CN111586945A - 单键触压调光开关及开关调光方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及照明开关与调光技术领域，具体公开一种单键触压调光开关，包括面板、触摸键及电路板，所述触摸键密封嵌装于面板上，所述触摸键通过一对平面电极与电路板电性连接，触摸键包括树脂基体和散布在树脂基体中的导电单体，导电单体为微碳线圈或包含微碳线圈的多种导电单体混合物，通过触摸键的触压时间和触压后电压变化值控制照明负载的开关和调光。本发明利用微碳线圈在微压力下阻抗发生线性变化的特性，采用微碳线圈与树脂复合材料制作单键触摸键，这样可大大减小调光开关的占用空间，表面积小，并在触压压力达到预设阈值后才是有效触压动作，可避免误动作，并且本发明只需单个触摸键就能够同时实现开关以及连续调亮和连续调暗。

Description

单键触压调光开关及开关调光方法

技术领域

本发明属于照明开关与调光技术领域，具体涉及一种单键触压调光开关及开关调光方法。

背景技术

随着各类电子产品的应用，人们对电器的操作方面从以往的点击按键渐转变向划动、触控，为适应趋势，简化控制操作，灯具的控制器需要作出相应的改进。触摸开关在家用电器等电子设备上广泛应用，但现有触摸调光开关需要多个触摸键，或者触摸开关面板较大才能实现调光和开关功能。这种触摸开关不适合安装在位置空间较小的场合。另外，传统感应式触摸开关很容易出现误动作，比如无意触碰、水滴潮湿干扰等。因此，开发单键触压调光开关应用前景良好，开关面板小，单键微压力操作，可避免调光开关面板面积过大和误动作的缺陷。

发明内容

本发明目的在于提供一种单键触压调光开关，可避免调光开关面板面积过大和误动作的缺陷。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

单键触压调光开关，包括面板、触摸键及电路板，所述触摸键密封嵌装于面板上，所述触摸键通过一对平面电极与电路板电性连接，所述触摸键包括树脂基体和散布在树脂基体中的导电单体，所述导电单体为微碳线圈或包含微碳线圈的多种导电单体混合物，通过触摸键的触压时间和触压后电压变化值控制照明负载的开关和调光。

优选地，所述平面电极的一端埋入触摸键底部靠近电路板的位置处。

优选地，所述树脂基体为聚硅氧烷树脂、聚氨酯树脂、苯乙烯与热塑性弹性体的共聚物树脂、环氧树脂中的一种，树脂基体具有弹性且硬度适中，硬度太小时，树脂基体变得太软并且噪声检测变大，硬度太大时，树脂基体变得太硬，导致灵敏度降低。树脂基体的JIS-A硬度优选为10～100，更优选为15～50。

优选地，所述导电单体还包括炭黑、线型碳纤维、导电金属微细颗粒和导电金属纤维中的一种或多种混合。

优选地，所述触摸键的制备方法具体步骤为：

步骤a、制备微碳线圈：把以镍为主的过渡金属为催化剂均匀地分布在导热性较好的反应基板上，放入能够导入气体的高温反应炉，将反应器内在氮气气氛下加热至730℃～800℃，再在保持恒温条件下通入气态碳氢化合物、氢气和氮气，同时用氢气流导入含硫的气相催化反应促进剂，反应1小时～5小时，达到所定反应时间则停止通入氮气以外的其它气体，冷却，把生长在反应基板上的毛绒状微碳线圈收割，备用；

步骤b、调配混合液：取基体树脂 和包含步骤a制得的微碳线圈的导电单体，微碳线圈的用量为基体树脂的3wt％～8wt％，加入离心机搅拌混合后再加入适量的固化剂，继续搅拌 至混合均匀，制得混合液；

步骤c、成型固化：成型用的浇注模中预埋设有一对平面电极，将步骤b制得的混合液在真空下脱泡后浇注于浇注模中，在室温下模压、固化。

优选地，所述电路板具有控制电路、电源电路、调光信号采集电路和振荡电路，所述振荡电路的输出端电性连接调光信号采集电路，所述调光信号采集电路的电压信号输出端以及电源电路分别与控制电路电性连接，所述调光信号采集电路包括所述触摸键，所述控制电路通过场效应管Q2与照明负载的电路回路连接。

