CN113595544A - 一种电感式全密封防爆键盘系统及使用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种电感式全密封防爆键盘系统，包括CPU及射频信号产生电路、谐振电容、电感线圈、采样电阻、有效值检波电路、ADC转换电路和接口电路；本发明还提供一种电感式全密封防爆键盘系统使用方法，包括以下步骤：电感线圈感应手指的触摸动作，在有手指的触摸时，电感线圈的电阻变化，生成手指触摸动作；有效值检波电路通过第一采样电阻R2检测到的直流电压发生变化；ADC转换电路将检测到的手指的触摸动作转化为手指的触摸信号发送给CPU及射频信号产生电路；CPU及射频信号产生电路根据手指的触摸信号生成响应的数字量发送给接口电路。本发明为一种用手指即可触摸感应的按键；该按键为全密封结构，尤其适用于防爆要求的场合。
Description
技术领域
本发明涉及防爆设备领域，具体涉及一种电感式全密封防爆键盘系统及使用方法。
背景技术
市面上常见的电感按键或者电容按键无法满足油库、加油站等应用环境。另外大多数电感式按键需要配备专门的触摸笔用以发射一定频率的信号，经常发生触摸笔丢失导致键盘无法使用的现象。
常规的金属键盘有两个缺点：一是-40℃时，橡胶或者硅胶弹垫弹性会失灵造成按键卡滞；二是寿命有限，大约在50000次后弹性材料会彻底失去弹性。
电容式键盘在加装防爆玻璃后灵敏度会降低甚至无法使用。
因此，需要对现有技术进行改进。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种高效的电感式全密封防爆键盘系统及使用方法。
为解决上述技术问题，本发明公开一种电感式全密封防爆键盘系统，包括CPU及射频信号产生电路、谐振电容、电感线圈、采样电阻、有效值检波电路、ADC转换电路和接口电路；
所述谐振电容和电感线圈连接，电感线圈与并联设置的采样电阻和有效值检波电路连接，并联设置的采样电阻和有效值检波电路依次与ADC转换电路和CPU及射频信号产生电路连接，CPU及射频信号产生电路分别与接口电路及谐振电容连接。
作为对本发明一种电感式全密封防爆键盘系统的改进：
所述谐振电容包括第一谐振电容C1和第二谐振电容C2；
所述电感线圈包括第一电感线圈L1；
所述采样电阻包括第一采样电阻R2；
CPU及射频信号产生电路一端与第二谐振电容C2一端连接，第二谐振电容C2另一端与第一电感线圈L1一端连接，第一电感线圈L1另一端与匹配电阻R1一端连接，匹配电阻R1另一端与并联设置的有效值检波电路和第一采样电阻R2一端连接，并联设置的有效值检波电路和第一采样电阻R2另一端通过ADC转换电路后与CPU及射频信号产生电路另一端连接；第一谐振电容C1并联于第一电感线圈L1及匹配电阻R1串联后的两端；
CPU及射频信号产生电路还与接口电路连接。
作为对本发明一种电感式全密封防爆键盘系统的改进：
CPU及射频信号产生电路具有三个作用：一是产生0.5M～50MHz的激励信号；二是控制ADC转换电路将手指的触摸信号转换为响应的数字量；三是将按键的编码值转换为4～20mA的电流信号，4～20mA的电流用于识别按键。
作为对本发明一种电感式全密封防爆键盘系统的改进：
所述谐振电容与电感线圈用于感应手指的触摸动作；没有触摸动作时，二者处于谐振状态，加在两者上的电压之和为0；当手指靠近电感线圈的时候，电感线圈的阻抗改变，二者处于非谐振状态。
作为对本发明一种电感式全密封防爆键盘系统的改进：
有效值检波电路用于将采样电阻的交流射频信号转换为可以由ADC转换电路直接转换的直流电压信号；
ADC转换电路将手指的触摸动作转化为可以被CPU及射频信号产生电路识别的数字信号作为手指的触摸信号；手指触摸动作将会导致ADC转换结果的显著增大。
本发明还提供一种电感式全密封防爆键盘系统使用方法，包括以下步骤：
电感线圈感应手指的触摸动作，在有手指的触摸时，电感线圈的电阻变化，生成手指触摸动作；有效值检波电路通过第一采样电阻R2检测到的直流电压发生变化；
