防水及防破壞鍵盤使用壓電圓片作為傳感器和蜂鳴器

本設(shè)計(jì)實(shí)例旨在設(shè)計(jì)適用于極潮濕環(huán)境中(如在游泳池淋浴時(shí))的密封鍵盤。該鍵盤需能夠檢測(cè)到0.4mm厚不銹鋼板上的輕微壓力。除了防水性能外，該鍵盤表面很光潔，用戶側(cè)也絕對(duì)平坦，除絲網(wǎng)印刷外沒(méi)任何其他東西存在。這種鍵盤的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)就是防破壞。
傳感器的核心部分是壓電圓片，通常被用作蜂鳴器，本實(shí)例選擇使用的是Murata公司的7BB-35-3。其外直徑為35mm，傳感區(qū)域的直徑范圍約為20mm。
圓片置于PCB上，PCB內(nèi)含電子器件，并具有圓孔，使陶瓷材料能自由移動(dòng)(圖1)。盡管較薄的橡膠層會(huì)提供更高的敏感度，但本實(shí)例還是使用了一層3mm厚的自粘型泡沫橡膠(EPDM)將圓片固定在PCB上。該組件需施加合理的壓力夾在前板的背面。


圖1：PCB布局及開孔。

用手指觸摸外板，鋼材(或其他材質(zhì))會(huì)輕微變形，小幅增加的壓力通過(guò)橡膠傳遞至壓電圓片。該壓力足以產(chǎn)生可被微處理器檢測(cè)到的電壓。此時(shí)，處理器會(huì)將所有圓片當(dāng)作蜂鳴器使用，并發(fā)出應(yīng)答蜂鳴聲。
本設(shè)計(jì)實(shí)例中使用了4個(gè)按鍵。使用的微控制器為瑞薩科技(前身為NEC)的uPD78F0513，當(dāng)然，也可以使用其他微控制器。
壓電圓片的較小電極連接至微控制器的ADC輸入端，并通過(guò)大電阻連接至正電源。此外，其還被連接至一開始處于高阻抗狀態(tài)的其他端口輸入(P7)。壓電圓片的其他電極(較大電極)被一起連接至幾個(gè)并行的端口位(P3)，而得到低阻抗值(圖2)。若缺少端口又具有足夠的輸出電流，就無(wú)需進(jìn)行這一步。這些端口開始會(huì)處于低電平。用手指按壓圓片至輕微變形，則供給ADC輸入端的電壓降低。


圖2：壓電式鍵盤/蜂鳴器原理圖。


啟動(dòng)時(shí)，P3為低，P7為高，對(duì)壓電圓片快速充電，壓電圓片的電容值約為30nF。在零點(diǎn)幾微秒后，P7就會(huì)被設(shè)置為高阻抗輸入。
程序連續(xù)掃描ADC輸入。由于圓片具有大電容，電壓變化極慢，無(wú)需進(jìn)行快速掃描。在特定應(yīng)用中設(shè)置為每1ms進(jìn)行一次電壓測(cè)量，因此每4ms會(huì)對(duì)每個(gè)圓片檢查一次。
當(dāng)輸入電壓受按鍵下壓影響降至預(yù)設(shè)電壓以下時(shí)，控制器會(huì)對(duì)輸入進(jìn)行處理，然后使用所有并聯(lián)圓片作為蜂鳴器。使用0.4mm厚的鋼板時(shí)，低于5V電源1.5V的閾值就足以獲得很好的敏感度；若使用更厚的前板，仍有很大的裕量提高敏感度。
為發(fā)出蜂鳴聲，將P7設(shè)置為低阻抗輸出，將P3設(shè)置為相反的極性，其將在壓電圓片的諧振頻率(本實(shí)例中為2800Hz)下輸出一個(gè)方波。蜂鳴聲持續(xù)250ms，由R5限制驅(qū)動(dòng)電流。蜂鳴聲結(jié)束后，P3恢復(fù)為0，P7再次短暫設(shè)置為5V，以對(duì)圓片進(jìn)行充電。
使用壓電膜片會(huì)使整個(gè)方案更為有效，且有助于降低成本。