优选地，所述调光信号采集电路还包括场效应管Q1、电容C2、电容C3、电阻R3、电阻R4和电阻R5，所述触摸键与电阻R3串联组成分压电路，所述电阻R4的一端电连接在电阻R3和触摸键的公共端而电阻R4的另一端电连接在场效应管Q1的栅极，所述场效应管Q1的栅极还电连接有电容C2，所述场效应管Q1的源极连接供电电压VCC，所述场效应管Q1的漏极 电连接至控制电路的微处理器，所述电容C3和电阻R5并联组成滤波电路并电连接在场效应管Q1的漏极。

优选地，所述振荡电路包括振荡电路芯片，所述振荡电路芯片的信号输出端电连接在电阻R3。

优选地，所述控制电路还包括微处理器和电阻R6，所述电阻R6的一端连接至供电电压VCC而另一端连接至场效应管Q2的栅极，所述微处理器的信号输出端电连接在场效应管Q2的栅极，所述场效应管Q2的漏极和源极与照明的电路回路连接。

本发明还进一步提供一种单键触压调光开关的开关调光方法，具体为：

初始开灯状态：设定轻触电压变化阈值Vthl、重触电压变化阈值Vthh和触压时间阈值Tth，开机通电直接进入开灯状态，将此无触压时的电压值记为V0；

工作时采集的电压值记为V并判断电压变化值V-V0，先比较电压变化值与轻触电压变化阈值Vthl来判断是否有触压动作，若小于则为无效动作，若大于则为有效动作，进入延时判断动作类型程序；

比较延时时间Tth后的电压变化值与轻触电压变化阈值Vthl来判断触压动作是短触或长触，若小于则为短触，进入关灯程序并执行关灯动作，若大于则为长触并进入调光程序；

程序处于关灯程序时，只要有触压动作就认定为开灯动作，然后在触压动作完成后，即V-V0＜Vthl，程序回到初始开灯状态；

程序处于调光程序时，比较电压变化值与重触电压变化阈值Vthh来判断是重触压或轻触压，若大于则为重触压，进入调亮程序，亮度mk加一档；若小于则为轻触压，进入调暗程序，亮度mk减一档；且程序每进入调光状态一个Tth时间周期后，马上回到初始开灯状态；若触摸键一直处于触压状态，程序则在初始开灯状态到调光状态之间一直循环，实现亮度连续调节功能。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、本发明利用微碳线圈在微压力下阻抗发生线性变化的特性，采用微碳线圈与树脂复合材料制作单键触摸键，这样可大大减小调光开关的占用空间，表面积小，并在触压压力达到预设阈值后才是有效触压动作，可避免误动作，并且本发明只需单个触摸键就能够同时实现开关以及连续调亮和连续调暗。

2、通常的微碳线圈复合材料的阻抗是通过测量上下间隔的两个平板电极之间的电压得到的，但上下电极结构不利于器件与电路板的连接，上电极板与电路板连接时需要弯曲成Z字形，当触压上电极板时容易引起上电极板形变或松动，而本发明的触摸键与电路板之间是通过平面电极相连接的，可避免传统上下电极布置的上述技术缺陷，使用寿命更长，可减少后期维护成本，同时与面板之间的密封性强，起到防潮防水作用。

