壓電圓片式鍵盤(pán)設(shè)計(jì)方案

一、引言

壓電圓片式鍵盤(pán)是一種采用壓電圓片作為傳感器和蜂鳴器的鍵盤(pán)，它能夠檢測(cè)到輕微的壓力變化，并具備防水和防破壞的特性。本文將詳細(xì)介紹壓電圓片式鍵盤(pán)的設(shè)計(jì)方案，包括主控芯片的型號(hào)及其在設(shè)計(jì)中的作用。

二、壓電圓片的選擇與配置

1. 壓電圓片的選擇

   壓電圓片是鍵盤(pán)傳感器的核心部分，通常也被用作蜂鳴器。在本設(shè)計(jì)方案中，選擇使用Murata公司的7BB-35-3型號(hào)壓電圓片。該圓片的外直徑為35mm，傳感區(qū)域的直徑范圍約為20mm。

2. 壓電圓片的配置

   壓電圓片被放置在PCB（印刷電路板）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)。為了將圓片固定在PCB上，采用了一層3mm厚的自粘型泡沫橡膠。該組件需施加合理的壓力夾在前板的背面。

三、壓力傳遞與檢測(cè)機(jī)制

1. 壓力傳遞

   當(dāng)用戶(hù)用手指觸摸外板（如不銹鋼板）時(shí)，鋼材會(huì)輕微變形，這種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。

2. 電壓檢測(cè)

   壓電圓片的較小電極連接至微控制器的ADC（模數(shù)轉(zhuǎn)換器）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(kāi)始處于高阻抗?fàn)顟B(tài)的其他端口輸入（如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（如P3），而得到低阻抗值。

   當(dāng)手指按壓圓片至輕微變形時(shí)，供給ADC輸入端的電壓降低。微控制器通過(guò)連續(xù)掃描ADC輸入來(lái)檢測(cè)這種電壓變化。

四、主控芯片的選擇與作用

1. 主控芯片的型號(hào)

   在本設(shè)計(jì)方案中，可以選擇使用瑞薩科技（前身為NEC）的uPD78F0513微控制器作為主控芯片。當(dāng)然，也可以使用其他兼容的微控制器。

2. 主控芯片的作用

• 處理輸入信號(hào)：主控芯片負(fù)責(zé)接收并處理來(lái)自壓電圓片的電壓信號(hào)。當(dāng)輸入電壓降至預(yù)設(shè)電壓以下時(shí)，控制器會(huì)對(duì)輸入進(jìn)行處理。

• 控制蜂鳴器：所有并聯(lián)的壓電圓片在需要時(shí)可以被用作蜂鳴器。主控芯片通過(guò)控制相關(guān)端口的輸出狀態(tài)來(lái)產(chǎn)生蜂鳴聲。

• 低功耗設(shè)計(jì)：選擇低功耗的主控芯片有助于延長(zhǎng)鍵盤(pán)的電池壽命（如果鍵盤(pán)是無(wú)線的）。

五、電路設(shè)計(jì)

1. 電源電路

   電源電路為整個(gè)系統(tǒng)提供穩(wěn)定的電壓。在本設(shè)計(jì)方案中，可以使用5V的直流電源。

2. 信號(hào)處理電路

   信號(hào)處理電路包括ADC輸入電路、端口輸入/輸出電路等。這些電路負(fù)責(zé)將壓電圓片產(chǎn)生的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，并傳遞給主控芯片進(jìn)行處理。

3. 蜂鳴器驅(qū)動(dòng)電路

   蜂鳴器驅(qū)動(dòng)電路負(fù)責(zé)控制壓電圓片作為蜂鳴器時(shí)的輸出。通過(guò)改變相關(guān)端口的輸出狀態(tài)，可以產(chǎn)生不同頻率和持續(xù)時(shí)間的蜂鳴聲。

六、程序設(shè)計(jì)

1. 初始化程序

   在程序開(kāi)始時(shí)，需要對(duì)主控芯片進(jìn)行初始化設(shè)置，包括配置ADC輸入、設(shè)置端口狀態(tài)等。

2. 電壓掃描程序

   程序需要連續(xù)掃描ADC輸入以檢測(cè)電壓變化。由于壓電圓片具有大電容，電壓變化極慢，因此無(wú)需進(jìn)行快速掃描。在本設(shè)計(jì)方案中，可以設(shè)置為每1ms進(jìn)行一次電壓測(cè)量，每4ms對(duì)每個(gè)圓片檢查一次。

