Как делают платы для клавиатуры

Обновлено: 10.01.2025

Когда обычному человеку нужна новая клавиатура, он идёт в магазин. Когда клавиатура нужна программисту, он собирает её сам из компонентов. Иногда дело заходит слишком далеко, и программист начинает печатать корпуса на 3d-принтере, заказывать авторские клавиши и проводить дегустацию свитчей. Рассказываем, что это и зачем нужно.

Что такое кастомная клавиатура

Слово «кастомная» (от английского custom — нестандартный) означает, что изделие изготовлено на заказ. Когда программист сам себе собирает клавиатуру, — это тоже кастом, потому что на заводах не выпускают клавиатуры именно с такими параметрами.

Кастомную клавиатуру можно собрать:

любой ширины и из любого количества клавиш;
любого цвета;
с любой подсветкой;
с любой реакцией на нажатие каждой клавиши;
любой формы и с любым дизайном.

Из чего состоит кастомная клавиатура

Чтобы собрать кастом, нам понадобятся компоненты — их можно купить готовые, заказать на производстве или изготовить самостоятельно в зависимости от ваших возможностей. Вот что это за детали:

Плата, на которой обычно находится контроллер и которая реагирует на замыкания контактов. Это «мозг» клавиатуры, который отвечает за передачу данных с устройства на компьютер.

Вместо платы можно использовать контроллеры типа Arduino, но тогда нужно как-то спаять контакты клавиш. Это не очень удобно, но вполне реализуемо.

Переключатели, или свитчи, — это механизмы, которые отвечают за нажатия на клавиши. В зависимости от механизма клавиши дают разный отклик и щелчок: какие-то требуют более сильного нажатия, какие-то легче; одни дают мощный щелчок, другие бесшумные; есть даже такие, которые делают два щелчка: один на нажатие, другой на отпускание клавиш.

Свитчи выглядят так:

Стабилизаторы — это устройства, которые не дают длинным клавишам шататься и люфтить. Длинным — это пробел, шифт, капслок, энтер и другие. Под каждую такую клавишу нужен свой стабилизатор:

Пластина, которая будет держать переключатели, чтобы они не вывалились из клавиатуры. Лучше всего брать металлическую, они прочнее, чем пластиковые:

Корпус, чтобы собрать всё вместе.

Кейкапы, колпачки — клавиши, которые мы видим на клавиатуре. Кейкап — это не сама клавиша, а пластиковый колпачок, который надевается на свитч. Его можно вытащить из одного гнезда и поставить в другое — нажиматься будет точно так же. Например, вот кастомные кейкапы с Дартом Вейдером и Бэтменом:

Ещё при желании можно добавить в клавиатуру светодиоды для красоты. Тут тоже есть выбор: купить их отдельно, вместе с переключателем или распаянные на плате:

Как работает механическая клавиша

В клавиатурах есть несколько типов клавиш:

Мембранные — для нажатия надо продавить резиновую мембрану. Обычно такие клавиши имеют небольшой ход нажатия и тихо работают.
Ножничные — кейкап держится на тонком механизме, напоминающем ножницы, отсюда и название. В большинстве ноутбуков стоят ножничные клавиатуры.
Механические — это наш случай. В них, чтобы замкнуть контакт, используется специальный механизм с пружиной, подвижным штоком, токопроводящими контактами и корпусом, внутри которого это всё находится. Они большие и издают характерное щёлканье при нажатии, как в фильмах про хакеров.

Почти все кастомные клавиатуры делают с механическими клавишами по двум причинам:

Свитчи проще монтировать на плату, чем всё остальное.
Можно подобрать свитч с нужными для себя параметрами. Например, длинным или коротким свободным ходом, жёсткостью, скоростью возврата, скоростью срабатывания и так далее.

Работает переключатель так:

Есть контактная пара. Если её замкнуть — клавиатура поймёт, что на клавишу нажали.
В обычном состоянии контактная пара разомкнута и сигнал не идёт. За это отвечает белая деталь на схеме ниже.
Когда мы нажимаем на клавишу, она давит на синий шток, а шток — на белый размыкатель. Как только размыкатель проваливается вниз, контакты соединяются и сигнал идёт на клавиатуру.
Когда палец убран, пружина поднимает обе части наверх, и клавиша снова готова к тому, чтобы на неё нажали.