附图说明

图1为本发明调光开关的结构示意图。

图2为本发明触摸键与平面电极侧视图。

图3为本发明触摸键的等效电路图。

图4为本发明微碳线圈的形变引起的电阻变化原理图。

图5为本发明调光开关的电路板电路图。

图6为本发明控制电路的电路图。

图7为本发明调光信号采集电路的电路图。

图8为本发明电阻R3和触摸键的分压信号示意图。

图9为本发明场效应管Q1的控制电压示意图。

图10为本发明调光直流电压信号示意图。

图11为本发明单键触压调光开关的开关调光流程图。

图中标记：10、触摸键；20、面板；30、电路板；40、平面电极；31、控制电路；32、调光信号采集电路；33、振荡电路；34、电源电路。

具体实施方式

为了让本发明的上述特征和优点更明显易懂，下面特举实施例，并配合附图，作详细说明如下。

如图1-2所示，本实施例提供一种单键触压调光开关，包括面板20、触摸键10及电路板30，所述电路板30设置在面板20的背面一侧，所述触摸键10密封嵌装于面板20上，所述触摸键10通过一对平面电极40与电路板30电性连接，本发明通过触摸键10的触压时间和触压后电压变化值控制照明负载的开关和调光。

在本实施例中，所述触摸键10包括树脂基体和散布在树脂基体中的导电单体，所述导电单体为微碳线圈或包含微碳线圈的多种导电单体混合物，其他的导电单体比如炭黑、线型碳纤维、导电金属微细颗粒和导电金属纤维中的一种或多种混合。所述树脂基体可采用聚硅氧烷树脂、聚氨酯树脂、苯乙烯与热塑性弹性体的共聚物树脂、环氧树脂中的一种。树脂基体具有弹性且硬度适中，硬度太小时，树脂基体变得太软并且噪声检测变大，硬度太大时，树脂基体变得太硬，导致灵敏度降低。树脂基体的JIS-A硬度优选为10～100，更优选为15～50。

由于本实施例的触摸键10采用树脂作为基体，很容易制成与周围的面板20侧壁相密封的按键，以起到防潮防水的作用，并且具有弹性，手指触感类似接触人体皮肤，使得按键操作在舒适、安全、健康和效率等几个方面的特性得以提高，符合人体工程学要求，而且区别于现有调光开关采用的机械部件，本实施例的调光开关不易磨损、使用寿命更长，可减少后期维护成本。另，面板20的表面积只需足够覆盖触摸键10和电路板30即可，占用空间小。

本实施例的触摸键10的顶面与面板20正面平齐或略微凸出面板20正面，触摸键10的底部相对面板20背面凸出，而一对平面电极40水平并排设置且各自一端分别埋入触摸键10底部靠近电路板30的位置处，即平面电极40与触摸键10一起成型固化并紧密结合在一起，增加了接触面积和连接强度，也便于使触摸键10与面板20密封设置，优选地平面电极40下表面与触摸键10底面的距离为1±0.2mm。本实施例采用平面电极40，平面电极40的另一端可直接焊接在电路板30上，可克服上下电极结构的触摸键不利于与电路板连接以及上电极处于悬空状态而在触压时容易引起上电极形变或松动的技术缺陷。

本实施例的触摸键10的制备方法具体步骤为：

步骤a、制备微碳线圈：把以镍为主的过渡金属为催化剂均匀地分布在导热性较好的反应基板上，放入能够导入气体的高温反应炉，将反应器内在氮气气氛下加热至730℃～800℃，再在保持恒温条件下通入气态碳氢化合物、氢气和氮气，同时用氢气流导入含硫的气相催化反应促进剂，反应1小时～5小时，达到所定反应时间则停止通入氮气以外的其它气体，冷却，把生长在反应基板上的毛绒状微碳线圈收割，备用；其中，碳氢化合物可为乙炔、乙烯或丙烷，碳氢化合物的导入流量是每平方厘米基板面积0.5sccm～3sccm，氢气和碳氢化合物的导入量之比为0.5～2：1，氮气和氢气的导入量之比为0.5～1：1，含硫的气相催化反应促进剂的导入量为保证在气相中硫的体积浓度为0.01～1％。

步骤b、调配混合液：取基体树脂和包含步骤a制得的微碳线圈的导电单体，微碳线圈的用量为基体树脂的3wt％～8wt％，加入离心机搅拌混合后再加入适量的固化剂，继续搅拌至混合均匀，搅拌速度为2000rpm～2500rpm，制得混合液；优选地，所述微碳线圈的螺旋直径大于1微米，因为螺旋直径为1微米以下的纳米碳线圈的合成产率低，制作成本高得多；进一步优选地，所述微碳线圈的螺旋直径范围为3微米～12微米，因为这样的微碳线圈合成产率高，制造本发明产品的成本低，有利于实现产业化，而微碳线圈的长度优选为90微米～500微米。

