电子产品按键设计

2024-06-03

电子产品按键设计（精选六篇）

电子产品按键设计篇1

塑料按键是电子产品所有塑料件中最敏感的一个零部件。它要求材质韧性强、弹性好, 一般塑料按钮使用的材质大都为ABS。

为保证弹性良好, 在设计时, 连接筋的胶厚一般设计为0.6~0.8mm。

同时, 对产品成形时的要求也很高, 除了要避免一些常见的塑料缺陷外, 其中特别要注意的是变形、披锋, 另外还有一种状况就是按钮在经过一段时间后才出现破裂现象, 这种情形可能是设计者在设计时, 水口设计过小, 或者是水口位设计不恰当, 造成产品水口部残留过大的内部应力而导致, 因而要考虑加大水口位或者调整水口位置。

还有一些重要的尺寸, 它的精度也要求严格控制, 一般在0~0.05mm以内。

塑料按钮从其组成结构上可分为独立按钮与组合按钮。

实际装配按钮时, 一些常存在的问题点主要有:

(1) 手感不良; (2) 按键松动、连动; (3) 按键卡死

1 独立按钮

独立按钮从功能上可分为单功能按钮、双功能按钮、多功能按钮。

1.1 单功能按钮

单功能按钮的设计与组装相对来说都比较单纯。一般来讲, 造成按钮手感不良 (/卡死) 的主要原因都是因为塑料在成形时的一些缺陷所引起的, 诸如上面提到的变形、披锋、充填不足等等。因此要解决好的话, 就一定要控制好产品的成形, 尽可能地做到与我们的设计状态一致。典型结构如图1所示。

1.2 双功能按钮

双功能按钮也就是所谓的一个按钮上存在两个功能。它在设计时外形通常都设计成为圆形 (如图2所示) 。或者是方形

如图2所示的按钮在与面板装配时, 它在任何状态下相对于面板来说都有一个平衡性 (相对平面度) , 这个平衡性主要靠与之相对应的PCB上的两个开关的弹性来控制, 塑料在成型时有一个脱模斜度, 因此在设计时就要进行充分考虑。

如图3所示的按钮, 它与面板组装是属于卡轴式组装, 按钮卡在面板上的轴上固定, 按钮上的塑料孔位与面板上面的轴之间必须紧密配合, 误差范围要控制在0~0.05mm以内, 否则就会造成按钮动作时松动, 所以在设计时应该充分考虑。

1.3 多功能按钮

多功能按钮是一个按钮上存在多个功能。产品设计中, 它的外观通常设计成为圆形或方形, 且一般功能对称 (功能数为偶数, 多功能按钮因为功能较多, 因此相对来说, 它的体积都较大, 结构也较为复杂, 所以在设计时更加注意合理性, 产品在成形时严格控制成形条件。它设有四个功能, 这类的按钮经常出现的问题有:

(A) 松动

松动的原因, 主要是按钮与面板组装时, 面板上的定位柱偏小, 或者按钮上的定位孔偏大, 二者之间不能紧密配合。解决比较简单, 将定位柱加大或将定位孔减小, 一般采用定位柱加胶的方式。

(B) 部分按钮无手感

部分按钮无手感的原因:a.作业不良, 如PCB板按钮开关没有焊好等。b.PCB板变形。c.钮本身变形也很关键, 一般说来, 这种壳体多腔壳体制品采用多点进料的方式, 可以防止型芯 (模具上) 受力不均匀而倾斜变形, 并且设置浇口时 (模具上) 采取对角线设置, 可以改善收缩引起的制品变形, 这些可以作为处理改善按钮变形的一些参考。d.由于按钮的周边同面壳发生干涉而引起的手感不良, 在面壳的下面做一个台阶位, 能起到防止干涉作用。

按钮功能紊乱也是按钮连动的一个结果。以四方按钮为例, (从结构上来讲) 按钮功能紊乱与否关键取决于按钮正中间的支撑柱, 按钮工作时, 要使得支撑柱与PCB充分接触才能保证不会有连动, 因此塑料成形时要严格控制好此支撑柱的尺寸误差范围在0~0.05mm以内。

2 组合按钮

这里所说的组合按钮指的是两个或两个以上的按钮通过一条肋组合而成, 每个按钮功能各异。组合按钮原则上是各个按钮要求高度一致, 这在设计上一般没问题, 也主要是靠在塑料成形时要保证好。

浅谈数字按键在家电产品上的应用篇2

如今随着人民生活水平的不断提高, 各种家电产品开始走进平常老百姓的家庭。小到电饭锅、电磁炉、电水壶, 大到洗衣机、电冰箱、空调等, 家电产品正在不断地提高我们的生活质量, 让我们享受到社会进步所带来的高品质生活。

