防水及防破壞鍵盤使用壓電圓片作為傳感器和蜂鳴器

本設計實例旨在設計適用于極潮濕環(huán)境中(如在游泳池淋浴時)的密封鍵盤。該鍵盤需能夠檢測到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，用戶側也絕對平坦，除絲網印刷外沒任何其他東西存在。這種鍵盤的另一個優(yōu)點就是防破壞。
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內含電子器件，并具有圓孔，使陶瓷材料能自由移動(圖1)。盡管較薄的橡膠層會提供更高的敏感度，但本實例還是使用了一層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)會輕微變形，小幅增加的壓力通過橡膠傳遞至壓電圓片。該壓力足以產生可被微處理器檢測到的電壓。此時，處理器會將所有圓片當作蜂鳴器使用，并發(fā)出應答蜂鳴聲。
本設計實例中使用了4個按鍵。使用的微控制器為瑞薩科技(前身為NEC)的uPD78F0513，當然，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，就無需進行這一步。這些端口開始會處于低電平。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。


啟動時，P3為低，P7為高，對壓電圓片快速充電，壓電圓片的電容值約為30nF。在零點幾微秒后，P7就會被設置為高阻抗輸入。
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，無需進行快速掃描。在特定應用中設置為每1ms進行一次電壓測量，因此每4ms會對每個圓片檢查一次。
當輸入電壓受按鍵下壓影響降至預設電壓以下時，控制器會對輸入進行處理，然后使用所有并聯圓片作為蜂鳴器。使用0.4mm厚的鋼板時，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設置為低阻抗輸出，將P3設置為相反的極性，其將在壓電圓片的諧振頻率(本實例中為2800Hz)下輸出一個方波。蜂鳴聲持續(xù)250ms，由R5限制驅動電流。蜂鳴聲結束后，P3恢復為0，P7再次短暫設置為5V，以對圓片進行充電。
使用壓電膜片會使整個方案更為有效，且有助于降低成本。