基于STM32的多外設客制化鍵盤設計

關鍵詞：STM32F103CBT6；客制化鍵盤；QMK固件；多外設集成

中圖分類號： TP334.2⁺3 文獻標志碼：A 文章編號：1671-0797（2025）16-0038-04

D0l：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2025.16.010

0 引言

隨著人們對鍵盤個性化需求的不斷增長，越來越多的消費者追求能夠體現個人風格的鍵盤產品，即鍵盤客制化。為了滿足這一需求，鍵盤制造商不僅在設計語言和風格上不斷創新，還在鍵盤上集成了更多外設功能以吸引用戶。本文將介紹如何基于支持用戶通過簡易編程實現按鍵映射、宏定義及RGB燈光調控的QMK固件，針對市場需求開發出集成多種外設功能的機械鍵盤。

1 系統總體設計

通過鍵盤布局編輯器選定配列并生成定位板文件，實現項目初步設計。系統以STM32F103CBT6為核心，鍵盤矩陣采用列到行加二極管設計，消除鬼影效應，由RT9193-33GB穩壓器提供電源。外設方面，音量調節功能使用EC11旋鈕編碼器連接定時器接□，顯示動畫通過0.91寸OLED屏幕實現并采用IC接口進行通信，敲擊音效是通過控制引腳高低電平驅動電磁鎖以及利用定時器PWM驅動無源蜂鳴器來實現的。系統基于QMK固件實現軟硬件深度適配，為客制化輸入設備提供可靠且可定制的解決方案。系統總體框架如圖1所示。

圖1系統總體框架

2 配列設計

為實現個性化配列設計，通過KeyboardLayoutEditor（KLE）平臺完成布局編輯[。KLE平臺提供直觀的功能區，用戶通過“AddKey\"按鈕即可輕松添加按鍵，利用“DeleteKeys\"按鈕移除多余按鍵，還能調整按鍵大小與位置。通過圖形化界面，用戶可實時預覽動態修改后的按鍵布局，打造符合自身操作習慣的自定義鍵盤配置（鍵盤配列如圖2所示）。

圖2PAD鍵盤配列布局

3 硬件構成

3.1 STM32控制電路

STM32F103CBT6作為高性能、低功耗的32位ARMCortex-M3微控制器，擁有豐富的外設接口。每個外設接口和I/O引腳均可靈活配置，滿足復雜的應用需求[2]。芯片采用LQFP48封裝，具有48個引腳，適合表面貼裝。因此本方案選定其作為主控芯片，其主控電路及針腳分配如下：時鐘電路方面，該芯片外接8MHz晶振，搭配2個22pF電容組成時鐘振蕩電路，為系統提供基礎時鐘信號；復位電路由按鍵、 100nF 電容、 10kΩ 電阻構成，短按按鍵可實現系統復位。通過RT9193-33GB穩壓芯片將 +5V 電源轉換為 3.3V 為其供電，同時配備濾波電容保障電源質量。芯片電源部分通過VCC3.3供電，利用多個 100nF 的電容進行濾波，有效去除電源噪聲，為芯片提供穩定、純凈的電源（圖3）。

3.2 矩陣按鍵掃描電路

按鍵原理圖中的電路采用矩陣式布局，以減少微控制器引腳的使用數量。每個按鍵連接到相應的行（ROW）和列（COL）引腳，微控制器STM32F103CBT6的引腳分別連接ROW0～ROW4（行信號）和 COL0～ COL4（列信號），構成 5×5 的按鍵矩陣，按鍵的行引腳串聯二極管實現防鬼鍵功能。當按鍵按下時，對應的行和列引腳之間的電平狀態發生變化，微控制器通過掃描這些引腳的電平來判斷按鍵狀態，實現輸入檢測。EC11旋鈕其A、B引腳分別連接微控制器的輸入引腳，C引腳接地。A、B引腳輸出正交信號，通過檢測兩者的相位差可判斷旋鈕的旋轉方向，信號變化次數則對應旋轉步數，實現精確的模擬量輸入或功能切換控制，D、E引腳可作為按鍵信號接入主控引腳，其觸發邏輯與普通按鍵相同（圖4）。

