CN108803882A - 基于光学感应的压力触控键盘及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及人机交互的键盘输入技术领域，公开了一种基于光学感应的压力触控键盘，包括有：一面板，其板面设置有至少一个预设按键位；至少一组光敏器件组，对应设置于所述至少一个预设按键位的下方且用以发出恒定强度光并将接收到的经所述预设按键位的下表面反射的光的光强度信号转化为电信号；处理装置，根据所述光敏器件组反馈的所述电信号与所述预设按键位在未施压状态下的初始电信号的信号变化差值，获得在所述面板上被按压的所述预设按键位和/或其按压力度值。借此，本发明解决水、酸碱、油污等具有腐蚀性作用的物质对键盘的损害，提高了键盘的使用寿命。

Description

基于光学感应的压力触控键盘及其方法

技术领域

本发明涉及人机交互的键盘输入技术领域，尤其涉及一种基于光学感应的压力触控键盘及其方法。

背景技术

目前的键盘有多种，例如：传统的机械式、薄膜式键盘；新兴的压变陶瓷、压变电阻和应变电容、应变电磁等轻触压力键盘。而传统的机械式、薄膜式键盘，具有诸多的不足，主要表现在：1、防水工艺复杂；2、易受油污酸碱腐蚀；3、寿命有限；4、美观性差。为了解决以上传统键盘的不足，出现了多种新兴的压力触控按键，例如：压力传感器型、压电陶瓷型、电容感应型、电磁感应型。

这些新兴的触控按键，虽然解决了传统按键的不足，但是同时也带来生产难度大，价格昂贵、可靠性差等不足。这些不足之处，限制了新兴压力触控按键的大规模生产和市场推广。

综上可知，现有技术在实际使用上显然存在不便与缺陷，所以有必要加以改进。

发明内容

针对上述的缺陷，本发明的目的在于提供一种基于光学感应的压力触控键盘，解决水、酸碱、油污等具有腐蚀性作用的物质对键盘的损害，以提高键盘的使用寿命。

为了实现上述目的，本发明提供一种基于光学感应的压力触控键盘，包括有：一面板，其板面设置有至少一个预设按键位；

至少一组光敏器件组，对应设置于所述至少一个预设按键位的下方，所述光敏器件组发出恒定强度光并将接收到的经所述预设按键位的下表面反射的光的光强度信号转化为电信号；

处理装置，根据所述光敏器件组反馈的所述电信号与所述预设按键位在未施压状态下的初始电信号的信号变化差值，获得在所述面板上被按压的所述预设按键位和/或其按压力度值。

根据所述的压力触控键，所述面板的板面设置有多个预设按键位；每个所述预设按键位上标识有不同的按键标记；

所述光敏器件组包括多组，分别对应设置于所述多个预设按键位的下方。

根据所述的压力触控键，所述光敏器件组包括：

发光器件，发出恒定强度光照射在所述预设按键位的下表面；

受光器件，接收经所述预设按键位的下表面反射的光的光强度信号转化为电信号。

根据所述的压力触控键，所述光敏器件组通过一信号采集电路将接收到的经所述预设按键位的下表面反射的光的光强度信号转化为电信号；

其中，所述信号采集电路包括相互并联的所述发光器件与所述受光器件；与所述受光器件串联的分压电阻，所述受光器件与所述分压电阻之间设置有反映所述受光器件电阻值变化的信号采集点。

根据所述的压力触控键，所述正电压从所述受光器件的一端输入，从另一端输出，再经所述分压电阻接地；或者

所述正电压从所述分压电阻接入到所述受光器件的一端，所述受光器件的另一端接地。

根据所述的压力触控键，所述处理装置通过一信号处理电路获得在所述面板上被按压的所述预设按键位和/或其按压力度值；

所述处理装置包括至少一个中央处理器，所述信号处理电路包括所述至少一个中央处理器与所述信号采集点直接或间接连接，并且所述中央处理器在根据每组所述光敏器件组反馈的所述电信号与初始采集的所述初始电信号，判断上述两者的所述信号变化差值达到预设的信号变化阈值时，进一步再判断多组所述信号变化差值的最大值和次大值之间的倍数值达到预设的倍数阈值时，输出所述最大值所对应的预设按键位的按键序列号和/或其按压力度值；

所述按键序列号对应于所述预设按键位上的按键标记。

根据所述的压力触控键，所述中央处理器进一步再判断多组所述信号变化差值的最大值和次大值之间的倍数值达到预设的倍数阈值时之后，比对所述最大值的信号变化波形与预设的人手触摸压力曲线波形符合时，则输出所述最大值所对应的预设按键位的按键序列号和/或其按压力度值。

