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压电感应传感技术   ——在采用纯金属材质按键面板产品领域中的应用
2015/7/13 15:07:00      来源:《中国安防》    作者:张瑞斌 李喜民
    利用压电陶瓷片的压电转换效应,将其应用于具有触摸按键的楼宇对讲产品中,可实现触摸按键的功能。由于是通过压力的方式实现按键的触摸功能,所以产品表面的按键面板材料可以采用纯金属材质进行制作。

  【摘要】利用压电陶瓷片的压电转换效应,将其应用于具有触摸按键的楼宇对讲产品中,可实现触摸按键的功能。由于是通过压力的方式实现按键的触摸功能,所以产品表面的按键面板材料可以采用纯金属材质进行制作。通过压电感应按键技术在对讲产品中的应用,极大地提升了楼宇对讲行业领域产品在触摸按键技术应用的性能提升,大大改善了按键的客户使用体验效果,提高了产品在按键各方面的产品品质及可靠性与稳定性。由于可采用一体化成形金属材质的面板,因而可随用户需求随意定制其外形、大小、颜色等设计,尽可彰显产品的高端、华丽、时尚、金属质感。
  【关键词】压电传感金属按键面板压力触摸楼宇对讲产品
  安防楼宇对讲产品中的触摸按键技术现状
  目前,越来越多的民用电子产品由于采用了嵌入式的MCU主控电路,让产品设备变得越来越自动化与智能化。为了提高产品的使用方便性、外观完整与美观性,越来越多的产品加入了触摸按键技术作为面板按键操作接口,以替代传统的机械式按键开关的设计。单从实现按键功能这方面看,现应用较广、较为主流的实现方式主要有两种:一种为采用传统的机械结构的具有触点式通断的传动开关装置,如微动开关;另一种为采用电容触摸技术设计的电容触摸按键,如采用单片机+软件算法实现的专业集成一体化触摸IC。
  无论是采用机械按键、还是电容触摸按键技术,在实际的产品应用中都存在一些互补的优、缺点。
  (1)采用传统的机械按键实现方式的优、缺点
  优点:技术易实现且电路简单、电路成本低、有机械手感(有按压后所带来行程变化的按键手感体验)、EMC方面的抗扰能力强。
  缺点:有机械触点寿命限制(金属弹片疲劳失去弹性而失效);触点易受温、湿度环境的影响而氧化;易因接触不良导致按键功能出错或失效;按键盘表面的面板不能防尘/防水/防各类油污的侵入;机械按键的手感;受限于选用的按键和结构的设计,在开关中会有电火花产生的隐患(无法彻底消除煤气泄漏发生意外的安全隐患);多数情况下因结构成本设计问题无法实现将面板做成一整块的按键面板,因此影响产品的整体美观性。
  (2)采用电容触摸按键技术实现方式的优、缺点
  优点:因无机械触点所以按键盘表面可做成一体化面板,因而可以有效解决面板不能防尘/防水/防各类油污的侵入的问题;因采用电容变化检测方式实现按键,所以触摸的反应时间能做到很快,触摸力度也非常小,并且触摸按键相对于传统的机械按键有无机械触点、无磨损、无电火花产生、使用寿命明显延长、占用结构空间少的优点。
  缺点:必需要有电容变化的物体或人体触摸才能触发按键响应(比如用普通钥匙或人手戴了手套就不能触摸了);按键面板表面虽可防尘/防水/防各类油污的侵入,但可能会由于附在按键表面的水/各类油污/液态物体而导致按键原有功能错乱或失效;EMC方面(例ESD、EFT、RS、CS)的抗扰能力综合性能上明显要差于机械按键;附在按键盘上的面板只能是绝缘性的材料,不能采用金属材质的面板;电容键盘PCB布局走线规则多,以及空间结构设计限制注意事项也多,增加了产品开发难度。
  而压电传感按键技术可综合改善因传统机械按键和电容触摸按键所带来的这些问题缺陷,有以下六大优点:
  ?因无机械触点,所以按键盘表面可做成一体化面板,有效解决面板不能防尘、防水、防各类油污的侵入的问题;面板可采用金属材质的面板材料,也可采用绝缘性质的面板材料;一体化成形可随用户定制外形、大小、颜色设计,彰显个性。
  因采用压力形变变化量的检测方式实现按键功能,所以触摸的按压力度相对机械按键更小,并且相对于传统的机械按键有无机械触点、无磨损、无电火花产生、使用寿命明显延长的优点。
  相对电容触摸按键,无需有电容变化的物体或人体触摸才能触发按键响应这个限制(比如用普通钥匙、任何硬件物体、人手戴了手套都能触摸),这点在北方寒冷天气时的按键应用更明显。
  相对电容触摸按键,按键面板不会由于附在按键表面的水、各类油污、液态物体而导致按键原有功能错乱或失效,可正常使用。
  相对电容触摸按键,EMC方面(例ESD、EFT、RS、CS)的抗扰能力综合性能要明显更强,基本可和机械按键的相媲美。
  相对电容触摸按键,键盘PCB布局走线要求更低,且无因空间电磁场影响的结构设计限制,大大降低了产品开发难度。
  压电传感按键的实现
  压电传感按键是通过使用压电陶瓷材料的压电转换效应特性进行应用设计的。压电陶瓷材料具有:压力—电、电—机械力的互转特性,压电传感按键技术主要利用的是压电陶瓷材料的压力—电的这个特性。选用的元器件材料为压电陶瓷蜂鸣片,作为压电转换传感器件,其大小规格可视产品的键盘面板结构设计来定制。压电传感按键技术可实现所有需要用到有关单个按键或多个按键设计的产品开发应用场合,比如楼宇对讲系统中的门口主机的按键面板、分机的按键面板以及其他各种需要有按键输入装置的设备或个人消费产品。
  压电传感按键主要由采集与压电转换、模拟信号预处理、按键信号处理三大部分组成,整体电路实现框图见图1所示。

