FastBond2阶段2-基于ESP32C3的简易蓝牙小键盘的电路与系统设计

内容介绍

展示部分在真实课堂上录制，有他人说话的噪音确实很正常 : (

页面上方的视频已按要求删除展示部分的背景声。

一键复制、一键粘贴，开学抢课快人一步。

本项目的电路真的很简单，很容易复现。

一、项目与功能应用介绍

一个能够一键复制，一键粘贴的外置宏键盘，在一些文字编辑场合中发挥重要作用，例如编辑实验报告，或网上选课系统抢热门课时高速复制黏贴课程名称。鉴于笔记本电脑USB接口数量有线，我非常需要一个能够实现相关功能的蓝牙CV键盘。

CV小键盘的主控是ESP32-C3-WROOM-02/02U。该键盘有2个机械按键，一个滑动开关，可以实现一键ctrl-c和一键ctrl-v，或一键回车和鼠标连点的功能，带背光灯。此外，还有两个轻触开关用于主控复位和烧录模式配置。笔记本电脑通过蓝牙连接至小键盘，不占用USB接口。小键盘外接5v电源供电。

CV小键盘可以用于智慧家用电器（计算机外设），或者用于电子创意制作教育等领域。

基于蓝牙的无线键盘有不占用USB接口、（理论上）可以在安卓平板电脑上使用，无需额外的OTG数据线，优于传统的有线键盘。ESP32系列处理器在国内外拥有众多开发者，开源资料丰富，是不少新手入门的选择。本项目在完善后，也可以作为电子创意制作的入门内容，以焊接练习或者Arduino实战开发的形式提供给感兴趣的爱好者。

二、规定厂商器件介绍

2.1 乐鑫科技

为了实现无线功能，本项目选择乐鑫科技的ESP32-C3作为主控。ESP32-C3 是一款安全稳定、低功耗、低成本的物联网芯片，搭载 RISC-V 32 位单核处理器，支持 2.4 GHz Wi-Fi 和 Bluetooth 5 (LE)，为物联网产品提供行业领先的射频性能、完善的安全机制和丰富的内存资源。ESP32-C3 对 Wi-Fi 和 Bluetooth 5 (LE) 的双重支持降低了设备配网难度，适用于广泛的物联网应用场景。

ESP32-C3拥有良好的生态环境，支持ESP-IDF和Arduino平台开发。它的例程众多，网站博客资料数不胜数。这些资料为我进行开发工作提供了宝贵的参考。ESP32系列处理器的开发难度不高，容易在短时间内实现产品功能。

本项目为了提高设计的可靠性，围绕ESP32-C3-WROOM-02/02U模组进行开发。它以半孔的形式引出部分芯片引脚，手工焊接的难度低，有助于提高焊接成功率。由于某些不合理的原因（ECCN 5A002A ESP）该模组在digikey上暂时无法购买。

2.2 Texas Instruments

TLV1117LV33DCYR是一款静态电流比传统 1117 稳压器低 500 倍的超低功耗器件，可提供出色的线路与负载瞬态性能，从而可在负载电流要求由不足 1mA 变为超过 500mA 时产生幅值极低的下冲与过冲输出电压。该芯片输入电压范围2~5.5V，输出电压3.3V，输出电流1A时压降455mV。

三、设计思路与方案介绍

3.1 整体思路

确定项目需求，选定处理器种类后，我前往乐鑫官网找到相关芯片模组的手册，并参考原厂手册上的推荐设计以及官方开发板的电路，使用KiCad 7.0展开原理图与PCB设计。嵌入式软件使用Arduino平台开发。

3.2 方案框图

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使用ESP32-C3采集按键信息，将其转化为对应的蓝牙指令，实现所需按键功能。机械开关采用机械键盘轴体，提供极佳的手感和声音反馈（青轴）。

供电暂时采用外接5V的方式供电，经由TLV1117LV33DCYR芯片转换为ESP32-C3所需的3.3V电源。本项目暂未考虑电池供电的方案，理由是ESP32-C3开启蓝牙后的功耗较大，约为80mA（5V供电），目前尚未找到从软件角度降低功耗的手段。CV小键盘推荐使用充电宝供电。

3.3 原理图说明

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CV小键盘通过USB-Micro接口供电和烧录程序。因为USB-Micro接口的焊接难度远低于16-pin USB Type-C接口，可以承受键盘的工作电流，而且器件单价低于充电专用的6-pin USB Type-C接口。两个机械按键（SW3、SW4）、滑动开关（SW5）和复位按键（SW2）全部上拉至3.3V，而且机械按键采用100nF电容硬件滤波。如有必要，除了复位按键外，两个机械按键和滑动开关的上拉电阻可不焊，通过编程配置GPIO引脚上拉。原理图的电路设计可以进一步精简。