步骤c、成型固化：成型用的浇注模中预埋设有一对平面电极40，将步骤b制得的混合液在真空下脱泡后浇注于浇注模中，在室温下模压、固化。

本实施例采用的微碳线圈的阻抗主要由电感(L)、电容(C)和电阻(R)的特性决定，而相邻微碳线圈之间同时存在接触电阻和接触电容，形成如图3所示的等效电路。因此，触摸键10的阻抗不仅包括众多微碳线圈的LCR电路阻抗，而且包括散布在树脂基体的微碳线圈之间的电路阻抗。当对触摸键10施加不同压力，树脂基体和微碳线圈发生不同的形变，LCR电路阻抗和微碳线圈之间的接触阻抗也相应发生变化。由于电极上施加有一定频率的电压，阻抗的变化将使输出电压发生相应变化，进而导致分压信号发生变化。

传统方法采用上下电极结构，电极间的电容值比较大，电容的变化对阻抗影响较大。本实施例采用的平面电极结构，因电极间的电容量很小，依靠电容的变化灵敏度很低，所以通过添加多种导电单体混合物，比如炭黑颗粒、线型碳纤维、导电金属微细颗粒或导电金属纤维等，以减小相邻微碳线圈之间的接触电阻和接触电容，这样微碳线圈的形变引起的电阻变化就起到主导作用，从而提高灵敏度。微碳线圈的形变引起的电阻变化原理如图4所示，在没有压力变形时，微碳线圈的相邻碳圈的碳丝彼此靠近（如图4中左图所示），微碳线圈电阻较小，当有压力发生形变时，微碳线圈局部碳圈分开距离较大（如图4中右图所示），微碳线圈电阻变大。

在本实施例中，所述电路板30具有控制电路31、电源电路34、调光信号采集电路32和振荡电路33，所述振荡电路33的输出端电性连接调光信号采集电路32，所述调光信号采集电路32的电压信号输出端以及电源电路34分别与控制电路31电性连接，如图5所示。

其中：如图6所示，所述控制电路31包括场效应管Q2、微处理器IC2和电阻R6，所述电阻R6的一端连接至供电电压VCC而另一端连接至场效应管Q2的栅极，所述微处理器IC2的信号输出端电连接在场效应管Q2的栅极，所述场效应管Q2的漏极和源极与照明的电路回路连接。所述电源电路34优选采用三端稳压集成电路3.3V，连接至微处理器IC2的VDD端子，为微处理器IC2提供工作电压。微处理器IC2优选采用单片机STM8，场效应管Q2优选采用MOSFET场效应管AP03N70。控制电路31中的微处理器IC2输出脉宽调制信号到场效应管Q2的栅极上，使场效应管Q2的漏极输出的电流呈现脉宽调制模式，用于照明负载的光亮度调节。

如图7所示，所述调光信号采集电路32包括触摸键10、场效应管Q1、电容C2、电容C3、电阻R3、电阻R4和电阻R5，所述触摸键10与电阻R3串联组成分压电路，所述电阻R4的一端电连接在电阻R3和触摸键10的公共端而电阻R4的另一端电连接在场效应管Q1的栅极，所述场效应管Q1的栅极还电连接有电容C2，所述场效应管Q1的源极连接供电电压VCC，所述场效应管Q1的漏极电连接至控制电路31的微处理器IC2，所述电容C3和电阻R5并联组成滤波电路并电连接在场效应管Q1的漏极，本实施例的场效应管Q1优选采用MOSFET场效应管8822。如图5所示，所述振荡电路33包括振荡电路芯片，振荡电路芯片优选采用振荡芯片555，用于产生方波信号，比如50kHz、100kHz，所述振荡电路芯片的信号输出端电连接在电阻R3。