ADC转换电路将检测到的手指的触摸动作转化为手指的触摸信号发送给CPU及射频信号产生电路；
CPU及射频信号产生电路根据手指的触摸信号生成响应的数字量发送给接口电路。
本发明还提供一种电感式全密封防爆键盘系统使用方法，包括以下步骤：
第一电感线圈L1与谐振电路的谐振频率公式如下：
Z1+Z2＝0
公式中：Z1代表第二谐振电容C2的阻抗；
Z2代表元件匹配电阻R1、第一谐振电容C1和第一电感线圈L1三者的总阻抗；
ω代表角频率，可以由时间频率计算得到：
ω＝2πf0
公式中：f0代表频率；
则可以计算出，电路的谐振频率为：
作为对本发明一种电感式全密封防爆键盘系统使用方法的改进：
取C1＝1pF,C2＝8.2pF；代入上述公式：此时谐振频率为f0＝16.594MHz。
本发明一种电感式全密封防爆键盘系统的技术优势为：
本发明为一种用手指即可触摸感应的按键；该按键为全密封结构。另外，该按键可以输出4～20mA信号，尤其适用于防爆要求的场合。
本发明直接采用成熟的ARM处理器技术，直接由单片机(CPU及射频信号产生电路)产生0.5M～50MHz的激励信号，不需要外加信号源从而降低了电路复杂度节省了成本；
本发明采用成熟的电路板与微型线圈加工技术，保证第一电感线圈L1的品质因数在15～90之间，品质因数是一个优选的值(品质因数太低，手指靠近按键的时候电压的变化不够明显；品质因数太高则手指的干湿状态可能会导致按键识别错误)。
本发明的电感式键盘寿命接近于无限次：因为不用发生触摸，不存在机械磨损或者材料疲劳的问题。本发明的电感式键盘是感应距离远：即使加装5mm厚度的玻璃依然可以检测到按键。
附图说明
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。
图1是本发明一种电感式全密封防爆键盘系统的模块示意图；
图2是本发明一种电感式全密封防爆键盘系统的电路原理图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行进一步描述，但本发明的保护范围并不仅限于此。
实施例1、一种电感式全密封防爆键盘系统，如图1-2所示，包括CPU及射频信号产生电路1、谐振电容2、电感线圈3、采样电阻4、有效值检波电路5、ADC转换电路6和接口电路7。
谐振电容2和电感线圈3连接，电感线圈3与并联设置的采样电阻4和有效值检波电路5连接，并联设置的采样电阻4和有效值检波电路5依次与ADC转换电路6和CPU及射频信号产生电路1连接，CPU及射频信号产生电路1分别与接口电路7及谐振电容2连接。
谐振电容2包括第一谐振电容C1和第二谐振电容C2；
电感线圈3包括第一电感线圈L1；
采样电阻4包括第一采样电阻R2；
具体连接关系为：CPU及射频信号产生电路1一端与第二谐振电容C2一端连接，第二谐振电容C2另一端与第一电感线圈L1一端连接，第一电感线圈L1另一端与匹配电阻R1一端连接，匹配电阻R1另一端与并联设置的有效值检波电路5和第一采样电阻R2一端连接，并联设置的有效值检波电路5和第一采样电阻R2另一端通过ADC转换电路6后与CPU及射频信号产生电路1另一端连接。第一谐振电容C1并联于第一电感线圈L1及匹配电阻R1串联后的两端。
CPU及射频信号产生电路1还与接口电路7连接。
匹配电阻R1用于调节品质因数。
CPU及射频信号产生电路1具有三个作用：一是产生0.5M～50MHz的激励信号(电压等不变)；二是控制ADC转换电路6将手指的触摸信号转换为响应的数字量(亦即按键的编码值)；三是将按键的编码值转换为4～20mA的电流信号，4～20mA的电流用于识别按下了哪一个按键(例如：4mA表示按下了键盘上的数字1；5mA代表按下了键盘上的数字2等)。
在本发明中每个按键均对应一个第一电感线圈L1，每个按键的编码值都转换不同的电流信号。
谐振电容2与电感线圈3用于感应手指的触摸动作。没有触摸动作时，二者处于谐振状态，加在两者上的电压之和为0。当手指靠近电感线圈3的时候(即有触摸动作的时候)，电感线圈3的阻抗改变，二者处于非谐振状态。