Как собрать всё вместе

Общая последовательность такая:

Берём плату и устанавливаем стабилизаторы под большие клавиши. Это делаем сразу, потому что потом будет уже не подлезть.
Ставим пластину.
Припаиваем к плате контакты свитчей. Есть клавиатуры с готовыми разъёмами под свитчи, туда контакты можно просто вставить и зажать.
Если нужны светодиоды — тоже припаиваем.
Ставим плату со свитчами в корпус.
Надеваем кейкапы на свитчи.

Звучит просто, но на деле это может занять от пары-тройки часов до нескольких вечеров — всё зависит от необходимости пайки и того, как все элементы подходят друг к другу.

Программирование кастомной клавиатуры

Часто кастомы делают ради расширения стандартных возможностей, например:

сделать переключение языка отдельной кнопкой;
повесить на какие-то клавиши нестандартные действия, например, копирование и вставку сделать тоже отдельными кнопками;
сократить в 2–3 раза количество клавиш, а все функции полностью запрограммировать на то, что осталось.

Чтобы такое сделать, нужно, чтобы плата поддерживала стандарт QMK — он позволяет программировать клавиатуры на уровне чипа. Это значит, что вы можете подсоединить эту клавиатуру к любому другому компьютеру и она будет работать точно так же, как и на вашем, со всеми хитрыми комбинациями и скриптами.

Как влияют кастомные клавиатуры на качество вашего кода

Кастомная клавиатура никак не влияет на качество вашего кода, даже если у неё самая крутая подсветка и самые дорогие свитчи.

Другое дело, что, погрузившись в программирование прошивок и скриптов, вы сможете подтянуть свои навыки в алгоритмах и логике работы устройств — и вот это точно может сделать вас лучше как программиста.

Но один способ улучшить код с кастомной клавиатурой всё-таки есть: приходите в Практикум, там можно с любой клавиатурой.

Как влияют на удобство работы

Кастомные механические клавиатуры — дело вкуса. Одним нравится звук щёлкающих клавиш, других он раздражает. Кому-то максимально удобно на Apple Magic Keyboard, а кто-то терпеть не может эту мембрану и жить не может без свитчей Cherry Red. То есть здесь всё строго по любви.

Из распространенных минусов:

❌ Самые доступные наборы для кастома могут быть без русского языка. Это не проблема, если вы хотите сами сделать лазерную гравировку.

❌ Если делаете кастом, то хочется сделать какую-то особенную форму клавиатуры. Но тогда пальцы привыкнут к новой клавиатуре, а на других станет непривычно.

❌ Кастомная клавиатура может занимать дополнительный порт на компьютере.

Срединный вариант

Хороший промежуточный вариант — программируемые мини-клавиатуры. Накатываете на них нужные вам горячие клавиши, и в бой. Пример с Али:

Клавиатура внешне устроена, вроде бы, не очень сложно. На ней размещено довольно много расположенных определенным образом кнопочек, на которые нанесены изображения символов. Нажимаешь на кнопочку, и на экране компьютера или гаджета появляется соответствующая буква, цифра, знак препинания, пробел (то есть пустота вместо символа).

Также, используя клавиши клавиатуры, пользователь может управлять поведением курсора, двигать его по экрану в разные стороны. Кроме того, можно подключать и отключать разные функции компьютера или ноутбука с помощью так называемых функциональных клавиш клавиатуры.

Как ввести большой текст в компьютер? Если текст уникальный, что называется, «из головы», то без клавиатуры обойтись трудно. Конечно, виртуальные экранные клавиатуры позволяют вводить текст прямо с экрана компьютера или гаджета без использования «механической» клавиатуры. Тем не менее, использовать виртуальные клавиатуры для ввода больших текстов сложно. Тут не придумано пока иной замены обычной компьютерной клавиатуре.

Об устройстве механической клавиатуры

Как изготавливают клавиатуру компьютера? Как удается создать такое надежное и долговечное устройство с множеством кнопочек? Ведь у кнопок должен быть большой ресурс. Тогда они будут служить верой и правдой, не западать, не выпадать, не вибрировать, не заклинивать и прочее. И как нажатия на эти кнопочки приводят к тому, что в компьютер попадают соответствующие сигналы?

