复刻 Stack Overflow 愚人节“神作”：3 键机械键盘实战指南

背景

2021 年愚人节，Stack Overflow 搞了一个非常有意思的彩蛋：限制用户的复制次数，并“推销”了一款只有三个键的定制键盘。

这个小巧精致的键盘激发了我的创作欲。思考了一下，实现逻辑其实非常简单，基本上把我之前做的“原神自动弹琴装置”稍加修改即可，核心代码甚至在百行以内。

随后我打开 KiCad 直接开干，从原理图到 3D 渲染一气呵成。

🛠️ 核心设计思路：为什么是 ATMega32u4？

在开始制作之前，选型是关键。Stack Overflow 官方彩蛋中的键盘只有三个键：Ctrl、C、V。

为了实现这个功能，我选择了 ATMega32u4 作为主控：

• 原生 HID 支持： 与普通的 ESP32 或 ATMega328P 不同，32u4 自带硬件 USB 支持，可以直接被电脑识别为标准键盘（HID 终端），无需额外的串口转 USB 芯片。
• 成熟的固件库： 利用 Arduino 的 Keyboard.h 库，可以极速实现组合键逻辑。

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📐 硬件开发：KiCad 流程与 PCB 细节

在 KiCad 中，我设计了一块极简的 3% 配列 线路板。

渲染效果

关键电路特性

1. 热插拔支持： 引入了凯华热插拔轴座（1511 系列），这意味着你可以随时更换青轴、红轴或静音轴。
2. 电源管理： 使用了 AP2112K-3.3 LDO 芯片，确保 32u4 在稳定的电压下工作，并加入肖特基二极管防止 Type-C 接口反向供电。
3. 模式切换： 增加了一个 2 位拨码开关。这不仅可以用来切换不同的按键映射（如 Mac/Win 切换），还能开启或关闭“连发模式”。

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💻 软件实现：组合键逻辑

固件的核心逻辑是将物理按键的电平变化映射为标准的 HID 编码。实现 Ctrl + C 的逻辑如下：

// 示例：实现 Ctrl + C 的伪代码
if (digitalRead(KEY_C_PIN) == LOW) {
    Keyboard.press(KEY_LEFT_CTRL); // 先按下 Ctrl
    Keyboard.press('c');           // 再按下 C
    delay(100);                    // 保持一小段时间
    Keyboard.releaseAll();         // 释放所有按键
}

材料清单 (BOM)

序号	名称	数量	备注
1	ATMega32u4	1	主控芯片 QFN44封装
2	AP2112K-3.3	1	5V转3.3V芯片 SOT-23-5
3	16Mhz晶振	1	2.0*1.6
4	1uF电容	1	0603
5	22pf电容	2	0603
6	10uf电容	2	0603
7	1KΩ电阻	5	0805
8	10KΩ电阻	1	0805
9	22Ω电阻	2	0805
10	凯华热插拔轴座	3	1511系列
11	轴体	3	任意轴体
12	2位拨码开关	1	1.27mm
13	Type-C接口	1	16p
14	肖特基二极管	1	BAT60JFILM SOD-323
15	微动开关	1	3x4x2.5 四脚贴片

焊接与组装

焊接心得： QFN44 封装虽然引脚密集，但在涂抹适量锡膏后，配合热风枪（建议 350°C，中等风速）可以实现自动对准吸附。

组装： 简单的画了个方盒子作为外壳，然后从我的旧键盘上扣下来三个键帽装上去。

进阶特性与开源

这把键盘虽然源于彩蛋，但具备很强的实用性：

连发模式： 通过拨码开关开启，适合某些需要快速重复操作的场景。

全平台兼容： 基于标准 HID 协议，插上即用，无需安装驱动。

开源地址： https://github.com/chaosgoo/HairsPP

附：HID 扫描码速查表 (部分)

为了方便自定义按键，我整理了常用的非标准按键编码。你可以通过修改固件，实现 F13-F24 等宏功能。

控制与修饰键 (Modifier Keys)

定义	编码 (Hex)	功能描述
KEY_LEFT_CTRL	0x80	左侧 Ctrl 键
KEY_LEFT_SHIFT	0x81	左侧 Shift 键
KEY_LEFT_ALT	0x82	左侧 Alt 键
KEY_LEFT_GUI	0x83	左侧 Win / Command 键
KEY_RIGHT_CTRL	0x84	右侧 Ctrl 键
KEY_RIGHT_SHIFT	0x85	右侧 Shift 键
KEY_RIGHT_ALT	0x86	右侧 Alt 键
KEY_RIGHT_GUI	0x87	右侧 Win / Command 键

系统与导航键 (System & Navigation)

定义	编码 (Hex)	功能描述
KEY_UP_ARROW	0xDA	方向键：上
KEY_DOWN_ARROW	0xD9	方向键：下
KEY_LEFT_ARROW	0xD8	方向键：左
KEY_RIGHT_ARROW	0xD7	方向键：右
KEY_BACKSPACE	0xB2	退格键 (Backspace)
KEY_TAB	0xB3	制表键 (Tab)
KEY_RETURN	0xB0	回车键 (Enter)
KEY_ESC	0xB1	退出键 (Esc)
KEY_INSERT	0xD1	插入键 (Insert)
KEY_DELETE	0xD4	删除键 (Delete)
KEY_PAGE_UP	0xD3	上翻页键 (Page Up)
KEY_PAGE_DOWN	0xD6	下翻页键 (Page Down)
KEY_HOME	0xD2	起始键 (Home)
KEY_END	0xD5	结束键 (End)
KEY_CAPS_LOCK	0xC1	大写锁定键 (Caps Lock)

功能键 (Function Keys)

定义	编码 (Hex)	功能描述
KEY_F1 - KEY_F12	0xC2 - 0xCD	标准功能键 F1 至 F12
KEY_F13 - KEY_F24	0xF0 - 0xFB	扩展功能键（常用于绑定宏命令，不会与系统快捷键冲突）

总结与展望

这把复刻自 Stack Overflow 愚人节彩蛋的 3 键宏键盘，虽然初衷是为了好玩，但在实际制作过程中，它涵盖了 原生 USB-HID 通信、硬件电路设计以及人体工程学按键映射等多个核心知识点。

通过本项目，我们不仅实现了一个极简的生产力工具，更深入理解了：

• 主控选型的重要性：ATMega32u4 的硬件 USB 支持是实现低延迟、高兼容性 HID 设备的关键。
• 模块化设计的优势：引入热插拔轴座和拨码开关，让一个小巧的硬件具备了极高的自定义程度。
• 软硬结合的魅力：简单的几行代码，配合精准的硬件触发，就能大幅提升日常办公中高频操作（如剪贴、代码重构、宏命令执行）的效率。