根据所述的压力触控键，所述中央处理器包括：

模拟开关装置，分别连接于所述信号采集点和数模转换装置；所述模拟开关装置对多组所述光敏器件组反馈的所述电信号的模拟信号进行监控，并将多组所述模拟信号轮流切换到数模转换装置输入；

数模转换装置，分别连接于所述模拟开关装置和算术逻辑部件运算器，将接入的所述模拟信号转换为数字信号；

算术逻辑部件运算器，用于执行所述中央处理器的逻辑运算及判断。

本发明还提出一种利用上述任一项所述的压力触控键盘实现压力触控方法，包括步骤有：

将对应设置于所述面板下的至少一个光敏器件组上电工作；

所述至少一组光敏器件组发出恒定强度光并将接收到的经所述面板的所述预设按键位的下表面反射的光的光强度信号转化为电信号；

处理装置根据所述光敏器件组反馈的所述电信号与所述预设按键位在未施压状态下的初始电信号的信号变化差值，获得在所述面板上被按压的所述预设按键位和/或按压力度值。

本发明所述的基于光学感应的压力触控键盘通过在一面板的预设按键位的下方设置光敏器件组，借由所述光敏器件组主动发射的恒定强度光照以及接收经由面板下方折射的折射光照强度以转化为电信号，再进一步由处理装置根据电信号的变化来获得在所述面板上被按压的所述预设按键位和/或其按压力度值。借此，本发明提供的基于光学感应的压力触控键盘克服了水、酸碱、油污等具有腐蚀性作用的物质对键盘的损害，提高了键盘的使用寿命，并且结构简单、生产成本低。

附图说明

图1为本发明优选实施例所述基于光学感应的压力触控键盘在所述预设按键位未被触摸施压状态下的结构示意图；

图2为本发明优选实施例所述基于光学感应的压力触控键盘在手指触摸施压所述预设按键位的结构示意图；

图3为本发明优选实施例所述基于光学感应的压力触控键盘在手指在整体所述面板上触摸施压其中一所述预设按键位的结构示意图；

图4A为本发明实施例所述基于光学感应的压力触控键盘的光敏器件组的组合电路原理图；

图4B为本发明实施例所述基于光学感应的压力触控键盘的光敏器件组的组合电路原理图；

图5为本发明优选实施例所述基于光学感应的压力触控键盘的所述处理装置与所述光敏器件组连接的电路原理图；

图6为本发明实施例所述的压力触控键盘实现压力触控方法的方法流程图；

图7为本发明优选实施例所述的基于光学感应的压力触控键盘的具体工作原理流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。本发明通过感应光敏传感器信号变化来判断表面材质的变形，进而判断是否有触摸动作以实现键盘的按压功能。此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

图1～图3、图5示出本发明优选实施例所述的基于光学感应的压力触控键盘，包括有：

一面板10，其板面设置有至少一个预设按键位；

至少一组光敏器件组20，对应设置于所述至少一个预设按键位的下方，所述光敏器件组20发出恒定强度光并将接收到的经预设按键位的下表面反射的光的光强度信号转化为电信号；

处理装置40，根据光敏器件组20反馈的电信号与所述预设按键位在未施压状态下的初始信号的信号变化值，获得在所述面板10上被按压的预设按键位和/或按压力度值。

具体的是，所述处理装置40与光敏器件组20集成于一线路板30上，处理装置40与光敏器件组20通过电信号或者其它信号传输介质连接；所述线路板30设于面板10的下方；所述面板10上的预设按键位之间不像传统键盘的按键之间存在着间隙，以便于防水防潮，克服了油污、酸碱等对传统按键的腐蚀以致损坏的问题，提高了键盘的使用寿命。其中，所述预设按键位为所述面板10对应区域的板面部位，如图1～图2，当手指50施压(此力大约20g～500g)作用于面板10表面时会引起面板10局部的微形变，此形变会导致其下方光信号的变化，光信号的变化通过光敏器件组20转化为电信号变化，将电信号的变化差值，通过模数转换获得差值的大小；再通过处理装置40检测电信号变化状况确定按压的区域以及按压力度，对应的按压力度由电信号变化的幅度决定，即施压的压力越大，预设按键位下方的光信号变换幅度也就越大；然而由于面板材质、表面粗糙程度、厚薄等因素不同，所述预设按键位在同样的压力下，光敏器件组20产生的信号变化也不相同。因此，需要预先针对某种材质的面板进行压力标定和/或预设按键位，例如使用10g、20g、40g……500g等一系列砝码标定，并记录下这些压力下的电信号变化量以存储到处理装置40中作为参考参数与预设按键位对应，相邻两刻度之间近似为线性，针对同种面板可以此参数作为压力度值的计算参考。