Чтобы лучше понять устройство клавиатуры, следует сначала обратить внимание на маленькую микросхему или микрочип размером не более зёрнышка. Этот компонент находится в центре печатной платы (рис. 1), установленной внутри клавиатуры, и передающей поток информации от клавиатуры к компьютеру.

Рис. 1. Чип расположен в самом центре печатной платы будущей клавиатуры.

Несмотря на свой предельно маленький размер, каждый такой микрочип имеет встроенную микросхему. Микросхема следит за каждым нажатием клавиши или комбинации клавиш. И следом логическая цепь внутри микросхемы определяет, какую команду требуется передать компьютеру.

Такие команды передаются в компьютер либо по проводу, соединяющую клавиатуру с компьютером через порты USB или (что встречается реже) через порты PS-2. Либо сигналы с клавиатуры на компьютер передаются с помощью радиосвязи, если клавиатура беспроводная: клавиатура BlueTooth или клавиатура с устройством приема сигнала, подключаемым к порту USB компьютера.

Сборка компонентов на печатных платах клавиатуры

Теперь поговорим о сборке клавиатуры в заводских условиях. Когда микро-чип установлен на печатной плате клавиатуры, этот чип должны быть присоединен к другим более крупным схемам на платах. Для этого с помощью микросварки присоединяют микрочип к плате с крошечными алюминиевыми проводами толщиной в 1 мм.

После установки всех чипов на плату, соединения микро-чипов с проводками проверяют, чтобы сигналы от клавиш обязательно доходили через алюминиевый провод до чипа и обратно. Если плата проходит такой тест, далее чип покрывается чёрным клеем (рис. 2). Это необходимо для того, чтобы изолировать места соединений и одновременно несколько упрочить всю конструкцию. Ведь потом такие соединения должны будут служить долго и безупречно.

Рис. 2. Заливка клеем установленного и проверенного микрочипа на печатной плате будущей клавиатуры.

Рабочие, собирающие клавиатуры на производстве, добавляют электронные компоненты на обратную сторону платы (рис. 3). Компоненты контролируют поток электрических сигналов на плате. Затем добавляют резисторы, предназначенные для создания сопротивления протекающему электричеству. Следом устанавливают конденсаторы, которые служат для временного накопления электричества, чтобы выравнивать уровни сигналов от клавиш клавиатуры к чипу.

Рис. 3. Установка электронных компонентов на печатную плату будущей клавиатуры.

После установки компонентов, на каждую плату монтируют по 3 светодиода (рис. 4). Они нужны для сигнализации пользователю клавиатуры о режимах работы клавиатуры. Например, чтобы показывать включение:

клавиши NumLock (включение цифровой клавиатуры),
CapsLock (постоянное включение регистра для печати только большими заглавными буквами) и
ScrollLock (запрет прокрутки экрана монитора – режим «замирания» экрана).

Рис. 4. Смонтированные светодиоды на печатной плате будущей клавиатуры.

Образно описанные выше соединения микро-чипов, резисторов, конденсаторов, светодиодов и других радиоэлектронных компонентов позволяют реализовать такую схему работы клавиатуры, когда нажатие на ту или иную клавишу клавиатуры приводит к порождению одного единственного уникального сигнала (или серии сигналов, если речь идет, например, о переключении режимов работы ноутбука с помощью функциональных клавиш).

Кто разрабатывает и кто производит клавиатуры

Схемы работы клавиатуры разрабатывают радио инженеры, разбирающиеся в особенностях цифровой радиоэлектроники. Они-то точно знают, как нужно соединить между собой те или иные радиоэлементы, чтобы в своей работе они порождали только те сигналы, что нужны для передачи точной и однозначной информации из клавиатуры на компьютеры и ноутбуки.

Производственники, инженеры от производства, разрабатывают, глядя на схемы радиоинженеров, печатные платы с тем, чтобы на них воспроизвести один в один замысел радиоинженеров. В общем, всем работы хватает! Само же производство, рабочие на производстве, их начальники следят за тем, чтобы собираемые ими клавиатуры были именно такими, как их задумали радиоинженеры и инженеры (конструкторы, технологи) от производства.