而数字按键就是所有家电产品上最常见的一个部件, 与用户的使用密切相关。本文就各种不同类型的数字按键在家电产品上的应用进行分析, 探讨在家电产品开发过程中对数字按键的选型。

2、数字按键的作用以及重要性

在通常情况下, 用户可以通过数字按键、遥控器以及触摸屏等用户界面对家电产品进行操作。

数字按键作为一个最基本、最常用的输入设备, 在各种家用电器上最为常见。通过数字按键, 可以将用户的操作转换成为MCU可以识别的数字信号, 从而使用户能够对家电产品的各种功能、状态进行选择, 实现家电产品的其固有功能。

基本所有的家电产品的数字按键检测电路都由一个或者多个按键组成。受外观要求及设计区域限制, 通常还需要用到组合、连击等按键方式, 以实现家电产品日益增多的功能。常用的按键处理方式归纳如下:

当某一个按键失效时, 用户将无法对这个按键对应的功能进行设置, 由此可见, 数字按键是连接用户与家电产品的重要桥梁之一, 在家电产品上具有相当重要的作用。

3、传统的机械按键

传统机械按键的常用原理图如图1所示, 其中R1通常470~510Ω, R2通常为5.1k~10kΩ。其基本原理为:当按键处于断开状态时, 按键所连接到的IO口通过电阻R2被上拉到高电平;当按键被按下时, 按键处于导通状态, IO口通过电阻R1连接到地, IO口检测为低电平, 这样就完成了一次“1、0”的数字信号转换, 程序转去执行该按键所对应的功能。

该电路中的C1主要是起滤波作用, 用于吸收按键动作过程中产生的抖动, 通常选用0.1uF。

传统的机械按键凭借着其简单的控制原理、低廉的成本以及较高的可靠性, 受到广大家电厂商的青睐, 被广泛用于各种各种的家电产品上, 是各种家电产品开发的首要选择。但是, 传统的机械按键也存在着以下的缺点和不足:

(1) 具有运动部件, 其运动部件会随着产品的长期使用而受损、变形, 从而导致按键失效, 耐用性不够强;

(2) 由于其运动部件的存在, 会导致该产品无法实现外观一体化, 难以满足用户对产品一体化理念的要求;

(3) 按键内部的金属部件容易受到使用环境的影响, 容易由于受潮而失效。

4、触摸按键

与传统的机械按键相比, 触摸按键颠覆了传统意义上的机械按键控制, 只要轻轻触碰, 就可以实现对按键的开关控制、量化调节甚至方向控制, 而且具有美观时尚、寿命长、功耗小、成本低等诸多优点。现在触摸按键已经广泛应用于各种家电产品上。

按技术原理进行分类, 目前市面上主要有电阻式触摸按键和电容式触摸按键。

4.1 电阻式触摸按键

电阻式触摸按键与电阻式触摸屏技术非常相似, 需要在按键表面贴一张触摸薄膜, 当该触摸薄膜受到的压力足够大时, 薄膜上下两层接触在一起, 芯片检测到到的电阻发生改变, 从而检测到按键信号。电阻式触摸技术主要应用于触摸屏上, 单个按键的情况较少使用。

电阻式触摸按键可以使用任何物体进行触摸, 具有较好的稳定性, 但是其外层的薄膜容易被划伤, 从而导致触摸按键不可用, 耐用性较低, 已经被越来越多的厂家所抛弃。

4.2 电容式触摸按键

电容式触摸按键简单而言就是通过检测按键电容的大小变化来实现按键检测的。

电容式触摸按键通常如图3所示, 中间的铜皮为感应区与检测电路相连, 周围的铜皮与大地相连。这样在周围环境不变的情况下, 在按键的铜皮与大地之间会存在一个基本稳定的基准电容C基准;而当人的手指按上按键后, 由于人体的导电性, 会在按键与人体之间产生一个较大的感应电容C感应, 检测电路检测到电容的大小变化之后将模拟信号的变化转为数字信号的变化, 并且执行按键处理, 从而实现按键的功能。

4.3 使用专用IC实现电容式触摸按键

目前市面上有很多专门用于电容式触摸按键的专用IC。这些专业IC提供单通道、双通道、4通道、8通道甚至更多通道的按键输入;除了普通模式之外, 还能够提供矩阵模式和串行模式, 具有简单易用、功能更强大的特点。

除了基本按键功能外, 这些专业IC还提供按键去抖、输出电平可选、灵敏度可调以及自动校准等功能。其中自动校准功能使得触摸按键能够智能得根据实际环境情况进行自动调整, 使触摸按键系统更加稳定、可靠。

使用专用IC能够在只更改硬件的情况下就实现电容式触摸按键, 软件无需做任何更改, 可以直接将原有软件直接移植到触摸按键产品上, 大大地缩短开发周期, 使产品在激烈的市场竞争中占得先机。