另外，使用ESP32-C3-WROOM-02U或ESP32-C3-WROOM-02都可以。使用前者请自备1个I-PEX 1代接口的2.4GHz天线。所有主要元件首先在立创EDA中找到对应封装，然后用插件转换成KiCad的封装导入使用。

四、硬件制作

使用KiCad设计PCB，ESP32-C3模组的PCB天线下方区域不铺铜。导出Gerber文件交由嘉立创打样。随后手工焊接。焊接按照从低到高的顺序焊接，背面的TLV1117芯片使用热风枪焊接。ESP32-C3模组背面的散热焊盘可以不焊，不影响正常使用。机械轴体用胶带固定在PCB后焊接，有助于对准位置。

这是成品正面。图中，左侧的USB接口用于烧录程序，右侧的USB接口仅用于系统供电。MODE开关可以切换以下两个按键功能组合：一键复制/黏贴，和鼠标连点/键盘回车。EN按键用于系统复位，BOOT按键配置系统运行模式（正常/烧录）同视控制背光灯。

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成品背面。预留3.3V和5V供电测试点。可以利用这些测试点，增加外置的锂电池供电模块，提高CV小键盘的便携性。但是，系统功耗（约80mA）较大，外置大容量电池体积和成本较高，在改装供电模块时需要加以考虑。

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五、关键代码及说明

本项目使用Arduino平台的 ESP32 BLE Combo Keyboard Mouse库完成开发工作，在https://github.com/blackketter/ESP32-BLE-Combo手动下载库文件安装。这个库已实现蓝牙HID复合设备的功能。如果只要蓝牙键盘或鼠标的功能，也可以使用其他的Arduino库。

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系统初始化包括初始化串口和蓝牙鼠标、键盘，然后初始化GPIO，最后根据滑动开关的位置，选择两个机械按键的宏定义组合（MODE_A或MODE_B）。一种宏定义组合为复制黏贴，另一种为回车和鼠标连点，可以在代码中按需更改。

void setup() {
  Serial.begin(115200);
  Serial.println("Starting BLE work!");
  Mouse.begin();
  Keyboard.begin();

  pinMode(ledpin1,OUTPUT);
  pinMode(ledpin2,OUTPUT);
  pinMode(ledL,OUTPUT);
  pinMode(ledR,OUTPUT);
  pinMode(key_left,INPUT);
  pinMode(key_right,INPUT);
  pinMode(key_sw,INPUT);
  pinMode(key_btn,INPUT_PULLUP);
  digitalWrite(ledpin1,0);
  digitalWrite(ledpin2,0);
  key_btn_prev=digitalRead(key_btn);

  digitalWrite(ledpin1,ledpin1_val);
  if(digitalRead(key_sw)==0){
    sys_mode=MODE_A;
  }
  else{
    sys_mode=MODE_B;
  }
}

按下轻触开关改变背光灯状态：

key_btn_stat=digitalRead(key_btn);
if(key_btn_stat!=key_btn_prev){
    delay(10);
    key_btn_flag++;
    Serial.print(key_btn_flag);
}
key_btn_prev=key_btn_stat;
if(key_btn_flag==2){
    ledpin1_val=!ledpin1_val;
    ledpin2_val=!ledpin2_val;
    digitalWrite(ledpin1,ledpin1_val);
    digitalWrite(ledpin2,ledpin2_val);
    key_btn_flag=0;
}

模拟ctrl-c组合键：

if(digitalRead(key_left)==LOW){
   Keyboard.press(KEY_LEFT_CTRL);
   Keyboard.write('c');
   Keyboard.releaseAll();
   while(digitalRead(key_left)==LOW);
}

模拟鼠标点击：

if(digitalRead(key_left)==LOW){
   Mouse.click(MOUSE_LEFT);
   delay(1);
}

六、功能展示

鼠标连点功能测试。此处的测试值与计算机性能有关，仅供参考。

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其他功能请看页面上方视频。

七、心得体会

这次fastbond2活动提供了自由发挥创造的机会，让我有了收获。之后我还会继续用KiCad设计些有意思的小作品，解决生活中的实际问题。通过这次活动我接触到元器件采购平台：DigiKey。

这是我做的第二个“复制黏贴小键盘”方案，之后应该还会再做几套不同的方案吧，因为STM32F103等一系列常见的处理器都配备了USB控制器。