3. 按鍵處理程序

   當(dāng)檢測(cè)到輸入電壓降至預(yù)設(shè)電壓以下時(shí)，程序會(huì)判斷為按鍵被按下，并執(zhí)行相應(yīng)的按鍵處理操作。這可能包括發(fā)送按鍵代碼給計(jì)算機(jī)、產(chǎn)生蜂鳴聲等。

4. 蜂鳴器控制程序

   蜂鳴器控制程序負(fù)責(zé)控制蜂鳴器的輸出。當(dāng)需要產(chǎn)生蜂鳴聲時(shí)，程序會(huì)設(shè)置相關(guān)端口的輸出狀態(tài)，并持續(xù)一段時(shí)間（如250ms）。

七、測(cè)試與優(yōu)化

1. 測(cè)試

   在完成硬件和程序設(shè)計(jì)后，需要對(duì)鍵盤(pán)進(jìn)行測(cè)試以確保其正常工作。測(cè)試包括按鍵響應(yīng)測(cè)試、蜂鳴聲測(cè)試等。

2. 優(yōu)化

   根據(jù)測(cè)試結(jié)果，可以對(duì)硬件和程序進(jìn)行優(yōu)化以提高鍵盤(pán)的性能和穩(wěn)定性。例如，可以調(diào)整壓電圓片的固定方式、優(yōu)化程序設(shè)計(jì)等。

八、主控芯片型號(hào)及其在設(shè)計(jì)中的作用（詳細(xì)）

1. 瑞薩科技uPD78F0513

• 信號(hào)處理：uPD78F0513的ADC模塊負(fù)責(zé)接收并處理來(lái)自壓電圓片的電壓信號(hào)，將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)進(jìn)行進(jìn)一步處理。

• 端口控制：通過(guò)控制相關(guān)端口的輸出狀態(tài)，uPD78F0513可以實(shí)現(xiàn)按鍵的識(shí)別和蜂鳴器的控制。

• 低功耗設(shè)計(jì)：uPD78F0513的低功耗特性有助于延長(zhǎng)鍵盤(pán)的電池壽命（如果鍵盤(pán)是無(wú)線的）。

• 型號(hào)特點(diǎn)：uPD78F0513是一款低功耗、高性能的8位微控制器，具有豐富的外設(shè)和強(qiáng)大的處理能力。它適用于各種嵌入式應(yīng)用，包括鍵盤(pán)控制等。

• 在設(shè)計(jì)中的作用：

2. 其他可選主控芯片

   這些主控芯片都可以根據(jù)具體需求進(jìn)行選擇，以滿足不同場(chǎng)景下的鍵盤(pán)控制需求。

• AVAGO CY7C63413：這是一種常見(jiàn)的USB鍵盤(pán)主控芯片，支持多種按鍵布局和多種語(yǔ)言，具有自適應(yīng)枚舉和低功耗等特性。

• HOLTEK HT82K629A：這是一種常見(jiàn)的AT鍵盤(pán)主控芯片，采用低功耗設(shè)計(jì)，支持多種掃描方式和多種LED驅(qū)動(dòng)方式，并具有內(nèi)置USB轉(zhuǎn)接器等特性。

• Diodes, Inc. PSoC CY8C32：這是一種通用USB鍵盤(pán)主控芯片，支持多種按鍵布局、可編程的按鍵映射和多種LED燈效等特性。

九、結(jié)論

壓電圓片式鍵盤(pán)的設(shè)計(jì)方案涉及多個(gè)組件的選擇與配置，以及它們之間的相互作用。通過(guò)合理選擇壓電圓片、主控芯片等關(guān)鍵組件，并精心設(shè)計(jì)電路和程序，可以制作出性能穩(wěn)定、功能豐富的鍵盤(pán)產(chǎn)品。同時(shí)，根據(jù)具體需求選擇不同型號(hào)的主控芯片也是實(shí)現(xiàn)鍵盤(pán)功能多樣化的重要手段。