的红黄色线激光都可以，但由于红色更容易分辨，建议使用红色的线激光器。由于键盘的颜色为黑色，发出的激光覆盖键盘上，肉眼分辨不出颜色激光的颜色。然而当手指触碰到印制键盘上时，手指挡住射向墙面的激光，相应的手指就会变红。摄像头安装在键盘的前上方，见图2。摄像头感知手指红色的区域并将区域的坐标转化为一个可供单片机处理的信号。单片机的作用是实现信号的转换与处理功能，可供选择的单片机可以是51单片机，也可以是资源更加丰富的AVR单片机，但要选择处理速度相对高的型号，以提高处理数据的速度与容量。单片机应选择那些处理能力高的型号，如ATmega32以上的处理速度都可以接受。单片机根据收到的信号定位手指的位置并将该手指的坐标以十六进制数的形式发送至计算机，计算机根据该数将此位置转换为对应的字母，从而完成了虚拟键盘的识别过程。在硬件连接上，CMOS摄像头固定在键盘的斜上前方，对准键盘的位置；线激光器安装在摄像头的下面，面向键盘射出一层激光，由电池盒单独提供电源；摄像头和单片机之间通过连线连接，具体可参见图3 ；单片机与计算机之间通过COM 口连接。在器件的选择上，具体的来说，对于摄像头，选用C3038这一款CMOS摄像头，该摄像头提供一个红色检测函数，不停地获取所摄部分的图像数据，一旦发现红色的数值高于设定的数值，就会向单片机报告相应的坐标。摄像头能敏感的感知红色的区域，该红色区域和周围的黑色形成鲜明的对比，摄像头能轻易识别出来。键盘设计成黑色底色并用深蓝色做字体印刷，这样更有利于红色的识别。在上位机的开发使用了 JAVA开发了一个程序，该程序可以将任意一个位置定义成用户需要的任何字母或数字。最后，印制的键盘采用A3大小的板子，印制上黑色的底板和蓝色的按键，也可采用其他深颜色，只要跟红色能够良好的区分开就行。为了标准化，设计了传统的按键模式，并以A3大小的板子作为按键平面。后期根据应用场所的不同，可做个性化的调整。本发明最终完成了设计的要求，并能够正确输出字符或数据。考虑到有限范围的相机和激光视角的原因，需要设计出不同的键盘布局和校准，以确保能以合理的检测精度的所有按钮。通过假想出通用的键盘，并设计出了测试准确度图表，将测量的结果制作出精度图，见图4，该图表中间的测试率高于边沿。并且对于测试，尝试100个主要按键，并设置接受的门槛在70(边沿)和80(中央)。这意味着，如果能够准确地识别某些关键在至少 70或80次才能通过测试。大大提高了精确度。为了提高处理速度，可以同时采用另一个微处理机或者加上一个FPGA进行数据处理。可以加上声音效果，当触碰不同的按键时计算机就会发出不同的提示音，更加方便残疾人的使用。本发明的有益效果在于该虚拟键盘运用单片机、CMOS摄像头、线激光器等元件制作出能个性化定制键盘按键的虚拟键盘，可广泛应用于残障人士键盘、平板式PC机、笔记本电脑、工业环境、洁净室、无菌和医疗环境、测试设备以及航空铁路等运输设备上。
[0017]图1线激光器示意图；[0018]图2整体连接图；[0019]图3摄像头和单片机连线图；[0020]图4键盘测试准确度图表；[0021]图5:0V6630 管脚分配图(Pin Assignment)；[0022]图6:ATmega32 管脚分配图(Pin Assignment)。
具体实施方式
一种虚拟键盘，由键盘单元和处理单元组成，所述键盘单元由一个线激光器3、 CMOS摄像头2、印制键盘4组成，处理单元由单片机1组成，所述的线激光器3水平放置在印制键盘4的前面，发射出一层激光覆盖整个印制键盘4，所述的CMOS摄像头2安置在单片机上，单片机具有晶振等处理功能，并通过背面两排串线管脚与单片机1相连。所述CMOS摄像头2，安置在印制键盘4的前上方，其拍摄的范围能够覆盖整个印制键盘4，并能获取特征点的坐标，所述的线激光器3安置在摄像头2的下方。所述印制键盘4是一种不可反光的黑色板子，整体呈T型，按键以深蓝色卡片纸制成，粘贴在印制键盘4上。所述单片机1为AVR单片机安置在开发板上，配以开关、串口和晶振等元件。1.软件实现软件组成主要分为5个部分(1)利用I2C协议进行单片机与摄像头之间的通信；· O)以6帧/秒的速度读取摄像头得到的数据；· (3)对接受到的图像数据进行处理以得到对应的位置；· (4)将对应的位置转换成十六进制数，然后使用PS/2协议传输至电脑；· (5) Java程序利用串口发送指令至单片机以便其开始下一个识别过程。1. 