CN106059557A - 一种采用光敏元件的键及使用该键的键盘 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种采用光敏元件的键及使用该键的键盘，该键包括在外界影响下产生选择信号和撤除外界影响后自动恢复常态信号的键体，以及检测选择信号和常态信号的信号采集电路。所述的键体为光敏元件，所述的信号采集电路为检测所述的光敏元件电阻/电流变化的电路。本发明的有益效果是：使用的是普通、低成本的光敏器件作为光传感器，产品价格低廉，适合市场普遍推广。本发明的硬件设计和生产工艺简单，简单几个电子元器件即可，无需额外的光发射装置。本发明相对于薄膜按键、机械按键、电容按键灯，本发明按键可以在表面有水的环境中使用，克服了油污对按键的腐蚀以致损坏防水、防油污、寿命长。
Description
技术领域
本发明涉及电子产品的输入设备和方法等领域，特别涉及一种应用于电子产品中采用光敏元件的键及使用该键的键盘。
背景技术
键（Key）就是一种开关，一般有两种状态，一种是它的常态，也就是本来状态，另一种是选择状态，就是在外界影响下离开常态后的一个不稳定的状态，当外界影响终止时，又回到常态。键盘是键的集合，作为一种常用的输入设备，键盘的键种类不同而不同，目前的键盘有多种，例如目前广泛使用的机械式键盘就是采用机械按压式键的键盘，它是通过检测装置检测键的状态是按压或者松开方式输入的，当用手指或者其它方式向下按压某个键时，采集该键状态的电路产生反映该键状态的信号，当松开时，该键复位，采集该键状态的电路将采集到该键复位的信息，使用该键盘的主机通过接收到采集键状态的电路所产生的信号确认是否该键盘中键是否被选择。另外还有薄膜式、电容式等很多键盘。无论哪种按键，在某些特殊应用场合，都有其固有的不足，如：
机械式，防水、防尘、防油污性能差，寿命有限制。
薄模式，寿命比较差，在油污环境中很容易腐蚀。
电容式，在表面有水的环境中，不能工作。
以上例举的三种按键的不足之处，限制了它们的使用范围，例如在洗衣机、油烟机、热水器、洗碗机等容易触水或者高油污环境中，以上按键不能使用。
目前键一般包括有键体，该键体本身有两种不同的状态，一种常态，如机械式按键的常态是没有任何外力加到它上面的状态，表示没有被选择，另外一种就是选择状态，此时通过手指或者其它方式按压该键，使它接触到下面的开关，使开关两端连接，信号采集电路采集到这个状态输出一个该键处于选择的状态信号，当松开该键时，该键在自身的弹簧或者其它复位装置的作用下脱离下面的开关，断开开关两端的连接，信号采集电路采集到这个状态，向主机发出该键没有被选择的信号，实现对键本身的功能。
发明内容
本发明为实现其技术目的所采用的技术方案是：一种采用光敏元件的键及使用该键的键盘，包括：键体模块，用于在外界影响下产生选择信号和撤除外界影响后自动恢复常态信号。
信号采集电路模块（4），用于检测选择信号和常态信号。
其特征在于,
所述键体模块进一步包括：
光敏元件，随外界光辐射的变化其内部电阻/电流发生明显改变。
信号采集电路模块（4）进一步包括：
环境光源检测装置，用于检测外部环境亮度，判断为有光环境还是黑暗环境。
发光装置，用于主动发出光线，通过外部反射再由光源检测装置感知；
电压检测装置，用于检测光敏元件电压信号。
信号调节装置（OP1），用于对电压信号进行放大、缩小、滤波等操作。
模数转换装置（ADC），用于完成电压信号模拟到数字的转换。
模拟开关装置（SW），在对多路模拟信号进行监控时，用于将这些模拟信号轮流切换到同一个模数转换装置输入。
比较装置，用于将多个健体的变化电压数字做个比较，选出变化最大的光敏元件。
信号处理装置，用于处理数字信号，根据数字信号来判断该健体是否有按键触摸动作。
进一步地，所述光敏元件为光敏二极管（1），所述的信号采集电路包括与所述的光敏二极管（1）串联的分压电阻（2），所述的光敏二极管（1）与分压电阻（2）之间还设有反映所述光敏二极管（1）电阻变化的信号采集点（3）。
进一步地，所述的信号采集点（3）与将所述的信号采集点（3）的电压数字化的模数转换装置（ADC）连接。
进一步地，在所述的信号采集点（3）连接到所述的模数转换装置（ADC）之前还连接将所述的信号采集点（3）电压放大的信号调节装置（OP1）。
进一步地，在述的信号采集点（3）连接到所述的信号调节装置（OP1）之前还连接有模拟开关装置（SW）。