Пайка электронных компонентов на плате и нанесение символов на клавиши

Когда все электронные компоненты установлены на плате, они проходят через печь с нагретым расплавленным оловом,точнее с припоем (рис. 5). Припой в большей части состоит из олова, но есть в нем и другие добавки, например, флюс, позволяющий обезжиривать спаиваемые между собой поверхности. Припой после застывания в результате охлаждения платы, прошедшей через печь, намертво закрепляет и удерживает крошечные провода на плате, завершая таким образом сборку электрических цепей, соединений между отдельными элементами (чипами, резисторами, конденсаторами, проводниками) печатной платы.

Рис. 5. Отправка собранных печатных плат будущих клавиатур в печь для пайки припоем радиоэлектронных компонентов.

Далее, пока припой остывает, на пластмассовые клавиши будущей клавиатуры наносят буквы, цифры и символы, обозначающие функции каждой будущей клавиши. Обозначения символов вырезаются на клавишах с помощью лазера. Невидимый глазом, но реально существующий и имеющий требуемую для расплавления пластмассы температуру луч лазера испаряет покрытие на клавише и обнажает под ним пластмассу другого цвета. Процесс рисования символов выполняется довольно быстро (рис. 6).

Рис. 6. Нанесение символов на клавиши будущей клавиатуры с помощью невидимого простым глазом луча лазера.

Например, покрытие может быть черным, а пластмасса под ним – белая, или наоборот. Также возможны сочетания других цветов: современная пластмасса может быть самых различных цветов. Нанесённые таким способом обозначения, никогда не сотрутся, в отличие от нанесённых краской. Хотя, конечно, портится даже то, что не может портиться – об этом нам говорят шуточные законы Мерфи, «законы бутерброда», о которых всегда приходится вспоминать, когда речь идет о какой-либо пусть даже самой надежнейшей технике.

Все зависит от сроков эксплуатации клавиатуры, от условий, в которых клавиатура находилась. Да и от качества самой пластмассы покрытия и самих клавиш многое зависит. Тем не менее, лазерные технологии нанесения символов на клавиши дают пока самый долговечный результат.

Окончательная сборка клавиатуры и ее тестирование

Когда обозначения нанесены, рабочие «просеивают» клавиатуры в корзине с резиновыми подушечками, пока подушки в результате «взбалтывания» и произвольного перемещения не лягут в свои гнёзда на обратной стороне клавиш. Подушечки создают эффект пружины. Поэтому, после нажатия на любую клавишу, она как бы отпружинивает и возвращается на свое первоначальное место в не нажатое (отжатое, говоря техническим языком) положение.

Затем плата устанавливается в корпус клавиатуры, а следом устанавливают электрическую мембрану с чувствительным переключателем для каждой клавиши на клавиатуре(рис. 7). Переключатели выравнивают под клавишами. Когда клавиша нажата, переключатель подаёт особенный сигнал, который идет через электрическую цепь к крошечному процессору (микро-чипу, с которого мы начали описание процесса сборки клавиатуры) на плате, а затем и в компьютер.

Рис. 7. Установка мембраны с чувствительными переключателями под каждой клавишей будущей клавиатуры.

Когда мембрана окончательно установлена и выровнена под клавишами, клавиатура закрывается пластмассовой крышкой. Затем клавиши тестируют, отбраковывая те, которые были собраны неудачно по разным причинам (рис. 8). Проблемы могут возникать как из-за неправильной сборки клавиатуры, так и из-за неисправных радиоэлементов, которые устанавливаются на печатную плату клавиатуры.

Рис. 8. Тестирование полностью собранной и готовой к работе компьютерной клавиатуры.

Нужно отметить, что современные радиокомпоненты являются качественными, редко попадаются бракованные элементы. И технологии сборки клавиатур отработаны так, что брак будет скорее редкостью, чем частым явлением. Тем не менее, проверка клавиатуры после сборки делается. И теперь уже после проверки клавиатуру можно подключать к компьютеру. И с ее помощью можно будет долго и надежно печатать и вводить необходимые символы и команды.

Электроника с механикой «в одном флаконе»

Компьютерная клавиатура является довольно сложным устройством. Прежде всего это связано с большим количеством механических движущихся частей: кнопки, резиночки, чувствительные к перемещениям радиоэлементы, принимающие сигналы нажатия клавиш. В технике известно, что чем больше механики в изделии, тем оно сложнее и менее надежно.

