壓電圓片式鍵盤設計方案

一、引言

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

二、壓電圓片的選擇與配置

1. 壓電圓片的選擇

   壓電圓片是鍵盤傳感器的核心部分，通常也被用作蜂鳴器。在本設計方案中，選擇使用Murata公司的7BB-35-3型號壓電圓片。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。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、壓力傳遞與檢測機制

1. 壓力傳遞

   當用戶用手指觸摸外板（如不銹鋼板）時，鋼材會輕微變形，這種小幅增加的壓力通過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到的電壓。

2. 電壓檢測

   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（如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（如P3），而得到低阻抗值。

   當手指按壓圓片至輕微變形時，供給ADC輸入端的電壓降低。微控制器通過連續(xù)掃描ADC輸入來檢測這種電壓變化。

四、主控芯片的選擇與作用

1. 主控芯片的型號

   在本設計方案中，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：主控芯片負責接收并處理來自壓電圓片的電壓信號。當輸入電壓降至預設電壓以下時，控制器會對輸入進行處理。

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

• 低功耗設計：選擇低功耗的主控芯片有助于延長鍵盤的電池壽命（如果鍵盤是無線的）。

五、電路設計

1. 電源電路

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

2. 信號處理電路

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

3. 蜂鳴器驅(qū)動電路

   蜂鳴器驅(qū)動電路負責控制壓電圓片作為蜂鳴器時的輸出。通過改變相關端口的輸出狀態(tài)，可以產(chǎn)生不同頻率和持續(xù)時間的蜂鳴聲。

六、程序設計

1. 初始化程序

   在程序開始時，需要對主控芯片進行初始化設置，包括配置ADC輸入、設置端口狀態(tài)等。

2. 電壓掃描程序

   程序需要連續(xù)掃描ADC輸入以檢測電壓變化。由于壓電圓片具有大電容，電壓變化極慢，因此無需進行快速掃描。在本設計方案中，可以設置為每1ms進行一次電壓測量，每4ms對每個圓片檢查一次。

3. 按鍵處理程序

   當檢測到輸入電壓降至預設電壓以下時，程序會判斷為按鍵被按下，并執(zhí)行相應的按鍵處理操作。這可能包括發(fā)送按鍵代碼給計算機、產(chǎn)生蜂鳴聲等。

4. 蜂鳴器控制程序

   蜂鳴器控制程序負責控制蜂鳴器的輸出。當需要產(chǎn)生蜂鳴聲時，程序會設置相關端口的輸出狀態(tài)，并持續(xù)一段時間（如250ms）。

七、測試與優(yōu)化

1. 測試

   在完成硬件和程序設計后，需要對鍵盤進行測試以確保其正常工作。測試包括按鍵響應測試、蜂鳴聲測試等。

2. 優(yōu)化

   根據(jù)測試結(jié)果，可以對硬件和程序進行優(yōu)化以提高鍵盤的性能和穩(wěn)定性。例如，可以調(diào)整壓電圓片的固定方式、優(yōu)化程序設計等。

八、主控芯片型號及其在設計中的作用（詳細）

1. 瑞薩科技uPD78F0513

• 信號處理：uPD78F0513的ADC模塊負責接收并處理來自壓電圓片的電壓信號，將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號進行進一步處理。

• 端口控制：通過控制相關端口的輸出狀態(tài)，uPD78F0513可以實現(xiàn)按鍵的識別和蜂鳴器的控制。

• 低功耗設計：uPD78F0513的低功耗特性有助于延長鍵盤的電池壽命（如果鍵盤是無線的）。

• 型號特點：uPD78F0513是一款低功耗、高性能的8位微控制器，具有豐富的外設和強大的處理能力。它適用于各種嵌入式應用，包括鍵盤控制等。

• 在設計中的作用：

2. 其他可選主控芯片

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

• AVAGO CY7C63413：這是一種常見的USB鍵盤主控芯片，支持多種按鍵布局和多種語言，具有自適應枚舉和低功耗等特性。

• HOLTEK HT82K629A：這是一種常見的AT鍵盤主控芯片，采用低功耗設計，支持多種掃描方式和多種LED驅(qū)動方式，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

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