EDA-Keypad小键盘

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本项目基于【立创开发板 ColorEasyPico2 RP2350】构建，是一个双功能的小键盘，会根据连接的设备自动切换功能，既能当小键盘又能当计算器。
项目结构与电路设计简单，仅单面布线，成本底且适合新手复刻焊接。

• ✅ USB-HID小键盘（连接到主机USB接口时）
• ✅ 计算器（连接到电源时）
• ✅ 按键RGB灯效
• ✅ RGB亮度调节
• ✅ 小屏幕信息显示

• 基于【立创开发板 ColorEasyPico2 RP2350】，支持USB-HID功能，通过HID模拟键盘
• 屏幕使用 SSD1306 驱动 0.91 寸屏幕，用于显示计算器，灯光亮度等信息
• 按键采用热插拔设计，可自由更换键盘轴体
• 旋钮采用EC11，HID模式下按下为NUM LOCK按键，计算器模式下为AC清除按键
• 灯光采用WS2812 RGB灯珠，通过pwm信号控制，支持彩色

这里直接使用立创开发板 ColorEasyPico2 RP2350开发板，这里我们只引出了用到的几个接口，你可以根据需求引出需要的IO

这里直接采用SSD1306驱动的0.91寸LCD 4Pin接口屏幕模块

这里直接采用EC11旋钮，电路中为方便焊接，没有加入硬件防抖，全部通过软件处理抖动，降低焊接难度及成本。

这里我们使用支持热插拔的轴座，你可以自行配置你喜欢的键盘轴体。

• 需要注意的是，这里我们为了能流畅走线，所以特定好了按键的IO接口，这必然会为后面软件开发带来一定复杂性，你当然可以按照自己的想法接线，但可能走线会很乱。

RGB灯组这里因为剩余的IO足够，所以我们设计为16个RGB组成的矩阵为一组RGB，EC11右侧的独立按键为另外一组RGB，当然你也可以全部串联到一起节省一个IO口。

• 这里同按键设计一样，为了能流畅走线，所以特定好了按键的IO接口，这必然会为后面软件开发带来一定复杂性，你当然可以按照自己的想法接线，但可能走线会很乱。

供电这里依照WS2812的数据手册要求供电电压在3.5-5V电压之间，而我们开发板上只有3.3V和5V电压，为确保稳定性这里选择了5V供电。但依照WS2812数据手册中对信号电压的要求是+0.5VDD到-0.23VDD，而pico2开发板原理图中IO电压为3.3V，理论上还要增加一个电平转换电路，不过在实际测试中WS2812的信号电压在2.4V以上时就被判断为1了，也就是说逻辑判断电压实际和VDD电压影响不大，所以为了简化电路降低成本，选择不做电平转换直接连接

• 软件环境：VSCode+PlatformIO
• 开发语言：C/C++

在本项目中我们主要使用的是USB HID协议，在开发之前建议先认真阅读USB组织提供的USB HID协议文档

• 第10章 Keyboard/KeypadPage(0x07)

通过以下库完成本项目开发

• TinyUSB Library：用于USB协议收发
• NeoPixel：用于RGB驱动
• GFX Library：用于图形绘制
• SSD1306：用于屏幕驱动

通过以下函数完成小键盘逻辑处理

• uint32_t Wheel(byte WheelPos) ：彩虹色轮生成函数
• void effectRainbow()：彩虹灯效
• void effectMarquee()：跑马灯效
• void runLEDEffect()：灯效调用
• void handleEncoderRotation()：EC11旋钮逻辑判断
• float evaluateExpression(String expr)：计算器逻辑处理

• 先将整个255色环被均分为三个区段：
• 1. 红->蓝（0-84） 2. 蓝->绿（85-169） 3. 绿->红（170-255）
• 每个区段通过两个颜色分量的线性变化实现平滑过渡
• 使用255色阶（3*85=255）确保颜色变化连贯无断层

uint32_t Wheel(byte WheelPos) 
{
// 反转输入值，使颜色轮逆向旋转（255为起点，0为终点）
WheelPos = 255 - WheelPos;
/* 第一阶段：红色 -> 蓝色渐变（当WheelPos在0-84范围时）
if (WheelPos < 85)
  return strip.Color(
    255 - WheelPos * 3, 
    0,                  
    WheelPos * 3       
);
/* 第二阶段：蓝色 -> 绿色渐变（当WheelPos在85-169范围时）
if (WheelPos < 170) 
{
  WheelPos -= 85;       
  return strip.Color(
    0,                  
    WheelPos * 3,       
    255 - WheelPos * 3  
  );
}
/* 第三阶段：绿色 -> 红色渐变（当WheelPos在170-255范围时）
WheelPos -= 170;         
return strip.Color(
  WheelPos * 3,         
  255 - WheelPos * 3,   
  0                     
);
}