其中，电阻R3用于将振荡电路芯片产生的方波信号加载到触摸键10上，同时电阻R3和触摸键10串联组成分压电路；电阻R4用于将电阻R3和触摸键10的分压信号耦合到场效应三极管Q1的栅极上，当触摸键10上的触压压力变化时，触摸键10的阻抗发生变化，分压信号也发生变化（如图8所示），从而使场效应管Q1栅极上的控制电压也发生变化（如图9所示）；电容C2用于滤除分压信号的高频成分，使控制电压信号变得平缓，以利于微处理器IC2采集调光直流电压信号（如图10所示）；电容C3的作用主要是滤波，以提取调光直流电压信号的直流成分；所述场效应管Q1的漏极即为本实施例调光信号采集电路32的电压信号输出端，场效应三极管Q1的漏极电流通过电阻R5和电容C3产生调光直流电压信号并输出至微处理器IC2的A/D信号采集通道，由微处理器IC2进行信号判断，微处理器IC2根据程序初始化采集的初始电压值V0，通过调光直流电压信号超过初始电压值V0的幅度和时间来判断触摸键10上的触压力度和触压时间，进而实现开关和亮度调节。

参见图11所示的流程图，本发明的单键触压调光开关的开关调光方法，具体为：

初始开灯状态：设定轻触电压变化阈值Vthl、重触电压变化阈值Vthh和触压时间阈值Tth，开机通电直接进入开灯状态，将此无触压时微处理器IC2采集的电压值记为V0；其中：轻触电压变化阈值Vthl比如1V，重触电压变化阈值Vthh比如2V，触压时间阈值Tth比如1.5秒。

工作时微处理器IC2采集的电压值记为V并判断电压变化值V-V0，先比较电压变化值与轻触电压变化阈值Vthl来判断是否有触压动作，若小于则为无效动作，返回重新采集调光直流电压信号；若大于则为有效动作，进入延时判断动作类型程序；

在延时判断动作类型程序中，比较延时时间Tth后的电压变化值与轻触电压变化阈值Vthl来判断触压动作是短触或长触，若小于则为短触，进入关灯程序并执行关灯动作，若大于则为长触并进入调光程序；

程序处于关灯程序时，只要有触压动作就认定为开灯动作，然后在触压动作完成后，即V-V0＜Vthl，程序回到初始开灯状态；

程序处于调光程序时，比较电压变化值与重触电压变化阈值Vthh来判断是重触压或轻触压，若大于则为重触压，进入调亮程序，亮度mk加一档；若小于则为轻触压，进入调暗程序，亮度mk减一档；且程序每进入调光状态一个Tth时间周期后，马上回到初始开灯状态；若触摸键10一直处于触压状态，程序则在初始开灯状态到调光状态之间一直循环，实现亮度连续调节功能，轻触压时间越长则亮度越暗，重触压时间越长则亮度越亮。

以上显示和描述了本发明创造的基本原理和主要特征及本发明的优点，本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明创造精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内，本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (10)

1.单键触压调光开关，其特征在于：包括面板、触摸键及电路板，所述触摸键密封嵌装于面板上，所述触摸键通过一对平面电极与电路板电性连接，所述触摸键包括树脂基体和散布在树脂基体中的导电单体，所述导电单体为微碳线圈或包含微碳线圈的多种导电单体混合物，通过触摸键的触压时间和触压后电压变化值控制照明负载的开关和调光。

2.根据权利要求1所述的单键触压调光开关，其特征在于：所述平面电极的一端埋入触摸键底部靠近电路板的位置处。

3.根据权利要求1所述的单键触压调光开关，其特征在于：所述树脂基体为聚硅氧烷树脂、聚氨酯树脂、苯乙烯与热塑性弹性体的共聚物树脂、环氧树脂中的一种。

4.根据权利要求1所述的单键触压调光开关，其特征在于：所述导电单体还包括炭黑、线型碳纤维、导电金属微细颗粒和导电金属纤维中的一种或多种混合。

5.根据权利要求3或4所述的单键触压调光开关，其特征在于：所述触摸键的制备方法具体步骤为：

步骤a、制备微碳线圈：把以镍为主的过渡金属为催化剂均匀地分布在导热性较好的反应基板上，放入能够导入气体的高温反应炉，将反应器内在氮气气氛下加热至730℃～800℃，再在保持恒温条件下通入气态碳氢化合物、氢气和氮气，同时用氢气流导入含硫的气相催化反应促进剂，反应1小时～5小时，达到所定反应时间则停止通入氮气以外的其它气体，冷却，把生长在反应基板上的毛绒状微碳线圈收割，备用；