1主要过程首先，初始ATMega32的PORTA 口来接受来自摄像头的UV输入信号和PORTC 口来和摄像头进行I2C通信，同时将串口的通信速率设定为19，200bps。然后运行摄像头上的阙值函数来在黑色键盘背景上寻找红色的高于阙值的区域。紧接着，调用一个叫做“init_ cam”的函数来对相机进行一个软复位并将摄像头的尺寸设定为176X144，同时打开自动白平衡并将摄像速率设定在6fps以提高摄像质量。同时将输出格式设置在Y/UV的16位模式(γ = GGGG和UV = BRBR)。然后程序调用一个无限循环来检查队列中是否有。如果没有，队列是PS2的更新和传播下去。1. 2图像处理过程调用getRedlndex函数来捕获相机每一行的数据并对他们进行处理。首先等待 VSYNC的信号以表明UV和Y上有新的信号输出。然后，等待新一行的HREF数据因为第一行数据是无效的。在这一点上，我们可以将其定义为一个176像素的拜耳图像模式。由于没有足够的内存来存储数据的整个帧的过程中，在每个垂直线的处理。在每次有效数据的垂直同步(VSYNC)上，HREF停留约0.8ms并且相机数据变得无效，这给了我们充分的时间来处理一行数据。.在每个垂直同步(VSYNC)被抓获时，循环检验每个像素， 以检查是否有超过阈值的红色点被发现。对于每一个达到这个阙值的像素点，又检查了像素是否一个像素的红，这表明了一个按键的是存在于连续线的上。如果发现这样的一个像素，那么，这个像素映射到一个二进制通过扫描数组搜索对应的X，Y值。如果这个值是有效的，便将其转换成十六进制数并发送至PC。1.3I2C通信协议I2C协议是单片机与其它芯片常用的通讯协议，由于只需要两根线，所以很好使用。12C总线的特点(1)只要求两条总线线路一条串行数据线SDA —条串行时钟线SCL ；(2)每个连接到总线的器件都可以通过唯一的地址和一直存在的简单的主机/从机关系软件设定地址；主机可以作为主发送器或主机接收器；(3)它是一个真正的多主机总线，如果两个或更多主机同时初始化数据传输可以通过冲突检测和仲裁防止数据被破坏；(4)串行的8位双向数据传输位速率在标准模式下可达lOOlcbit/s快速模式下可达400kbit/s高速模式下可达4Mbit/s ；(5)片上的滤波器可以滤去总线数据线上的毛刺波保证数据完整。因此选用I2C总线协议来进行单片机和摄像头的通信。该协议使用一个2线通信方案，这是由一个IOK欧姆激活上拉电阻。时钟信号，相机提供了 SCL线，频率由下式给出 16MHz的/(16+2X (TffBR) (4TWPS)).我们决定将最佳的解决方案，以满足最低要求是比特率设置寄存器(TWBR)至72和状态寄存器(TWSR)为0。代码的其余部分是按照由飞利浦定义的标准协议。该相机可写的寄存器写一个起始位，其次是一个目标寄存器地址，然后在目标数据。1. 4摄像头设定将摄像头的分辨率设定为176X 144，因为这是能够检测整个A3尺寸纸张上印刷键盘的最低值。在这个项目中，每秒捕捉6帧彩色图像。该相机输出格式设置为16位捕获 UV/Y数据，其中包括BRBR格式的UV数据和和GGGG格式的Y数据，同时Y数据被完全忽略。1. 5PS/2 键盘输出一般的有六脚mini-DIN连接器的键盘则称之为ps/2键盘。其实连接器中只有四个脚有意义。它们分别是Clock(时钟脚)、DATA(数据脚)、+5V(电源脚)和GroimcK电源地)。在ps/2键盘与pc机的物理连接上只要保证这四根线一一对应就可以了。ps/2键盘靠pc的ps/2端口提供+5V电源，另外两个脚Clock (时钟脚)和DATA (数据脚)都是集电极开路的，所以必须接大阻值的上拉电阻。它们平时保持高电平，有输出时才被拉到低电平，之后自动上浮到高电平。时间设定上决定用250ms时间，等待700ms的时间。当定时器 1中断发射，它在传输时，按下列顺序时钟设置为高起始位(0)，数据位，校验位(所有位异或)的位，停止位O)。如果没有，时钟状态更新。代码的其余部分，只不过是维持一个队列