进一步地，所述键盘电路还设有对键进行照明的发光二极管作为照明装置。
进一步地，所述信号采集电路装置中正电压从所述的光敏二极管（1）的阴极到阳极经所述的分压电阻（2）接地。
进一步地，所述信号采集电路装置中正电压从通过所述的分压电阻（2）接入到所述的光敏二极管（1）的阴极，光敏二极管（1）的阳极接地。
一种采用光敏元件键体的工作方法，其特征在于,
所述键体的按键工作方法步骤如下：
S101，为光敏元件提供工作电压。
S102，光源检测装置判断外部环境是否为黑暗，是，则执行步骤S103，否则执行步骤S104。
S103，启动照明装置并执行S104。
S104，信号处理装置判断光敏元件电压是否改变，是，则执行步骤S105，否则判断为无按键触摸动作。
S105，信号处理装置判断电压变化程度是否达到标准，是，则执行步骤S106，否则判断为无按键触摸动作。
S106，信号处理装置判断是否为多个光敏元件电压发生变化，是，则执行步骤S107，否则判断为此按键处有触摸动作。
S107，信号处理装置判断是否为全部光敏元件电压发生变化，是，则判断为无按键触摸动作，否则，执行步骤S108。
S108，比较装置将多个光敏元件的变化电压做个比较，选出变化最大的，信号处理装置判断为此按键处有触摸动作。
S109，信号处理装置作出按键触摸指示。
进一步地，电压检测装置检测信号采集点（3）处的电压，传送给信号调节装置（OP1）。
进一步地，信号调节装置（OP1）对检测到的信号采集点（3）电压信号进行放大、缩小、滤波等操作，将其调节到合适的大小后，传送给模数转换装置（ADC）。
进一步地，模数转换装置（ADC）接收电压信号后将电压信号数字化，传送给信号处理装置。
进一步地，模拟开关装置（SW）将多个光敏元件电压信号轮流切换到模数转换装置（ADC）数字化输入信号处理装置。
本发明提供了一种采用光敏元件的键及使用该键的键盘，键体采用的是一个光敏元件，当手指或者其他物体接触在按键位置时，将遮挡住此处的外部光线，或者发出红外光，也就是此处的光环境发生了变化。利用光敏元件，对外部光环境的变化进行检测，进而判断该位置是否有按键触摸的动作。
键所处光环境的变化，会引起光敏元件电阻或者电流的变化，利用一种信号采集电路，采集光敏器件的变化情况，进而判断此处是否有按键触摸动作。
本发明的有益效果是：
使用的是普通、低成本的光敏器件作为光传感器，产品价格低廉，适合市场普遍推广。
硬件设计和生产工艺简单，简单几个电子元器件即可，无需额外的光发射装置。
相对于薄膜按键、机械按键、电容按键灯，本专利可以在表面有水的环境中使用，克服了油污对按键的腐蚀以致损坏防水、防油污、寿命长。
附图说明
图1为本发明键原理图（1）。
图2为本发明键原理图（2）。
图3为本发明实施例1键连接图。
图4为本发明实施例2键连接图。
图5为本发明实施例3键连接图。
图6为本发明实施例4键连接图。
图7为本发明实施例5键连接图。
图8为本发明实施例6键连接图。
图9为本发明实施例7键连接图。
图10为本发明实施例8键连接图。
图11为本发明实施例9键连接图。
图12为本发明实施例10键连接图。
图13为本发明实施例11键连接图。
图14为本发明实施例12键连接图。
图15为本发明实施例13键盘原理图。
图16为本发明按键工作方法步骤流程图。
具体实施方式
如图1所示，本发明中对光敏器件1和分压电阻2施加电压VCC。当外部光环境不变时，流过光敏器件1的电流也不会改变，光敏信号采集点3的电压也不会改变。当外部光环境发生变化时，流过光敏器件1的电流会随之发生变化，进而信号采集点3的电压也会发生变化。信号采集和处理电路4对信号采集点3的电压进行采集并处理，根据这点电压的变化情况，判断出光敏元件1处是否有外部物体的触摸动作。
图1中的光敏器件所示为光敏二极管，但根据光敏器件的特性，有光与无光时电阻不同，其它的光敏元件如光敏电阻、光敏三极管等都可以取代光敏二极管，信号采集和处理电路可以是比较器电路、信号放大电路、ADC采集电路或CPU电路。
针对一些灵敏度比较强的光敏器件，无需信号放大，可以直接送入模数转换器（ADC）进行数据采集和处理。
当光环境发生变化时，例如光照度增强引起光敏二极管1电流增大，光敏二极管1与分压电阻2之间的信号采集点3电压升高，反之光照度减弱则引起D1光敏二极管1电流减小，导致光敏二极管1与分压电阻2之间的信号采集点3电压降低。
外部光环境缓慢变化时，光敏二极管1与分压电阻2之间的信号采集点3的变化也是缓慢的变化。对于这种缓慢的变化，CPU判断为无按键动作。