步骤b、调配混合液：取基体树脂和包含步骤a制得的微碳线圈的导电单体，微碳线圈的用量为基体树脂的3wt％～8wt％，加入离心机搅拌混合后再加入适量的固化剂，继续搅拌至混合均匀，制得混合液；

步骤c、成型固化：成型用的浇注模中预埋设有一对平面电极，将步骤b制得的混合液在真空下脱泡后浇注于浇注模中，在室温下模压、固化。

6.根据权利要求1所述的单键触压调光开关，其特征在于：所述电路板具有控制电路、电源电路、调光信号采集电路和振荡电路，所述振荡电路的输出端电性连接调光信号采集电路，所述调光信号采集电路的电压信号输出端以及电源电路分别与控制电路电性连接，所述调光信号采集电路包括所述触摸键，所述控制电路通过场效应管Q2与照明负载的电路回路连接。

7.根据权利要求6所述的单键触压调光开关，其特征在于：所述调光信号采集电路还包括场效应管Q1、电容C2、电容C3、电阻R3、电阻R4和电阻R5，所述触摸键与电阻R3串联组成分压电路，所述电阻R4的一端电连接在电阻R3和触摸键的公共端而电阻R4的另一端电连接在场效应管Q1的栅极，所述场效应管Q1的栅极还电连接有电容C2，所述场效应管Q1的源极连接供电电压VCC，所述场效应管Q1的漏极电连接至控制电路的微处理器，所述电容C3和电阻R5并联组成滤波电路并电连接在场效应管Q1的漏极。

8.根据权利要求7所述的单键触压调光开关，其特征在于：所述振荡电路包括振荡电路芯片，所述振荡电路芯片的信号输出端电连接在电阻R3。

9.根据权利要求6所述的单键触压调光开关，其特征在于：所述控制电路还包括微处理器和电阻R6，所述电阻R6的一端连接至供电电压VCC而另一端连接至场效应管Q2的栅极，所述微处理器的信号输出端电连接在场效应管Q2的栅极，所述场效应管Q2的漏极和源极与照明的电路回路连接。

10.一种如权利要求1至9任一项的所述单键触压调光开关的开关调光方法，具体为：

初始开灯状态：设定轻触电压变化阈值Vthl、重触电压变化阈值Vthh和触压时间阈值Tth，开机通电直接进入开灯状态，将此无触压时的电压值记为V₀；

工作时采集的电压值记为V并判断电压变化值V-V₀，先比较电压变化值与轻触电压变化阈值Vthl来判断是否有触压动作，若小于则为无效动作，若大于则为有效动作，进入延时判断动作类型程序；

比较延时时间Tth后的电压变化值与轻触电压变化阈值Vthl来判断触压动作是短触或长触，若小于则为短触，进入关灯程序并执行关灯动作，若大于则为长触并进入调光程序；

程序处于关灯程序时，只要有触压动作就认定为开灯动作，然后在触压动作完成后，即V-V₀＜Vthl，程序回到初始开灯状态；

程序处于调光程序时，比较电压变化值与重触电压变化阈值Vthh来判断是重触压或轻触压，若大于则为重触压，进入调亮程序，亮度mk加一档；若小于则为轻触压，进入调暗程序，亮度mk减一档；且程序每进入调光状态一个Tth时间周期后，马上回到初始开灯状态；若触摸键一直处于触压状态，程序则在初始开灯状态到调光状态之间一直循环，实现亮度连续调节功能。

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