3.3 外設電路

為了實現客制化鍵盤的多功能性，設計中集成了多種外設模塊，包括電磁鎖、蜂鳴器、EC11旋鈕和OLED屏幕。電磁鎖電路由5V供電，通過NPN三極管控制，SIGN-1引腳輸出高低電平控制電磁鎖的開關狀態，并串聯反向二極管（1N4148W）保護電路。蜂鳴器電路由3.3V供電，同樣通過NPN三極管驅動，SIGN-2引腳輸出高低電平控制蜂鳴器的發聲狀態，正極連接22Ω限流電阻。EC11旋轉編碼器的硬件接□設計包含按鍵檢測與方向檢測雙通道。按鍵觸點通過串聯二極管實現防鬼影接入鍵盤矩陣的行線，其觸發邏輯與普通按鍵相同；方向檢測引腳（A/B）連接至STM32定時器的編碼器接口引腳，實現音量調節和菜單導航等功能。基于SSD1306驅動的OLED屏幕通過IC接口與STM32通信，SDA引腳用于數據傳輸，SCL引腳用于同步時鐘信號，通過4P接口連接，用于顯示鍵盤狀態。外設電路如圖5所示。

4 軟件設計

軟件設計選用QMK固件作為核心框架，實現了鍵盤功能與外設模塊的聯動[3]。針對外設硬件（如EC11旋鈕、OLED屏幕及蜂鳴器），通過定時器與IC協議及GPIO中斷開發驅動代碼，完成旋鈕的旋轉方向檢測、屏幕狀態顯示及蜂鳴器和電磁鎖觸發功能。在QMK框架結構里，通過info.json文件定義按鍵矩陣的引腳、布局等硬件參數，同時，在keyboard.c映射按鍵布局、宏、層切換等個性化配置。其中rules.mk文件的作用是開啟或關閉硬件功能，config.h文件用于設置默認的編譯選項，mcuconf.h文件的作用是配置微控制器外設功能，halconf.h文件則負責啟用或禁用硬件抽象層功能，上述這些文件共同定義了鍵盤基本屬性和功能配置。最后使用QMKMSYS編譯并刷入即可，其文件關系流程圖如圖6所示，實物展示如圖7所示。

圖4矩陣按鍵掃描電路

圖6文件關系流程圖

圖7Pad鍵盤實物圖

5 實驗測試與結果

通過按鍵測試對所有物理按鍵進行觸發測試。測試時，按壓任一按鍵后，軟件界面中對應鍵位高亮顯示，如圖8（a）所示，表明信號傳輸正常。連續觸發測試100次，所有按鍵均能穩定響應，無信號抖動或誤觸現象。

系統通電后，OLED屏幕自動加載預設動畫，如圖8（b）所示，內容包含啟動LOGO與狀態欄，動畫播放。通過按壓EC11旋鈕進入Fn功能層，OLED屏幕實時顯示“Fn\"字符標識，如圖8（c）所示。

6 結束語

在當今市場上，鍵盤種類繁多，功能各異，這使得許多消費者在面對眾多選擇時感到猶豫不決，難以挑選出最適合自己的產品。根據本文所述方法，消費者可以充分發揮自己的創意和想法，親自投入到鍵盤的設計過程中，打造出具有個性化特點的鍵盤。通過這種方式，用戶能夠設計出符合個人操作習慣和審美偏好的鍵盤，借助KeyboardLayoutEditor平臺設計個性化配列，并通過QMK固件為這款個性化鍵盤提供豐富的功能支持，它不僅能定義旋鈕、蜂鳴器、電磁閥等功能，還支持屏幕實現更豐富的動態顯示效果，從而實現真正的個性化定制。

[2]勾慧蘭，劉光超.基于STM32的最小系統及串口通信的實現[J].工業控制計算機，2012，25（9）：26-28.

[3]任虎.基于QMK固件的小鍵盤設計[J].無線電，2023（10）：42-47.

[參考文獻]

[1]楊宸暢，王鈺.基于ATmega32U4的新型客制化鍵盤設計[J].機電信息，2023（4）：40-43.