И все-таки клавиатура работает. Работает на радость пользователям компьютеров долго, хоть в ней совсем не по-современному так много механики!

Кстати, иногда лучше один раз увидеть, чем сто раз услышать. Особенно если речь идет о мало известных «материях», таких как цифровая электроника, радио инженерия, производство изделий радиоэлектроники. А потому ниже можно посмотреть видео об изготовлении компьютерных клавиатур:

Видео: Компьютерные клавиатуры. Как их делают?

Почему клавиатура не любит грязь и жидкости

Теперь мы представляем себе, как устроена компьютерная клавиатура, что называется, изнутри. Там много разных элементов. Одни из них «намертво» установлены, закреплены и припаяны на печатной плате. Другие же имеют довольно много степеней свободы, чтобы двигаться. Как же иначе, если нужно дать возможность пользователям клавиатуры нажимать на клавиши и получать от них соответствующие отклики?!

Попробуем себе представить, что внутрь клавиатуры попадает, скажем, пыль, грязь, а то и вода или иная жидкость, парфюмерия, сладкие газированные напитки и прочее. Пыль, грязь, жидкость обязательно полностью или частично останутся на внутренних элементах клавиатуры. Посторонние предметы и жидкости загрязнят внутренние элементы. Также они могут лишить их возможности полноценно двигаться в такт нажатиям на клавиши.

Что и говорить про некоторые составы. Некоторые из них вообще в состоянии растворить лак, которым покрывают печатные платы. Такие составы могут испортить соединение микро-чипа с печатной платой, лишить эластичности «резинки» и подушечки. И тогда уже никто не даст никаких гарантий того, что клавиатура дальше будет работать, как надо.

Так чаще всего и ломаются клавиатуры: из-за попадания внутрь пыли и грязи, которой предостаточно в домах и офисах или, тем более, на улицах. Иногда на клавиатуры банально проливают напитки. Такие клавиатуры называют на языке ремонтников «утопленниками». Мало что помогает таким клавиатурам, далеко не всегда спасает чистка. В итоге загрязненная или залитая клавиатура идет в утиль.

Ремонт клавиатуры: стоит ли овчинка выделки

Поврежденную клавиатуру почти никогда не целесообразно ремонтировать, кроме клавиатур ноутбуков. Клавиатуры, которые стали работать нестабильно (например, отдельные клавиши перестали откликаться) или вообще отказываются работать, обычно заменяют на другую. Новая клавиатура подключается вместо старой, вот и весь ремонт.

В ноутбуках, если отказала основная клавиатура, можно воспользоваться внешней дополнительной клавиатурой. Она подключается к одному из портов USB ноутбука. Правда, такая замена основной клавиатуры ноутбука на внешнюю клавиатуру не всегда бывает эквивалентной. Например, могут перестать работать функциональные клавиши ноутбука, которые несут большую смысловую нагрузку, управляют переключениями режимов его работы. Также при настройках BIOS ноутбуков внешняя клавиатура может не работать. А BIOS настраивают, как правило, только с помощь основной клавиатуры ноутбука, мышка здесь не помогает.

При нормальном же уходе (беречь, периодически аккуратно чистить снаружи) клавиатуры обычно работают долго даже у тех, кто много ими пользуется. Благодаря своим конструкциям и применяемым методам изготовления компьютерные клавиатуры позволяют длительное время плодотворно ими пользоваться.

Обычный провод в изоляции не проходит сквозь отверстия в корпусе кнопки, поэтому нужно использовать обмоточную эмалированную проволоку.

Провод сечением 0,5 мм пойдет на линии питания, а 0,1 мм — для сигнальной.

На первой кнопке слева выведены питание и вход сигнала, а справа — земля и выход.

Остается аккуратно подпаять второй светодиод, и подключить провода к плате. Сигнальный провод подключается к выводу P1.

Схема подключения кнопок и светодиодов к плате представлена ниже.

В прошивке реализовано два режима подсветки — «радужный» и плавное затухание после нажатия кнопки.

Если светодиоды подключены к плате во время прошивки — то она не загрузится в контроллер, пока не отключить линию передачи данных P1.

Автор предусмотрительно сделал отверстие в дне корпуса клавиатуры, чтобы можно было установить в него джампер. Перед началом процесса программирования его нужно будет снять, а по завершении — установить на место. Данная перемычка, как Вы уже догадались, прерывает линию данных от вывода P1 к светодиодам.