4.4 利用RC充放电原理实现电容式触摸按键

如图2所示, 利用两个普通IO口对按键电路的充放电回路进行控制。在通常情况下, 按键上的基准电容C基准通过电阻R2进行充放电, 其周期是基本稳定不变的;当人手触摸按键时, 充放电回路上的电容为C基准+C感应, 由于容值增大, 回路的充放电时间也增大, 通过检测电容的充放电时间即可以实现按键检测。

利用RC充放电原理, 使得任意一款8位单片机都可以作为电容式触摸控制器来使用。相对于传统的机械按键电路, 这种电容式触摸按键实现方式仅仅多占用了一个普通IO口, 而且其外围电路极其简单, 只需要在每一个通道增加一个电阻即可, 具有成本低廉的特点。

5、结语

数字按键作为家电产品上最基本的输入设备, 是连接用户和家电产品的重要桥梁, 数字按键的可靠性在家电产品上起着举足轻重的作用。因此, 我们在实际开发过程中, 除了需要考虑成本、外观以及开发周期等因素外, 更加应该注意按键的可靠性和耐用性。只有成本低、外观时尚、可靠性高的产品才能够满足用户对家电产品的需求, 才能在竞争日益激烈的家电产品市场占一席位。

摘要：数字按键作为一个最基本、最常用的输入设备, 被广泛应用在各种家电产品上, 是用户与家电产品沟通的重要桥梁。用户通过数字按键对该产品进行设置、使用, 按键的失效会直接导致该按键所对应的功能无法使用。因此, 家电产品对按键的可靠性具有较高的要求。

关键词：数字按键,触摸,家电

参考文献

[1]田野, 廖明燕.基于充放电原理的容式触摸按键设计.电子设计工程, 2010, 10:142-144.

[2]管瑞, 周龙, 陈雄.基于张弛原理的JST080触摸按键的优化设计.武汉工业学院报, 2010, 12:60-63, 77.

[3]电容式触摸按键的按键扩展方法.http://www.ti.com.cn/cn/lit/an/zhca078/zhca078.pdf.

FPGA按键模式的研究与设计篇3

1 FPGA按键模式的分类

常见的按键模式分为单键模式和复键模式两类。所谓单键类,就是一次按键最多只能输出一个有效键;而复键类,则指一次按键可以输出多个有效键,通常通过按键时间的长短来区别多个有效键。

单键类一般有三种按键模式:琴键模式、脉冲模式、乒乓模式。在琴键模式下,按下键时输出有效电平,释放键时输出无效电平。在脉冲模式下,每按下一次键只输出一个特定宽度的有效脉冲,其宽度常与时钟宽度相同,可以直接用做计数脉冲。在乒乓模式下,每按下一次键,键输出电平翻转一次。

复键类按键一般有连发模式和长键模式。复键类按键在按键持续时间未达到长按阈值时,输出效果与单键类按键模式相同。与单键类按键模式的不同之处在于对持续按键的不同处理方式。连发模式是指持续按键一定时间以上,以一定频率重复输出有效键值。长键模式则是指持续按键达到一定时间以上,输出另外一种不同的有效键值。为方便对比,将几种按键模式的分类情况列在表1中。

2 单键类按键模式的设计

2.1 琴键模式的设计

琴键模式是所有按键模式中相对最简单的一种,只要考虑到按键的去抖问题就可以了。机械按键的抖动是由于触点的弹性作用在开关切换的瞬间出现来回弹跳的不稳定现象,通常抖动的时间为10ms~20ms。在FPGA设计中,比较简单的去抖方法就是用50Hz的频率采样按键,将20ms以内的按键抖动滤掉。在这种消抖方式下,去抖电路非常简单,用D触发器即可方便实现。其寄存器传输级(RTL)原理图如图1所示。

不失一般性,假设按键输出高电平有效(下同),经QuartusⅡ7.2功能仿真,得到其仿真波形如图2所示。从波形图可以看出,当键Key In按下时,在时钟信号Clock_50Hz的上升沿到达后,输出信号Key Out持续为高电平,直到释键后输出才变为低电平。Key In比较密集的脉冲代表按键或释键的抖动,从输出信号Key Out的波形可以看出按键与释键过程的抖动均已去掉,处理后键值输出的电平变化均与时钟信号的上升沿同步。

2.2 脉冲模式的设计

与琴键模式相比,脉冲模式的不同之处就是对其按键输出有效电平限定了一个宽度,通常取时钟宽度,即为一个时钟宽度的脉冲。在琴键模式输出的基础上,再增加一个数字的微分环节,就可以获得较窄宽度的脉冲。假设以正脉冲表示有效脉冲输出(下同),其RTL原理图如图3所示。图3左边的D触发器Key Temp起到延迟的作用,它与Key Out~0一并实现微分效果,检测出上跳沿。图3右边的触发器Key Out~reg0则完成去抖功能。