本发明不再需要专用的压力传感器或光纤，克服了压变陶瓷、压变电阻和压力电容键盘的成本高、结构复杂、可靠性差的缺点；所述面板10可采用任何材料制成，例如现有的常见的键盘塑料。

如图3所示，所述面板10的板面设置有多个预设按键位；每个所述预设按键位上标识有不同的按键标记；所述光敏器件组20包括多组，分别对应设置于所述多个预设按键位的下方。即在面板10上的对应部位标识上键盘的N个按键标识指定区域对应指定按键标识，其中的Key1、Key2……KeyN分别表示的是N个所述预设按键位，可塑性强；而一个所述预设按键位的下方对应设置一个光敏器件组20，每个光敏器件组20对应检测每个预设按键位下方的光信号变换，并通过处理装置40判断被按压的预设按键位和/或按压力度值。

其中，所述光敏器件组20包括：

发光器件21，发出恒定强度光照射在所述预设按键位的下表面；该发光器件21可以是发光二级管；该发光二级管连接稳定的电压，其将发出恒光；

受光器件22，接收经所述预设按键位的下表面反射的光的光强度信号并将其转化为电信号；所述受光器件22可以是光敏二极管、光敏三极管或光敏电阻等。

预设按键位在未被施压的状态下，由于发光器件21发出的光照强度恒定，则经由面板10的下表面反射的反射光强也处于恒定，此时受光器件22接收到的电信号即为恒定的初始电信号；而当预设按键位被按压时，预设按键位对应于面板10的底面部位发生形变，进而导致经由面板10反射的反射光强发生改变，使得受光器件22转化出的电信号与初始电信号有差异变化，而这种变化是增大还是减小，与面板10下表面形状是平面、凹形、凸形有关系；同样压力下，不同形状引起的电信号变化极性差异，通过处理装置40加以处理。所述处理装置40根据即时检测到的电信号与初始电信号之间的信号变化差值，获得在所述面板10上被按压的预设按键位和/或其按压力度值。

如图4A～图4B所示，所述光敏器件组20通过一信号采集电路将接收到的经所述预设按键位下方的面板10的下表面反射的光的光强度信号转化为电信号；其中，所述信号采集电路包括相互并联的所述发光器件21与受光器件22；与所述受光器件22串联的分压电阻23，所述受光器件22与分压电阻23之间设置有反映所述受光器件22电阻值变化的信号采集点24。预设按键位未被按压时，其面板10的下表面折射的光强度恒定，则流过受光器件22与分压电阻23的电流不变，因此信号采集点24的电压也不会改变。反之，预设按键位被挤压时，其面板10的下表面折射的光强度发生改变，则流过受光器件22与分压电阻23的电流随之变化，进而信号采集点24的电压也会随之改变，进一步的由处理装置40根据该电压变化做出判断是否有预设按键位被按压。

图4A示出该信号采集电路的一种组合形式，所述正电压从所述受光器件22的一端输入，从另一端输出，再经所述分压电阻23接地。如前所述，所述受光器件22可以是光敏二极管、光敏三极管或光敏电阻，以下仅以光敏二级管举例说明。所述受光器件22采用光敏二极管，如图，所述正电压从光敏二极管的负极流入并从正极流出到分压电阻23上，当光照强度变大时，受光器件22的电阻变小，电流变大；即流过分压电阻23的电流变大，则分压电阻23的电压变大，信号采集点24采集到的电压为分压电阻23两端的电压，所以信号采集点24在光强变大时，电压变大，即采集到的电信号变大。

图4B示出该信号采集电路的另一种组合形式，所述正电压从所述分压电阻23接入到受光器件22的一端，所述受光器件22的另一端接地。所述受光器件22采用光敏二极管，如图，所述正电压经过分压电阻23流入至光敏二极管的负极，并从光敏二极管的正极流出，当光照强度变大时，受光器件22的电阻变小，电流变大；即流过分压电阻23的电流变大，则分压电阻23的电压变大，分压电阻23的电压变大则受光器件22两端的电压相应地变小，而信号采集点24采集到的电压为受光器件22两端的电压，所以信号采集点24在光强变大时，电压变小，即采集到的电信号变小。该两种组合方式不管是预设按键位被挤压而造成检测到的电信号的变大与变小，处理装置40的最终判断依据只看电信号变化的绝对值，且信号变化幅度越大，压力度值也就越大。当然，所述受光器件还可以是三极管等光敏器件；具体为光敏三极管，当光源照射到光敏三极管表面上时，会使光敏三极管产生集电极电流，该电流的大小与光照的强弱成正比；其中，例如PNP型三极管的集电极接正电源，发射极接负电源；NPN型三极管的发射极接正电源；集电极接负电源；因此在光照环境改变时，所述光敏三极管的集电极电流也将会变化从而进一步使得光敏三极管两端的电压发生改变。