Точно так же, сняв джампер, можно выключить подсветку.

Конечно, такую клавиатуру можно подключать к смартфонам или планшетам, имеющим разъем с поддержкой OTG. Эта клавиатура отлично подходит для игры «OSU!».

Благодарю автора за модели, прошивку и советы по изготовлению мини-клавиатуры.

Те, кто предпочитает готовый продукт, могут купить клавиатуру SimPad .

Всем хорошего настроения, крепкого здоровья, и интересных идей!
Подписывайтесь на телеграм-канал сайта, чтобы не пропустить новые статьи.

Авторское видео можно посмотреть здесь.

У них изнутри каждая кнопка оборудована собственными выключателем и пружиной.

Он должен быть установлен в правильное положение.

Также на эту тему вам будет полезно почитать об основных функциях клавиатуры. Если нажать на клавишу и не отпускать ее, клавиатура перейдет в режим автоповтора.

Достоинство в том, что при выходе из строя одной из кнопок, остальные продолжают работать. Буду благодарен всем, кто поделится этой публикацией в социальных сетях.

Но полностью эти устройства клавиатуру не заменяют. Далее подробно рассмотрены все группы клавиш с их скэн-кодами.

Тем не менее, интерес к архитектуре ЭВМ и программированию на уровне машинных кодов не угасает, но и явно растет по двум причинам. Более подробное техническое описание клавиатуры можно прочитать чуть ниже: 1.

Как чистить клавиатуру ПК

Другие компоненты обычной клавиатуры

Аналогичные действия выполняются и тогда, когда оператор отпускает нажатую ранее клавишу. Три линии порта 1 Р1.

Все клавиатуры, которые имеют стандартный разъем для подключения к материнской плате, используют обычный интерфейс клавиатуры независимо от 5-контактного разъема DIN или 6-контактного разъема mini-DIN. Режим автоповтора облегчает ввод с клавиатуры большого количества одинаковых символов.

Как устроена

Обычно проблем с индикаторами не возникает. Требования к клавишам.

Материнские платы в старых РС без чипсетов использовали в качестве контроллера клавиатуры микросхему Intel , которая стала стандартной почти для всех РС. Принципы работы клавиатуры Клавиатура выполнена, как правило, в виде отдельного устройства, подключаемого к компьютеру тонким кабелем. На практике в этот момент при нажатии на клавишу мы слышим предупреждающий звуковой сигнал и не наблюдаем ввода данных.

Следует отметить, что клавиатура содержит внутренний байтовый буфер, через который она осуществляет обмен данными с компьютером. Также на эту тему вам будет полезно почитать об основных функциях клавиатуры. Как правило, эти преобразования выполняют модули BIOS. Принципиальная схема интерфейса клавиатуры Кликните для увеличения На схеме показано, как можно подключить 12 кнопок к таймеру для генерации 12 различных частот. Строение экземпляров подороже, более сложное: кнопки уже присутствуют физически.

Контроллер клавиатуры реализует и другие функции в РС. У купольных конструкций, каждая кнопка оборудована отдельной микромембраной с контактом. Замыканию и размыканию любого из переключателей соответствует уникальный цифровой код scan code размеров 1 байт. Дисплейная часть обеспечивает работу с дисплеем на семисегментных индикаторах их может быть до 32 шт.
Ремонт клавиатуры Genius. The fixing of keyboard

Немного о матрице

В этом случае ввод новых символов на некоторое время прекращается. Однако почти во всех РС до сих пор используется обычный интерфейс несмотря на растущую популярность шины USB.

Более подробное техническое описание клавиатуры можно прочитать чуть ниже: 1. В одном из предыдущих постов, вскользь, была затронута тема устройства компьютерной клавиатуры.

Только этот компьютер состоит из одной микросхемы и выполняет специализированные функции. Снижение себестоимости БИС возможно лишь при максимальной автоматизации этапов, предшествующих их изготовлению, и массовости производства.

Основа нашей кнопочной клавиатуры — интегральный таймер , который сконфигурирован как несинхронизированный мультивибратор. Примечание: Здесь рассматриваются только обычные компоненты стандартной клавиатуры.