仿真后的输出波形如图4所示。从脉冲模式的仿真波形图中可以看出,完成一次按键动作(包括按键和释键),获得一个时钟宽度的正脉冲。为体现按键的灵敏性,正脉冲的输出尽量靠近按键动作,通常在检测到跳沿时即输出正脉冲,正如图4中Key Out所示信号。

2.3 乒乓模式的设计

在单键类按键模式中,乒乓模式与其他两种模式的区别在于它的输出并非是一次特定的有效脉冲,而是带有输出电平记忆功能,结果与原输出电平相关,将原来的电平翻转,即高电平变为低电平,或者低电平变为高电平,每次按键输出电平翻转一次。乒乓模式的电路只需在有效跳沿检测的基础上,再跟上一个T’触发器做一个电平翻转即可,其RTL原理图如图5所示。图5右边的D触发器Key Out~reg0构成T′触发器的翻转功能,同时兼去抖作用。

乒乓模式电路仿真后的输出波形如图6所示。从乒乓模式的仿真波形图中可以看出,完成一次按键动作(包括按键和释键),输出信号Key Out的电平翻转一次。

3 复键类按键模式的设计

3.1 连发模式的设计

连发模式的按键过程分为两个阶段。两个阶段的划分以预先设定的按键时间tTH为阈值,当按键持续时间小于tTH时,输出处于单键值阶段,可以为琴键模式的有效电平,也可以为脉冲模式的有效脉冲。当按键持续时间大于tTH时,通常输出一个一定频率的脉冲序列,直到释放按键为止。连发模式的设计较单键类模式复杂,通常用硬件描述语言完成。其设计的控制核心可以用一个有限状态机(FSM)表述,如图7所示。该FSM包括“空闲”、“单键”和“连发”三个状态。空闲态是初始状态,没有键按下时总是处于空闲态。单键态表示有键按下,但是按键持续时间不到tTH。当键持续按下时间超过tTH时,系统处于连发态。在空闲态,系统输出低电平;在单键态,系统输出一个正脉冲(也可以根据要求输出有效电平);在连发态,系统输出一个特定频率的脉冲序列。

连发态下序列的输出频率是依据自己的应用要求设定的。阈值tTH的大小表征人按键时间的长短界限,通常选1~3s,比较符合人的按键习惯。为方便仿真,假设阈值tTH=1s,1s内输出一个时钟周期宽度的正脉冲,1s后以10Hz的频率输出宽度为时钟周期的正脉冲序列。按照有限状态机采用Verilog硬件描述语言进行设计(设计代码略去),设计综合后的仿真输出波形如图8所示。图8中的信号Key In模拟出两次按键过程,前两个“黑块”分别代表一次按键及释键过程,由于按键持续时间短,系统只输出一个正脉冲信号。第二次按键动作从第3个“黑块”处开始,并一直持续按下不放,可以从Key Out信号波形上看出,先输出一个正脉冲,等待1s后,开始输出频率为10Hz的脉冲序列。

3.2 长键模式的设计

长键模式的按键过程与连发模式基本相同,其状态转换示意图如图9所示。比较图9与图7,差别仅在于图7的连发态换成了图9的长键态,用以区别两者在此时不同的状态输出。

长键模式的仿真波形如图10所示。为有效表示长键模式在长键态时的输出,引入第二个输出信号KeyOut L。当按键处于单键态时,Key Out输出为高电平(也可以是有效脉冲),否则为低电平。当按键处于长键态时,Key Out L输出为高电平(也可以是有效脉冲),否则为低电平。

按键是最不可缺少的人机交互设备之一。按键的去抖与模式处理是最基本的两个按键处理问题。在FPGA系统的设计背景下,按键的两个基本问题常放在一起考虑,但是目前国内的文献资料对这种情况的论述很少。

本文针对FPGA设计中使用按键的常见方式进行归纳概括,提出单键复键两类共5种典型的按键模式,并对每种按键模式进行了分析与设计,同时给出了Quartus II7.2下的功能仿真结果。这几种典型的按键模式在一般的嵌入式系统设计中也是值得借鉴与参考的。

参考文献

[1]谷长龙,李小英.基于FPGA器件的消除按键抖动方法研究[J].吉林化工学院学报,2006,23(3):53-55.

[2]方龙,肖献保,李威.关于消除按键机械抖动的研究[J].广西轻工业,2008(1):92,105.

[3]王志辉,林水生.基于FPGA的键盘扫描模块的设计与实现[J].国外电子元器件,2006(5):67-69.