外部光环境急剧变化时，例如房间的开/关灯动作，虽然此时是光环境急剧变化，但是这种变化同时作用在所有的按键上，此时，CPU也判断为无按键动作。当手指按在某一个光敏按键上时，则只有这个按键处的光环境发生变化，其他按键处的光环境不变。此时，则判断此按键处有触摸动作。当同时触碰多个光敏按键时，CPU选出其中变化最剧烈的判断为此按键处有触碰动作。
对于外部环境黑暗的情况下，打开发光装置，为外部触摸体的触摸动作提供光源。
如果此时是手指触摸，则也同时接收手指发射出的红外光。当手指触摸到按键时，手指发出的红外光加上LED灯的反射光使按键的光敏电阻电压明显升高，按键电压变化更加剧烈。
此时，如果外部没有物体，则LED灯的光就不会反射回来，光敏二极管1与分压电阻2之间的信号采集点3的电压就保持恒定，CPU也就判断为此按键没有触摸动作。
如果此时有物体靠近光敏器件，则会把LED发射出的光反射回到光敏器件上，光敏二极管1与分压电阻2之间的信号采集点3的电压升高，CPU根据升高的程度，判断是否有按键触摸动作。
本实施方式还包括一种键盘，包括一组原理图如图1和图2所示的键，如图1所示，包括一个光敏二极管1，检测键状态的信号采集电路为一个连接在光敏二极管1阳极与地之间的分压电阻2，光敏二极管的阴极接高电压，此时，如果没有外界因素遮蔽照射到光敏二极管1上的光线，则光敏二极管1的阻值较小，流经光敏二极管1与分压电阻2中的电流将较大，则光敏二极管1与分压电阻2之间的信号采集点3输出较高的电压，此时表示键处于常态。
如果有手指或者其它东西遮蔽照射到光敏二极管1上的光线，则光敏二极管1的电阻增大，流经光敏二极管1与分压电阻2中的电流将较减小，则光敏二极管1与分压电阻2之间的信号采集点3输出较低的电压，表示键处于选择状态。当遮蔽光敏二极管1上光线的物体移走后，光敏二极管1与分压电阻2之间的信号采集点3输出较高的电压，恢复常态。
同样，如图2所示，如果没有外界因素遮蔽照射到光敏二极管1上的光线，则光敏二极管1的阻值较小，流经光敏二极管1与分压电阻2中的电流将较大，分压电阻2分压较多，则光敏二极管1与分压电阻2之间的信号采集点3输出较低的电压，此时表示键处于常态。
如果有手指或者其它东西遮蔽照射到光敏二极管1上的光线，则光敏二极管1的电阻增大，流经光敏二极管1与分压电阻2中的电流将较减小，则分压电阻2所分的电压较少，光敏二极管1与分压电阻2之间的信号采集点3输出较高的电压，表示键处于选择状态。
图2在图1的基础上，把光敏器件D1和电阻R1调换了一下位置，这种情况下，只是使信号变化的极性发生了变化，CPU判断是否有按键触摸动作，也只要把信号原来的“上升/下降”改为“下降/上升”即可。下面的图3、5、7、9、11与图4、6、8、10、12也是一样。
实施例1如图3所示，采用如图1所示的分压电路原理图，在CPU外部有独立ADC器件，将光敏二极管1与分压电阻2之间的信号采集点3的电压数字化输入到CPU中，由CPU进行判断。
实施例2如图4所示，与实施例1的区别是采用了如图2所示的分压原理图。
实施例3和实施例4如图5和图6所示，为了增加灵敏度在ADC之前对将光敏二极管1与分压电阻2之间的信号采集点3的电压进行放大，增加了一个放大器，图中所示为运算放大器OP，可以理解的是，该放大器也可以是三极管或MOS管。
实施例5和实施例6如图7和图8所示，CPU同时内置有模拟开关SW和ADC ，其中，模拟开关SW作用是把多个光敏传感器轮流切换到ADC进行数模转换。
实施例7和实施例8如图9和图10所示，与前面的实施例5和实施例6一样，区别是CPU只具有内置ADC，外置模拟开关SW。同样这里的模拟开关SW作用是把多个光敏传感器轮流切换到ADC进行数模转换。
实施例9和实施例10如图11和12所示，与前面的实施例7和实施例8类似，只是在模拟开关SW与ADC之间，加入放大器OP。
实施例11和实施例12如图13和14所示，CPU同时内置有模拟开关SW和放大器OP和ADC ，其中，模拟开关SW作用是把多个光敏传感器轮流切换到放大器OP，放大器OP再输出信号到ADC进行数模转换。
实施例13如图15所示，本实施例的键盘包括有由光敏器件D1、D2…Dn加上外围电路组成的键体，在每个键上还设置有一个发光二极管L1、L2.....LnD对键进行照明。这里加入发光二极管L1、L2.....Ln的作用：在外部光线很暗的情况下，这些LED为其对应的光敏器件提供光源。例如黑夜不开灯情况下，CPU根据检测需要，点亮相应的LED，判断光敏电阻处是否有光的反射，进而判断是否有触摸动作。