这里直接用NeoPixel的setPixelColor函数指定RGB并显示就好了

• void effectRainbow()：彩虹渐变灯效
• void effectMarquee()：红绿蓝跑马灯灯效
• void runLEDEffect()：灯效模式调用函数

void effectRainbow()
{
static uint8_t offset = 0;
for (int i = 0; i < NUM_LEDS; i++)
{
  strip.setPixelColor(i, Wheel((i + offset) & 255));
}
strip.show();
offset++;
delay(50);
}
// 跑马灯效果
void effectMarquee()
{
if (millis() - effectTimer > 200)
{
  effectTimer = millis();

  strip.clear();
  strip.setPixelColor(marqueePosition, 0xFF0000);                  // 红色光点
  strip.setPixelColor((marqueePosition + 4) % NUM_LEDS, 0x00FF00); // 绿色跟随
  strip.setPixelColor((marqueePosition + 8) % NUM_LEDS, 0x0000FF); // 蓝色跟随
  strip.show();

  marqueePosition = (marqueePosition + 1) % NUM_LEDS;
}
}
// 灯效模式调用
void runLEDEffect()
{
switch (ledMode)
{
case MODE_RAINBOW:
  effectRainbow();
  break;
case MODE_MARQUEE:
  effectMarquee();
  break;
}
}

在旋钮逻辑判断函数里，这里对旋钮旋转方向的判断是通过EC11的CLK和DT两条信号线判断，这里我们可以先看一下旋钮旋转时的时序图

把这两个引脚状态合并成二进制来看，也就是说00 -> 01 -> 11 -> 10 -> 00为顺时针旋转，00 -> 10 -> 11 -> 01 -> 00为逆时针旋转，通过两两之间的变化就可以知道EC11旋钮是顺时针旋转还是逆时针旋转了

void handleEncoderRotation()
{
// 静态变量保存前次状态（CLK和DT的组合状态）
static uint8_t lastState = 0;    // 存储上一次的引脚组合状态（2位二进制）
static unsigned long lastTime = 0; // 存储上次状态变化的时间戳（防抖用）
const unsigned long debounceDelay = 5; // 消抖时间阈值（单位：毫秒）

// 读取当前编码器状态（将两个引脚状态合并为2位二进制数）
// 格式：高1位是CLK引脚状态，低1位是DT引脚状态
uint8_t state = (digitalRead(EC11_CLK) << 1) | digitalRead(EC11_DT);

// 检测有效状态变化（状态不同且满足消抖时间条件）
if (state != lastState && (millis() - lastTime > debounceDelay))
{
  /* 顺时针旋转状态序列检测（EC11编码器四步变化规律）：
   * 00 -> 01 -> 11 -> 10 -> 00
   * 当检测到以下任一有效转换时判定为顺时针旋转：
*/
  if ((lastState == 0b00 && state == 0b01) ||
      (lastState == 0b01 && state == 0b11) ||
      (lastState == 0b11 && state == 0b10) ||
      (lastState == 0b10 && state == 0b00))
  {
    // 顺时针旋转：降低目标亮度（需确保不低于最小值）
    targetBrightness = (targetBrightness - BRIGHTNESS_STEP);
  }
  /* 逆时针旋转状态序列检测（反向四步变化规律）：
   * 00 -> 10 -> 11 -> 01 -> 00
   * 当检测到以下任一有效转换时判定为逆时针旋转：
*/
  else if (
      (lastState == 0b00 && state == 0b10) ||
      (lastState == 0b10 && state == 0b11) ||
      (lastState == 0b11 && state == 0b01) ||
      (lastState == 0b01 && state == 0b00))
  {
    // 逆时针旋转：增加目标亮度（需确保不超过最大值）
    targetBrightness = (targetBrightness + BRIGHTNESS_STEP);
  }