基于DPSD的红外开关按键的设计篇4

很多工业现场存在易燃易爆气体, 从而要求现场使用的工业仪表具有隔爆功能, 即仪表内部产生一定的爆炸或者火花等, 不会引燃外界的可燃气体。而作为仪表的人机交互的重要组成部分的按键往往是隔爆的薄弱环节, 传统的隔爆按键主要有电磁感应式按键和直流驱动的红外光电开关按键。前者对隔爆距离的要求比较苛刻, 一般在隔爆介质的厚度超过10 mm时按键变得很不灵敏而且在隔爆介质厚度不一时需要重新配置参数, 通用性较差。后者采用直流驱动光电开关, 对外界红外光的辐射很敏感, 在灯光或者自然光照射下容易产生误按键, 影响仪表的正常使用。

我们开发的基于数字相敏检测 (DPSD) 的红外光电开关按键能较好地解决以上问题, 能在表面介质反射量或者介质厚度变化自动适应, 同时能有效地处理表面光照的干扰, 性能可靠, 可以很好地满足工业产品的按键部分对于隔爆的需求。

2 技术原理

锁定放大器 (Lock-in Amplifier) 是微弱信号检测的一种方法, 它能够在强背景噪声中有效提取某一频率的微弱信号, 可以认为锁定放大器是一种带宽极窄的带通滤波器, 本质上它是一种实现互相关检测的仪器。锁定放大器的核心是相敏检测 (PSD) , 可分为模拟相敏检测 (APSD) 和数字相敏检测 (DPSD) [1]。

DPSD是最近十多年广泛应用的技术, 其原理是将待测信号转为数字信号, 采用软件或硬件对其进行相敏检测, 其核心算法仍然是互相关和滤波器, 其硬件基础是AD转换器和处理器 (MCU、DSP、PC等) [2]。

由于被测信号和参考信号之间的相位差θ不容易精确控制, 因此目前的数字锁相放大广泛采用正交双通道参考信号互相关的方法。

如图1所示, x (t) 为被检测信号, 参考信号r1 (t) 和r2 (t) 为与被测信号同频且相位相差90°的正弦信号, 即r1 (t) =Arsin ωt, r2 (t) =Ascos ωt (其中Ar为基准信号幅度;As为被检测信号幅度) 。r1 (t) 和r2 (t) 分别和x (t) 做互相关运算, 其中Rxr1和Rxr2为信号的分量, t为时间:

$R_{x r_{1}} (0) = \frac{1}{Τ} \int^{Τ}$ 0 $x (t) r_{1} (t) d t = \frac{A_{r} A_{s}}{2} \sin θ (1)$

$R_{x r_{2}} (0) = \frac{1}{Τ} \int^{Τ}$ 0 $x (t) r_{2} (t) d t = \frac{A_{r} A_{s}}{2} \cos θ (2)$

由式 (1) 、式 (2) 得到被测信号的幅值As:

$A_{s} = \frac{2 \sqrt{R_{x r_{1}}^{2} + R_{x r_{2}}^{2}}}{A_{r}} (3)$

将上述过程离散化, 就可得到DPSD算法:

$R_{x r_{1}} = \frac{1}{Ν} Σ_{n = 1}^{Ν} x (n) r_{1} (n) (4)$

$R_{x r_{2}} = \frac{1}{Ν} Σ_{n = 1}^{Ν} x (n) r_{2} (n) (5)$

式中:x (n) ——被测信号x (t) 通过AD转换后得到的信号序列;r1 (n) 和r2 (n) ——参考信号序列, 相位相差90°;n——采样长度。

将式 (4) 、式 (5) 代入式 (3) 即可得到被测信号幅值分量Rxr1和Rxr2。

3 系统结构

系统的软件硬件设计如图2、图3所示。

CPU通过对直接数字式频率合成器 (DDS) 的配置使其产生信号s (t) =Arsin ωt (其中ω为2 kHz, 幅度Ar为2 V) , 用s (t) 信号驱动红外光电管。同时CPU通过外部AD以固定频率对被检测信号s (t) =Assin ωt以及参考信号r (t) =Arsin (ωt-θ) 采样, 其中两个信号采样之间的延时为125 μs, 从而保证信号之间的相位差为90°。通过采样得到的信号分别为x (n) , r1 (n) , r2 (n) (其中x (n) 为被测信号通过AD转换后得到的信号序列;r1 (n) , r2 (n) 为参考信号序列) 。然后通过软件计算 (式 (3) ) 得到被检测信号的幅度。通过对被检测信号幅度的判断即可得出表面的反射量, 从而判断按键的有效性。