本发明使用的是普通、低成本的光敏器件作为光传感器，产品价格低廉，适合市场普遍推广，硬件设计和生产工艺简单，简单几个电子元器件即可，相对于薄膜按键、机械按键、电容按键等，可以在表面有水的环境中使用，克服了油污对按键的腐蚀以致损坏防水、防油污、寿命长，本方案借助的是外部的自然光、灯光或者内部的LED光，是200nm-1400nm之内所有的光谱，而非仅仅红外光，且无须特别的光发射装置。
Claims (6)
1.一种采用光敏元件的键及使用该键的键盘，包括：键体模块，用于在外界影响下产生选择信号和撤除外界影响后自动恢复常态信号；信号采集电路模块（4），用于检测选择信号和常态信号；
其特征在于，
所述键体模块进一步包括：
光敏元件，随外界光辐射的变化其内部电阻/电流发生明显改变；
信号采集电路模块（4）进一步包括：
环境光源检测装置，用于检测外部环境亮度，判断为有光环境还是黑暗环境；
发光装置，用于主动发出光线，通过外部反射再由光源检测装置感知；
电压检测装置，用于检测光敏元件电压信号；
信号调节装置（OP1），用于对电压信号进行放大、缩小、滤波等操作；
模数转换装置（ADC），用于完成电压信号模拟到数字的转换；
模拟开关装置（SW），在对多路模拟信号进行监控时，用于将这些模拟信号轮流切换到同一个模数转换装置输入；
比较装置，用于将多个健体的变化电压数字做个比较，选出变化最大的光敏元件；
信号处理装置，用于处理数字信号，根据数字信号来判断该健体是否有按键触摸动作。
2.根据权利要求1所述的键盘，其特征在于，所述光敏元件为光敏二极管（1），所述的信号采集电路包括与所述的光敏二极管（1）串联的分压电阻（2），所述的光敏二极管（1）与分压电阻（2）之间还设有反映所述光敏二极管（1）电阻变化的信号采集点（3）；
所述的信号采集点（3）与将所述的信号采集点（3）的电压数字化的模数转换装置（ADC）连接；
在所述的信号采集点（3）连接到所述的模数转换装置（ADC）之前还连接将所述的信号采集点（3）电压放大的信号调节装置（OP1）；
在述的信号采集点（3）连接到所述的信号调节装置（OP1）之前还连接有模拟开关装置（SW）。
3.根据权利要求1所述的键盘，其特征在于，根据权利要求3所述的键盘，其特征在于，所述信号采集电路装置中正电压从所述的光敏二极管（1）的阴极到阳极经所述的分压电阻（2）接地。
4.根据权利要求1所述的键盘，其特征在于，所述信号采集电路装置中正电压从通过所述的分压电阻（2）接入到所述的光敏二极管（1）的阴极，光敏二极管（1）的阳极接地。
5.一种采用光敏元件键体的工作方法，其特征在于,
所述键体的按键工作方法步骤如下：
S101，为光敏元件提供工作电压；
S102，环境光源检测装置判断外部环境是否为黑暗环境，是，则执行步骤S103，否则执行步骤S104；
S103，启动照明装置并执行S104；
S104，信号处理装置判断光敏元件电压是否改变，是，则执行步骤S105，否则判断为无按键触摸动作；
S105，信号处理装置判断电压变化程度是否达到标准，是，则执行步骤S106，否则判断为无按键触摸动作；
S106，信号处理装置判断是否为多个光敏元件电压发生变化，是，则执行步骤S107，否则判断为此按键处有触摸动作；
S107，信号处理装置判断是否为全部光敏元件电压发生变化，是，则判断为无按键触摸动作，否则，执行步骤S108；
S108，比较装置将多个光敏元件的变化电压做个比较，选出变化最大的，信号处理装置判断为此按键处有触摸动作；
S109，信号处理装置作出按键触摸指示。
6.根据权利要求5所述键体的工作方法，其特征在于，所述步骤S104之前还包括：
a.电压检测装置检测信号采集点（3）处的电压，传送给信号调节装置（OP1）；
b.信号调节装置（OP1）对检测到的信号采集点（3）电压信号进行放大、缩小、滤波等操作，将其调节到合适的大小后，传送给模数转换装置（ADC）；
c.模数转换装置（ADC）接收电压信号后将电压信号数字化，传送给信号处理装置；
d.模拟开关装置（SW）将多个光敏元件电压信号轮流切换到模数转换装置（ADC）数字化输入信号处理装置。
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