优选的是，所述处理装置40通过一信号处理电路获得在所述面板10上被按压的预设按键位和/或其按压力度值；所述处理装置40包括至少一个中央处理器，所述信号处理电路包括至少一个中央处理器与所述信号采集点24直接或间接连接，并且中央处理器在根据每组光敏器件组20反馈的所述电信号与初始采集的所述初始电信号，判断上述两者的所述信号变化差值达到预设的信号变化阈值时，进一步再判断多组所述信号变化差值的最大值和次大值之间的倍数值达到预设的倍数阈值时，输出所述最大值所对应的预设按键位的按键序列号和/或其按压力度值；所述按键序列号对应于所述预设按键位上的按键标记。

其中，中央处理器预设的所述信号变化阈值用于筛选过滤掉部分轻微的光信号变化误差，避免由轻微的光照变化而造成处理装置的误判结果；而预设的所述倍数阈值则用于筛选过滤掉部分因触摸按压某一预设按键位而导致临近区域的其他预设按键位的下表面的光信号变化差值也达到上述信号变化阈值的误差；优选的是，所述倍数阈值为1.2倍以上，以防止手指50按偏，从而适应判断压力施加于两个按键之间的情况。

更好的是，所述中央处理器进一步再判断多组所述信号变化差值的最大值和次大值之间的倍数值达到预设的倍数阈值时之后，比对所述最大值的信号变化波形与预设的人手触摸压力曲线波形符合时，则输出所述最大值所对应的预设按键位的按键序列号和/或其按压力度值。

本实施例的所述处理装置40包括一个中央处理器，该中央处理器与多组所述光敏器件组20连接，即所述处理装置40即为一个中央处理器。优选的，如图5，所述中央处理器内置多个部件，具体包括：

模拟开关装置(SW)401，分别连接于所述信号采集点24和数模转换装置402；所述模拟开关装置401对多组所述光敏器件组20反馈的所述电信号的模拟信号进行监控，并将多组所述模拟信号轮流切换到数模转换装置402输入；

数模转换装置(ADC)402，分别连接于所述模拟开关装置401和算术逻辑部件运算器403，将接入的所述模拟信号转换为数字信号；

算术逻辑部件运算器(ALU)403，用于执行所述中央处理器的逻辑运算及判断。

在该实施例中，CPU同时内置有模拟开关SW、ADC以及ALU，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。ALU根据转换后的数字信号进行上述中央处理器执行的多个逻辑运算及判断。

参见图6，提供了采用上述任一实施例提供的压力触控键盘实现压力触控方法的流程，包括步骤如下

S601、将对应设置于所述面板10下的至少一个光敏器件组20上电工作；

S602、所述至少一组光敏器件组20发出恒定强度光并将接收到的经所述面板的所述预设按键位的下表面反射的光的光强度信号转化为电信号；

S603、处理装置40根据所述光敏器件组20反馈的所述电信号与所述预设按键位在未施压状态下的初始电信号的信号变化差值，获得在所述面板上被按压的所述预设按键位和/或按压力度值。

如图7，优选的是，所述基于光学感应的压力触控键盘的具体工作步骤如下：

S701、光敏器件组20开机上电，接收经预设按键位下方反射的光强度信号并转化为电信号；

S702、处理装置40接受全部的所述光敏器件组20反馈的所述电信号；

S703、所述处理装置40判断所述电信号与初始电信号的信号变化差值是否达到预设的信号变化阈值？若是，则执行步骤S704，若否，则执行步骤S702；

S704、所述处理装置40进一步判断多组所述信号变化差值的最大值和次大值之间的倍数值是否达到预设的倍数阈值？若是，则执行步骤S705，若否，则执行步骤S702；

S705、所述处理装置40比对所述最大值的信号变化波形与预设的人手触摸压力曲线波形是否符合。若符合，则执行步骤S706，若不符，则执行步骤S702；该人手触摸压力曲线波形是经过长期实践获得的经验曲线，该人手触摸压力曲线波形相符合，则表明产生所述最大值的信号变化波形的对应按键被按下。