4 按键性能试验及结果分析

在系统设计完成之后我们对所做的按键在不同的表面介质以及在表面介质处于不同的情况下进行了性能测试, 同时也测试了用直流方式驱动的红外按键的性能。测试结果表明:基于DPSD方式的红外光电开关按键具有较好的抗干扰能力, 同时在表面介质变化时不需要重新设定参数, 能够适应表面介质的变化。试验结果如表1所示。

注:表面玻璃厚度为10 mm洁净干燥。

表1试验结果数据表明:未选用DPSD技术的普通红外按键, 易受各个频段信号的干扰, 稳定性及抗干扰能力差, 所以按键的识别能力较低, 甚至在外界信号过强时, 无法识别按键操作, 完全不能满足苛刻的工业现场仪表的应用需求。

表2试验结果数据表明:选用DPSD技术的隔爆红外按键, 在不同频段信号的干扰下, 仍然能够准确灵敏地识别出被检测信号 (按键动作) , 稳定性及抗干扰能力强, 完全能够满足苛刻的工业现场仪表的应用需求。

注:表面玻璃厚度为10 mm洁净干燥。

5 隔爆开关按键的应用

设计了一款基于DPSD技术的反射式隔爆红外开关按键, 通过在多个天然气净化厂现场的长期应用表明, 在外界普通光照干扰或者表面物体经过 (距离按键表面超过15 cm) 时, 该按键出现错误识别按键操作信号的几率小于0.01%, 表明该按键具有很高的灵敏度的同时也具有很好的抗干扰能力。通过类似隔爆条件下红外按键的成功应用, 大大扩展了DPSD技术的应用领域, 该技术具有广泛的应用前景, 可以创造很高的社会经济效益。

摘要：针对传统隔爆按键的不足, 阐述基于数字相敏检测 (DPSD) 的红外光电开关隔爆按键的技术原理、性能优势和系统结构。基于DPSD的红外开关按键在有隔爆需求的工业仪表中的成功应用, 表明其在抗干扰以及对按键表面物质的适应方面有较大的优势。

关键词：DPSD,红外光电开关,隔爆按键

参考文献

[1]曾庆勇.微弱信号检测[M].杭州:浙江大学出版社, 1996.

一种多方向导光按键结构设计篇5

目前, 车载音响设备上的多方向按键组件包括多个按键支架、多个装饰条及一个固定在电路板上的圆形编码器, 其中, 多个按键开关分别固定在电路板上且位于圆形编码器的中空位置处, 按键支架位于圆形编码器中空位置的正上方、且分别与按键开关对应设置, 按键支架通常为黑色不透光材料制成、为按键开关提供导向和支撑作用, 装饰条固定在控制器的前封盖上, 常分布在按键帽之间、起到装饰还有分隔各方向按键帽的作用;因为受到圆形编码器的尺寸限制, 位于其中空位置处的多个按键相互之间的间距非常小, 从而直接影响背光LED的分布, 由于按键组件整体结构过于紧凑, 常会出现错按键帽的问题, 而且按键的间隙处常会出现漏光的现象, 从而影响执行按键的准确性及整体的视觉效果。

1 结构设计分析

多方向导光按键结构, 包括设置在PCB电路板上方的编码器、固定在编码器中空位置处的按键支架、设置在按键支架顶部的键帽组件、及位于所述按键支架尾端下方的背光LED和按键开关, 所述键帽组件包括一个位于编码器中空位置上方的第一键帽及多个均匀环绕分布在第一键帽周围的第二键帽, 按键支架的顶部一体凸出形成有多个呈均匀分布的分隔条, 第二键帽与分隔条呈紧密相邻设置。在优选的实施例中, 所述第一键帽和第二键帽的顶部表面上分别设置有可透光的字符;所述按键支架将设置在其尾端下方的背光LED发出的光源进导出。本文提出的设计有益效果在于:

(1) 通过将分隔条与按键支架合为一体, 能够有效的避免按错键帽, 且有效地节省了开模成本;

(2) 按键支架采用透光材料制成, 因此从键帽缝隙间发出的背光会直接照亮按键支架及其顶端的装饰条, 使得整个按键结构的背光效果更佳绚丽, 更有层次感, 同时亦可掩盖键帽间隙漏光的问题。图1 为一实施例中多方向导光按键结构的分解示意图。