  图1压电传感按键的电路实现图
  采集与压电转换部分主要功能为:将施加在键盘面板表面上的按压力度,通过面板的形变将力传递给压电陶瓷蜂鸣片,由压电陶瓷蜂鸣片将该力度信号转换为波形不规则的弱电压脉冲信号,并送给模拟信号预处理部分进行处理。压电陶瓷片的结构、面板安装方式与按压点的示意图如图2所示,电路实现见图1中的采集与压电转换部分电路。

  图2压电陶瓷片的结构与安装示意图
  模拟信号预处理部分主要功能为:接收前端采集与压电转换部分传递过来的波形不规则的弱电压脉冲信号,并进行信号检测与比较、信号整形与电平转换等处理。处理完后将输出的矩形波为一个或多个脉宽时间不等的组合电压波形送至按键信号处理部分,进行进一步的识别处理。电路实现见图1中的模拟信号预处理部分电路。
  按键信号处理部分主要功能为:接收前端模拟信号预处理部分传递过来的矩形波信号,并进行按键信号识别预处理、按键信号软件滤波、按键单键响应处理。按键信号处理部分的软件实现流程图如图3所示。

  图3按键信号处理部分的软件实现流程图
  按键信号软件滤波主要是通过TA≤TL≤TB进行条件判断处理实现的,按键单键响应处理主要是通过TH≥TC进行条件判断处理实现的。
  处理完后有效按键的键值通过常用的三种串口通迅方式输出给其他设备模块使用,串口方式有:I2C、UART和SPI,视产品实际需要进行三选一使用。同时按键输出单元给IO驱动接口信号,IO驱动接口则会分别输出电压驱动信号,分别驱动蜂鸣器驱动模块和指示灯驱动模块。蜂鸣器驱动模块主要用于按键发声用,当有效按键被按下时,发出一声响声;指示灯驱动模块主要用于按键状态指示用,当有效按键被按下时,相应键的指示灯亮一下。这两个模块主要是为了提高按键使用体验效果而加入的声、光按键指示电路。
  压电传感按键性能说明
  压电传感按键技术是通过将施加在按键盘面板表面上的按压力度通过面板的形变将力传递给压电陶瓷蜂鸣片,由压电陶瓷蜂鸣片将该力度信号转换为波形不规则的弱电压脉冲信号,再通过相应电路和软件算法实现触摸按键功能。能触发的关键因素只在于是否对压电陶瓷蜂鸣片施加了足够的力度(按键面板的瞬间变形度)和作用时间。根据这个特性,该技术方案不怕EMC方面的环境电磁干扰,也不怕具有磁性或强辐射源器件的干扰,任何物体只要施加足够力度触碰按键都可以触发按键响应,按键面板可以采用金属材质或绝缘性的材质,面板可以采用全封闭的面板,不会由于附在按键表面的水/各类油污/液态物体而导致按键原有功能错乱或失效。
  压电传感按键的按压力度最小可做到30~100gf这个力度之间,而机械按键方式实现的按压力度一般在200~800gf之间,机械按键的标准通用要求为250gf左右。因此相对机械按键,压感按键的按压力度可以做到更小。
  压电传感按键技术的产品实际应用
  目前该压电传感按键技术已成功应用于安防楼宇对讲产品当中,并受到市场用户的一致好评,以下三款产品即是采用了压电传感按键技术的产品,如图4所示。
  15B款门口主机15C款门口主机15D款室内分机

  结语
  通过压电传感按键技术方案实现的按键,在性能上可以综合改善因为机械按键、电容触摸按键各自的应用缺陷问题。极大地提升了楼宇对讲行业领域产品在触摸按键技术应用的性能提升,大大改善了按键的客户使用体验效果,提高了产品在按键方面的产品品质及可靠性与稳定性。同时也提升了产品外观的视觉效果,让产品更显高端、华丽、时尚、金属质感。

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编辑:侯雨婷
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