S706、输出所述最大值所对应的预设按键位的按键序列号与其按压力度值。

综上所述，本发明通过将基于光学感应的压力触控键盘设置包括有：板面设置有至少一个预设按键位的一面板；对应设置于所述至少一个预设按键位的下方的至少一组光敏器件组，且用以发出恒定强度光并将接收到的经所述面板的所述预设按键位的下表面反射的光的光强度信号转化为电信号；处理装置，根据所述光敏器件组反馈的所述电信号与所述预设按键位在未施压状态下的初始电信号的信号变化差值，获得在所述面板上被按压的所述预设按键位和/或其按压力度值。本发明通过感应光敏传感器信号变化来判断表面材质的变形，进而判断是否有触摸动作。有益效果是：不需要专用的压力传感器或光纤，生产成本低；不仅可以在任何材料上实现触控，还可以在表面有水、油污的环境中使用，克服了油污、酸碱等对传统按键的腐蚀以致损坏的缺点、使用寿命长。

当然，本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (9)

1.一种基于光学感应的压力触控键盘，其特征在于，包括有：

一面板，其板面设置有至少一个预设按键位，所述预设按键位上标识有不同的按键标记；

至少一组光敏器件组，对应设置于所述预设按键位的下方，所述光敏器件组包括发光器件和受光器件，照射在预设按键位的下表面，所述受光器件接收经预设按键位的下表面反射的光的光强度信号并将其转化为电信号；

处理装置，根据所述受光器件反馈的电信号与预设按键位在未施压状态下的初始电信号的信号变化差值，获得在所述面板上被按压的所述预设按键位或其按压力度值。

2.一种基于光学感应的压力触控键盘，其特征在于，所述发光器件发出的光为恒定强度光。

3.根据权利要求2所述的压力触控键盘，其特征在于，所述光敏器件组通过一信号采集电路将接收到的经所述预设按键位的下表面反射的光的光强度信号转化为电信号；

其中，所述信号采集电路包括相互并联的所述发光器件与所述受光器件；与所述受光器件串联的分压电阻，所述受光器件与所述分压电阻之间设置有反映所述受光器件电阻值变化的信号采集点。

4.根据权利要求3所述的压力触控键盘，其特征在于，所述正电压从所述受光器件的一端输入，从另一端输出，再经所述分压电阻接地；或者

所述正电压从所述分压电阻接入到所述受光器件的一端，所述受光器件的另一端接地。

5.根据权利要求3所述的压力触控键盘，其特征在于，所述处理装置通过一信号处理电路获得在所述面板上被按压的所述预设按键位和/或其按压力度值；

所述处理装置包括至少一个中央处理器，所述信号处理电路包括所述至少一个中央处理器与所述信号采集点直接或间接连接，并且所述中央处理器在根据每组所述光敏器件组反馈的所述电信号与初始采集的所述初始电信号，判断上述两者的所述信号变化差值达到预设的信号变化阈值时，进一步再判断多组所述信号变化差值的最大值和次大值之间的倍数值达到预设的倍数阈值时，输出所述最大值所对应的预设按键位的按键序列号和/或其按压力度值；

所述按键序列号对应于所述预设按键位上的按键标记。

6.根据权利要求5所述的压力触控键盘，其特征在于，所述中央处理器进一步再判断多组所述信号变化差值的最大值和次大值之间的倍数值达到预设的倍数阈值时之后，比对所述最大值的信号变化波形与预设的人手触摸压力曲线波形符合时，则输出所述最大值所对应的预设按键位的按键序列号和/或其按压力度值。

7.根据权利要求5所述的压力触控键盘，其特征在于，所述中央处理器包括：

模拟开关装置，分别连接于所述信号采集点和数模转换装置；所述模拟开关装置对多组所述光敏器件组反馈的所述电信号的模拟信号进行监控，并将多组所述模拟信号轮流切换到数模转换装置输入；

数模转换装置，分别连接于所述模拟开关装置和算术逻辑部件运算器，将接入的所述模拟信号转换为数字信号；

算术逻辑部件运算器，用于执行所述中央处理器的逻辑运算及判断。

8.一种利用权利要求1～7任一项所述的压力触控键盘实现压力触控方法，其特征在于，包括以下步骤：

将对应设置于所述面板下的至少一个光敏器件组上电工作；

所述至少一组光敏器件组，对应设置于所述预设按键位的下方，所述光敏器件组包括发光器件和受光器件，照射在预设按键位的下表面，所述受光器件接收经预设按键位的下表面反射的光的光强度信号并将其转化为电信号；

处理装置，根据所述受光器件反馈的电信号与预设按键位在未施压状态下的初始电信号的信号变化差值，获得在所述面板上被按压的所述预设按键位或其按压力度值。

9.根据权利要求8所述的压力触控键盘实现压力触控方法，其特征在于，所述发光器件发出的光为恒定强度光。