2 具体实施方式

请参见图1, 一种多方向导光按键结构, 其至少包括编码器30、按键支架10、键帽组件20 和背光LED40, 其中, 编码器30和背光LED40 均设置在PCB电路板 (图未视) 上, 按键支架10的尾端穿过编码器30 的中空位置31 并使按键支架10 固定在该中空位置处31, 键帽组件20 可分离固定在按键支架10 的顶端。键帽组件20 包括一个大致呈圆柱状的第一键帽21、及多个均匀环绕设置在第一键帽21 周围的第二键帽22, 整个键帽组件20 呈现以第一键帽21 为中心、多个第二键帽22 为不同方向的多方向结构。按键支架10 的顶端且朝向所述键帽组件20 的位置处一体凸出形成有个多呈均匀分布的分隔条14, 第二键帽22 与该分隔条14 呈紧密相邻设置, 以使分隔条14 有效的将多个第二键帽22进行分隔。按键支架10 大致呈圆筒状, 其内部包括一用于容纳第一键帽21的第一通道11 及多个环绕该第一通道11 的第二通道12, 其中第二通道12 用于容纳第二键帽22, 分隔条14 设置在相邻的两个第二通道12 的交界处. 第一键帽21 和第二键帽22 的尾端分别形成有可与按键支架10 扣合固定的第一卡扣211 和第二卡扣221, 按键支架10 的尾端形成有可与编码器30 扣合固定的第三卡扣13。第一键帽21 和第二键帽22 的顶部表面上分别设置有可透光的字符, 背光LED发出的光线可通过该字符导出。按键支架10 采用透光材料制成, 用于将设置在其尾端下方的背光LED发出的光源进导出。

3 结论

综上, 本文提出的多方向导光按键结构, 通过将分隔条与按键支架合为一体, 能够有效的避免按错键帽, 且有效地节省了开模成本;并且按键支架采用透光材料制成, 从键帽缝隙间发出的背光会直接照亮按键支架及其顶端的装饰条, 从而使得整个按键结构的背光效果更佳绚丽, 更有层次感, 同时亦可掩盖键帽间隙漏光的问题。

参考文献

[1]卢耀祖, 郑惠强, 张氢.机械结构设计.同济大学出版社.2009-9-1

电子产品按键设计篇6

随着现代电子技术尤其是人机接口技术的不断发展,触摸式按键在电子产品和手持式仪器中得到越来越广泛应用。相对传统的机械式按键,触摸式按键具有明显的技术优势,不但系统硬件结构简单,生产成本低,而且在使用中不易磨损损坏,提高了按键的使用寿命。此外触摸式按键还可以增加产品外观设计的灵活性,提升产品的品质。本文提出了一种基于WTC6216ASI集成电路的触摸式按键设计方案,具有较高的实用性。

1 电容式触摸按键工作原理

触摸式按键可分为电阻式触摸按键和电容式触摸按键。任何两个导电的物体之间都存在着感应电容,一个按键即一个焊盘与大地也可构成一个感应电容[1],在周围环境不变化的情况下,该感应电容值是固定不变的微小值。当有人体手指靠近触摸按键时,人体手指与大地构成的感应电容并联焊盘与大地构成的感应电容,会使总感应电容值增加[2]。触摸按键芯片在检测到某个按键的感应电容值发生改变后,将输出某个按键被按下的确定信号。

WTC6216ASI集成电路是为实现人体触摸界面而设计的电容式触摸感应芯片,最多能支持16个相互独立的触摸式按键。使用WTC6216ASI集成电路设计的触摸式按键功耗小,外围元器件少,硬件电路结构简单,其提供的对应输出能与单片机直接接口。WTC6216ASI集成电路自身的设计涵盖了EMI/EMC及高抗噪声电路,抗干扰能力强,可以自动克服由于静电放电、电磁干扰或污染物在键盘表面堆积所带来的干扰。同时该电路具有环境温度和环境湿度的自适应能力,能在各种恶劣环境下提供良好的精确性和操作的一致性,工作性能稳定。此外,WTC6216ASI集成电路还具有相邻按键的抑制功能,可以防止相邻按键之间因相互干扰而产生的误动作,可使用在按键间距较小的密集型键盘(按键间距不小于2 mm)上,在日常生活的电子产品和手持式仪器设计中完全满足技术上的要求。

WTC6216ASI使用高精度16位数字电容转换器(CDC)检测焊盘(电容传感器)上感应电容值变化来识别人体手指的触摸动作。数字电容转换器将检测数据输入到内嵌的RISC处理器,RISC处理器通过可靠的高效算法对检测数据进行处理。当RISC处理器判断感应盘上有有效触摸发生时,会在100 ms内发出相应的指示确定某个按键被按下,方便系统根据按键进行操作控制。WTC6216ASI发出的指示包含两个部分:被按下按键的BCD编码和按键被按下有效指示状态。引脚data3～data0是输出确定被按下按键的BCD编码,引脚out_flag是输出按键被按下有效指示状态,其中“1”表示无有效按键被按下;“0”表示有按键被按下。引脚out_flag与引脚data3～data0的时序输出关系如图1所示。