6中的元素可以在这里举行的字符来传输。队列中有一个get和put方法，更新2数组的指针。1. 6 Java上位机程序使用Java编制了一个上位机程序，该程序使用计算机的串口与计算机进行通信， 并且能够自定义每个按键所代表的值。2.硬件实现2. 1硬件组成硬件主要由四个部分组成①、单片机②、摄像头及相关电路③、线激光器④、印制键盘2. 2硬件选择①、单片机的选择我们之所以选择Atmega32单片机，是因为它具有以下的一些优点。首先，它是高性能、低功耗的8位AVR®微处理器，具有先进的RISC结构，1024字节的ΕΕΡΕ0Μ，相比于 ATmegalB处理速度更高，擦写寿命长达100，000次，能够实现真正同时读写的操作，支持扩展的片内调试功能。这些特点足以满足本项目数据处理的要求。ATmega32工作于5V电压上，速度等级为0-16MHZ。连线管脚图见图5。当然，试验后我们发现，ATmega32的处理速度并不如当初想象的好，我们推测处理能力更高的芯片将会获得更好的结果。晶振的选择上，选择16.000晶振为单片机提供振荡；单片机通过USB接口由计算机为其提供电力；数据传输由COM进行，管脚接口见图6.②、摄像头的选择选择0V6630CM0S Image sensors作为我们的摄像机采集器，它和同类型的 0V6130C0MS Image Sensors相似，都能提供一个352 X 288的图像数组，并以每秒60帧的速度获取数据。因为我们意识到0V6630并不能有效地发现红外线，所以采用637nm的红色线激光器作为替代。它能持续的获取图像区域的数据，当特定区域的红色数值高于设定的特殊之后，单片机就能确定其位置，从而确定按键。0V6630工作于3. 3V的电压下，并通过I2C 协议进行通讯。它能提供4-bit，8-bit，或者16-bit的数据图像输出。③、线激光器使用了红色的线激光器来产生一层红色的激光平面。起初我们打算采用发光二极管来实现，但是效果并不理想，使用红色激光管有可能会对人眼产生危害，因此选择了红色的波长为637nm的激光器来尽可能的减少这种危害。激光器只需接在3V的电源上就可工作。由于不知道激光器的扇形角(fan angle)，见图1，所以只能通过试验确定激光器距离键盘的距离，经过反复试验，确定激光器距离键盘最近的边缘40cm的距离就能获得比较理想的效果。④、键盘的制作用户能根据需要自行设计需要的键盘，无论大小、内容、数量上都做到了完全的个性化，但为了初期标准化的测量，我们设计了标准化的键盘以测量按键精度等指标。后期用户可根据个人需要设计键盘内容，可广泛应用于残障人士的使用、医用和无菌环境中、轮船、飞机等运输工具中。2. 3硬件连接我们将单片机和摄像头相连，并通过连接电脑为其提供电源；线激光器则由3V的电池提供电力；单片机通过COM 口与计算机相连，进行数据的传送。
权利要求1.一种虚拟键盘，它由键盘单元和处理单元组成，其特征在于，所述键盘单元由一个线激光器、CMOS摄像头、印制键盘组成，处理单元由单片机组成，所述的线激光器水平放置在印制键盘的前面，发射出一层激光覆盖整个印制键盘，所述的CMOS摄像头安置在单片机上，单片机具有晶振等处理功能，并通过背面两排串线管脚与单片机相连。
2.根据权利要求1所述的虚拟键盘，其特征在于，所述CMOS摄像头，安置在印制键盘的前上方，其拍摄的范围能够覆盖整个印制键盘，并能获取特征点的坐标，所述的线激光器安置在摄像头的下方。
3.根据权利要求1或2所述的虚拟键盘，其特征在于，所述印制键盘是一种不可反光的黑色板子，整体呈T型，按键以深蓝色卡片纸制成，粘贴在印制键盘上。
4.根据权利要求1或2所述的虚拟键盘，其特征在于，所述单片机为AVR单片机安置在开发板上，配以开关、串口和晶振元件。
5.根据权利要求3所述的虚拟键盘，其特征在于，所述单片机为AVR单片机安置在开发板上，配以开关、串口和晶振元件。
专利摘要本实用新型涉及一种虚拟键盘，属于电子信息、IT领域。它由键盘单元和处理单元组成，所述键盘单元由一个线激光器、CMOS摄像头、印制键盘组成，处理单元由单片机组成，所述的线激光器水平放置在印制键盘的前面，发射出一层激光覆盖整个印制键盘，所述的CMOS摄像头安置在单片机上，单片机具有晶振等处理功能，并通过背面两排串线管脚与单片机相连。本实用新型运用单片机、CMOS摄像头、线激光器等元件制作出能个性化定制键盘按键的虚拟键盘，巧妙地结合光学的知识，可广泛应用于残障人士键盘、平板式PC机、笔记本电脑、工业环境、洁净室、无菌和医疗环境、测试设备以及航空铁路等运输设备上。
文档编号G06F3/042GK202018647SQ20112012328
公开日2011年10月26日 申请日期2011年4月25日 优先权日2011年4月25日
发明者郑致远 申请人:郑致远