  // 更新状态变化时间戳
  lastTime = millis();
  // 保存当前状态用于下次比较
  lastState = state;
}
}

计算器这里则是通过按键拼接字符串，然后再解析字符串计算实现的，这里的函数主要是解析字符串

• if (isdigit(c) || c == '.' || (c == '-' && newNum))：数字解析，解析正负数及小数
• else if (!newNum)：运算符处理，解析加减乘除
• if (c == '+' || c == '-')：运算符类型判断，确保先乘除后加减
• if (numStr.length() > 0)：处理表达式末尾未被运算符触发的剩余数字

float evaluateExpression(String expr)
{
expr.replace(" ", "");  // 移除所有空格，确保表达式紧凑
float result = 0;       // 最终计算结果
float currentTerm = 0;  // 当前处理的运算项（用于处理乘除优先级）
char op = '+';          // 当前运算符（初始化为+）
String numStr;          // 临时存储数字字符串（支持多位数和小数）
bool newNum = true;     // 标志位，表示是否开始新数字输入

// 逐字符解析表达式
for (int i = 0; i < expr.length(); i++)
{
  char c = expr[i];
  /* 数字/符号处理：
   * 1. 常规数字：0-9
   * 2. 小数点：.
   * 3. 合法负号：出现在数字开头或运算符后 */
  if (isdigit(c) || c == '.' || (c == '-' && newNum))
  {
    numStr += c;        // 将字符追加到数字缓冲区
    newNum = false;     // 标记进入数字输入状态
  }
  // 运算符处理
  else if (!newNum)
  {
    float num = numStr.toFloat(); // 转换缓冲区为浮点数
    numStr = "";                  // 清空数字缓冲区
    
    /* 根据前一个运算符处理当前项（实现乘除优先级）：
     * 加减运算符：将当前项加入结果
     * 乘除运算符：立即计算当前项 */
    switch (op)
    {
    case '+':
      currentTerm = num;  // 加法项直接存入当前项
      break;
    case '-':
      currentTerm = -num; // 减法项转为负数存储
      break;
    case 'x':
      currentTerm *= num; // 乘法立即计算
      break;
    case '/':
      if (num == 0)
        return NAN;      // 除零错误返回特殊值
      currentTerm /= num; // 除法立即计算
      break;
    }

    /* 运算符类型判断：
     * 遇到加减运算符时将当前项累加到结果
     * 遇到乘除运算符时暂存当前项继续运算 */
    if (c == '+' || c == '-')
    {
      result += currentTerm; // 将累计的当前项加入最终结果
      currentTerm = 0;       // 重置当前项
    }
    op = c;          // 更新当前运算符
    newNum = true;   // 标记需要开始新数字
  }
}

/* 处理最后一个数字项（表达式末尾没有运算符的情况）
if (numStr.length() > 0)
{
  float num = numStr.toFloat();
  switch (op)  // 根据最后的运算符处理
  {
  case '+':
    currentTerm = num;
    break;
  case '-':
    currentTerm = -num;
    break;
  case 'x':
    currentTerm *= num;
    break;
  case '/':
    if (num == 0)
      return NAN;
    currentTerm /= num;
    break;
  }
}

result += currentTerm;  // 将最后的当前项加入结果
return result;          // 返回最终计算结果
}

侧面1	侧面2

• 外壳设计有螺丝孔柱，用于固定。
• 壳体内部添加倒角加强，屏幕部分为排针焊点添加槽位，屏幕下侧添加限位槽，避免屏幕受外力下凹。
• 主体外壳采用大圆角，使得整体美观圆润。

正面	背面

• 后壳同样采用大圆角，使得整机圆润。

• 边角处同样采用倒角加强，并开Type-C挖孔。

• 壳内三角添加PCB支撑，避免PCB受力不均、凹凸不平。

3D预览图	实物图

首先将屏幕插入进前盖屏幕限位槽中

将拼装完成的主板倒扣，主板屏幕排母对准屏幕排针插入

后盖倒扣插入即可

嘉立创提供一站式产业互联智造平台，涵盖电子、机械产业一站式服务🛠️

1	2
小键盘模式	计算器模式

本项目提供了一个简单的多功能小键盘，你可以在本项目的基础上添加更多灯效，屏幕功能等等。另外RP2350还带有USB串口通讯，你可以借助UART通讯使用QT/Flutter为小键盘开发一个上位机，实现更多自定义功能，比如自定义键位、快捷键、音乐律动灯效、电脑性能显示等，而且主板还有余2个IO，1个可共用的IIC，完全可以拓展很多功能。

• 更多RGB灯效
• 上位机软件控制
• 自定义快捷键
• 电脑性能显示
• 温湿度监测
• ......