2 触摸式按键的硬件设计

触摸式按键的硬件电路由主控电路、按键背光电路和触摸按键检测电路等三个部分组成如图2所示。

主控电路选用在系统可编程的STC89C52单片机,该单片机具有512 B的片内RAM数据存储器,8 KB片内FLASH程序存储器,完全能够满足系统程序运行和数据存储的需要。此外该单片机宽电压工作,抗干扰能力强,能在电源环境比较恶劣下稳定的工作。

该触摸按键检测电路支持检测12个相互独立的触摸按键。由于WTC6216ASI芯片最大支持可使用16个相互独立的传感器通道,为保证WTC6216ASI能正常稳当的工作,空置不用的传感器通道不能悬空,必须将它们并联接在一起后用一个10 kΩ的上拉电阻与WTC6216ASI电源连接。触摸按键的灵敏度由连接在引脚CSEL上的电容调节决定,而电容值的大小一般由键盘上的隔离介质厚薄决定,隔离介质越厚则电容值越大,一般取电容值在0.047～0.08 μF之间。同时为获得测量效果最稳定,引脚CSEL上的电容最好使用温度系数较小、精度5%的涤纶电容,并且在PCB布线时引脚CSEL上的电容要尽量靠近WTC6216ASI芯片。按键背光电路则用来指示系统在当前工作状态下键盘的有效触摸按键。

由于WTC6216ASI芯片传感器通道测量的是电容的微小变化,因此对供电电路的稳定性有较高的要求。在设计供电电路时要求电源的纹波和噪声要小,注意避免由电源串入强干扰。当触摸式按键直接使用主机的5 V电源时,要在WTC6216ASI芯片使用的电源之前加电源滤波电路,如图3所示。该电路抑制电源噪声的能力较好,但连接较大的负载时容易产生自激,因此,此电源滤波电路除对WTC6216ASI芯片供电外最好不要接其他负载。

3 触摸式按键的软件设计

根据上述触摸式按键的硬件电路原理图,该触摸式按键只支持12个相互独立的按键,如系统所需的按键数超过12个,则在软件上可以对按键进行分页面处理来扩展按键的键数。软件设计最主要是不断对引脚out_flag输出的按键被按下有效指示状态进行扫描,一旦确定有有效按键被按下,则立即读取按键的BCD码键值,并根据按键页面转换标志转换相应页面的键码,系统再根据键码发出操作控制指令,同时开当前状态下键盘上有效触摸按键的背光。虽然触摸按键的灵敏度由连接在引脚CSEL上的电容调节决定,但是为获得更合适的触摸按键的手感,在测量是否有按键按下的效果更稳定,有必要在软件上对触摸按键的灵敏度进行更加细腻的调整。软件处理触摸按键的程序流程图如图4所示。

4 PCB板的设计

WTC6216ASI芯片传感器通道测量的是电容的微小变化,因此对PCB板设计具有一定的要求。键盘单个感应盘导体在PCB板上可以做成任意形状,但为尽量避免导体的尖端放电效应,应尽可能采用圆弧形的边沿,一般设计成直径为10 mm的圆形。同时感应盘与WTC6216ASI芯片的连线应尽量短而细(0.1～0.3 mm),不要跨越其他信号线,尤其是高频、强干扰的信号线[3],最少与信号线之间保持有0.5 mm以上的距离。键盘的各个感应盘的形状、面积应该相同,并且到WTC6216ASI芯片的距离基本上一致,以保证触摸灵敏度的一致性。此外各感应盘的距离应该尽可能地远离一点,以减少相互之间的干扰,也可用覆盖地隔开,并且在感应盘的背面也覆盖一层地,以减少电磁干扰[4]。

5 结语

在人们日常生活中电子产品和手持式仪器中触摸式按键的应用越来越广泛。本文基于WTC6216ASI芯片设计带背光的触摸式按键,其硬件电路简单,所用的外围元器件较少,生产成本低,抗干扰能力强,工作性能稳定,在市场上具有较高的竞争优势。同时相对传统的机械式按键具有外形美观,故障率低,使用寿命长,对成熟的电子产品、手持仪器的升级换代和开发新的电子产品具有较高的实用性。

摘要：为降低电子产品的生产成本,美化电子产品的外观,提升电子产品的品质,设计了一种基于单片机与WTC6216集成电路相结合带背光的人体触摸式按键电路。该电路的特点是外围元器件少,与单片机接口电路简单,且微功耗、抗干扰能力强、工作性能稳定、安装工艺简便等,可用于制作间距较小的密集型键盘,因而对于消费电子产品和手持式仪器设计具有较高的实用性。

关键词：键盘,触摸按键,WTC6216,消费电子产品

参考文献

[1]何燕东.电容式触摸感应技术中的电容物理学[J].电子产品世界,2009(8):17-18.

[2]邱兆平.基于PIC16F72X触摸按键设计[J].新财经,2010(5):183-184.

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