Водо- и вандалоустойчивая клавиатура на пьезоэлектрических дисках

Журнал РАДИОЛОЦМАН, апрель 2014

Эта конструкция была создана в связи с необходимостью иметь герметичную клавиатуру для работы в условиях очень большой влажности. (В моем частном случае это были душевые для бассейнов). Требовалось, чтобы клавиатура была способна воспринимать легкое нажатие на пластину из нержавеющей стали толщиной 0.4 мм. Помимо защищенности от воды, абсолютно плоское со стороны пользователя устройство отличается эстетической привлекательностью, поскольку не имеет никаких видимых элементов, кроме рисунков, выполненных методом трафаретной печати. Еще одним достоинством этой клавиатуры является ее вандалоустойчивость.

Датчик основан на пьезоэлектрическом диске, изначально разработанном для использования в качестве излучателя звука. Я остановил свой выбор на Murata 7BB-35-3. При внешнем диаметре 35 мм он имеет чувствительную область диаметром 23 мм.

Рисунок 1.	Расположение датчиков и вырезов на печатной плате.

Диски размещены на общей печатной плате с электронными компонентами. В плате сделаны круглые отверстия, позволяющие свободно перемещаться керамическим элементам (Рисунок 1). Элементы закреплены на плате с помощью самоклеящейся губчатой резины (EPDM) толщиной 3 мм (Рисунок 2), хотя при более тонком слое резины чувствительность была бы выше. Конструкция достаточно плотно должна быть прижата к передней панели.

Рисунок 2.	Поперечное сечение сборки клавиатуры на пьезоэлементах.

Когда палец касается внешней пластины, сталь (или иной материал) слегка деформируется, и небольшое увеличение давления передается через резину на пьезоэлектрический диск. Этого вполне достаточно, чтобы вырабатываемое напряжение было обнаружено микроконтроллером. Затем процессор, используя все диски в качестве звукоизлучателей, посылает подтверждающий звуковой сигнал.

В описанном примере четыре клавиши. Использовался микроконтроллер uPD78F0513 фирмы Renesas (ранее NEC), хотя подошло бы множество других микроконтроллеров.

Меньшие электроды пьезоэлектрических дисков подключены непосредственно к входам АЦП микроконтроллера, а через резисторы – к положительной шине питания. Кроме того, они соединены с входами другого порта (P7), изначально находящимися в состоянии высокого входного импеданса. Другие электроды дисков (большего размера) объединены вместе и для снижения выходного сопротивления подключены параллельно к четырем выводам порта P3 (Рисунок 3). Если портов микроконтроллера не хватает, но их выходной ток достаточно велик, то необходимости в таком объединении выводов нет. В исходном состоянии на выходах этого порта низкий логический уровень. Когда диск слегка деформируется от нажатия пальца, напряжение на входах АЦП падает.

Рисунок 3.	Принципиальная схема клавиатуры.

При включении питания схемы выводы порта P3 находятся в состоянии «лог. 0», а порта P7 – в состоянии «лог. 1», вследствие чего пьезоэлектрические диски, емкость которых равна примерно 30 нФ, быстро заряжаются. Затем, по истечении нескольких десятков микросекунд, выводы P7 устанавливаются в состоянии высокого импеданса. Программа постоянно сканирует входы АЦП. Из-за большой емкости дисков напряжение на них изменяется очень медленно, поэтому темп сканирования может быть небольшим. В моем случае измерения напряжения выполнялись каждую миллисекунду, так что каждый диск проверялся раз в 4 мс.

Когда вследствие нажатия клавиши входное напряжение падает ниже заданного уровня, контроллер обрабатывает входной сигнал, а затем использует все диски в качестве излучателей звука. Со стальной пластиной толщиной 0.4 мм для получения хорошей чувствительности при напряжении питания 5 В достаточно уровня порога 1.5 В. При использовании более толстых пластин есть множество возможностей для увеличения чувствительности.

Чтобы сформировать звуковой сигнал, линии порта P7 переключается в состояние низкоимпедансных выходов, и на них выводится последовательность прямоугольных импульсов с частотой резонанса дисков (в нашем случае это 2800 Гц). Сигнал звучит в течение 250 мс. Резистор R5 служит для ограничения тока возбуждения. По завершении звукового сигнала P3 возвращается в «0», а P7 вновь на время переключается в «1», чтобы зарядить диски.

Использование пьезоэлектрических диафрагм позволяет создать не только очень эффективную, но и очень дешевую конструкцию.