采样电阻4用于识别是否发生了触摸动作。谐振状态时，采样电阻4上的电压为0.7Vcc以上(即如果供电为5V，则采样电阻4上的电压在3.5V以上)；非谐振状态时(没有手指触摸)，采样电阻4上的电压为0.2Vcc以下(即如果供电为5V，则采样电阻4上的电压在1.0V以下)。
有效值检波电路5用于将采样电阻4的交流射频信号转换为可以由ADC转换电路6直接转换的直流电压信号。
ADC转换电路6将手指的触摸动作转化为可以被CPU及射频信号产生电路1识别的数字信号作为手指的触摸信号。手指触摸动作将会导致ADC转换结果的显著增大。
4～20mA接口电路7用于防爆场合下的专用接口。
本发明提供一种电感式全密封防爆键盘的使用方法，包括以下步骤：
第一电感线圈L1感应手指的触摸动作，在有手指的触摸时，第一电感线圈L1的电阻变化，生成手指触摸动作；有效值检波电路5通过第一采样电阻R2检测到的直流电压发生变化；
ADC转换电路6将检测到的手指的触摸动作转化为手指的触摸信号发送给CPU及射频信号产生电路1；
CPU及射频信号产生电路1根据手指的触摸信号生成响应的数字量发送给接口电路7。
第一电感线圈L1与谐振电路的具体实现如图2所示：
谐振频率公式如下：
Z1+Z2＝0
公式中：Z1代表第二谐振电容C2的阻抗；
Z2代表元件匹配电阻R1、第一谐振电容C1和第一电感线圈L1三者的总阻抗；
ω代表角频率，可以由时间频率计算得到；
ω＝2πf0
f0代表频率；
为方便工程实现，取C2＝8.2C1＝8.2C；C为国际标准系列电容值。批量生产的时候所有的器件均采用标准化的器件，比如取两个电容(第一谐振电容C1和第二谐振电容C2)的电容值分别为1皮法与8.2皮法(上述两个元件均为标准件，无需找厂家定制)。
则可以计算出，电路的谐振频率为：
C1＝1pF，C2＝8.2pF；代入上述公式：此时谐振频率为f0＝16.594MHz。
最后，还需要注意的是，以上列举的仅是本发明的若干个具体实施例。显然，本发明不限于以上实施例，还可以有许多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种电感式全密封防爆键盘系统，其特征在于：包括CPU及射频信号产生电路(1)、谐振电容(2)、电感线圈(3)、采样电阻(4)、有效值检波电路(5)、ADC转换电路(6)和接口电路(7)；
所述谐振电容(2)和电感线圈(3)连接，电感线圈(3)与并联设置的采样电阻(4)和有效值检波电路(5)连接，并联设置的采样电阻(4)和有效值检波电路(5)依次与ADC转换电路(6)和CPU及射频信号产生电路(1)连接，CPU及射频信号产生电路(1)分别与接口电路(7)及谐振电容(2)连接。
2.根据权利要求1所述的一种电感式全密封防爆键盘系统，其特征在于：
所述谐振电容(2)包括第一谐振电容C1和第二谐振电容C2；
所述电感线圈(3)包括第一电感线圈L1；
所述采样电阻(4)包括第一采样电阻R2；
CPU及射频信号产生电路(1)一端与第二谐振电容C2一端连接，第二谐振电容C2另一端与第一电感线圈L1一端连接，第一电感线圈L1另一端与匹配电阻R1一端连接，匹配电阻R1另一端与并联设置的有效值检波电路(5)和第一采样电阻R2一端连接，并联设置的有效值检波电路(5)和第一采样电阻R2另一端通过ADC转换电路(6)后与CPU及射频信号产生电路(1)另一端连接；第一谐振电容C1并联于第一电感线圈L1及匹配电阻R1串联后的两端；
CPU及射频信号产生电路(1)还与接口电路(7)连接。
3.根据权利要求2所述的一种电感式全密封防爆键盘系统，其特征在于：
CPU及射频信号产生电路(1)具有三个作用：一是产生0.5M～50MHz的激励信号；二是控制ADC转换电路(6)将手指的触摸信号转换为响应的数字量；三是将按键的编码值转换为4～20mA的电流信号，4～20mA的电流用于识别按键。
4.根据权利要求3所述的一种电感式全密封防爆键盘系统，其特征在于：
所述谐振电容(2)与电感线圈(3)用于感应手指的触摸动作；没有触摸动作时，二者处于谐振状态，加在两者上的电压之和为0；当手指靠近电感线圈(3)的时候，电感线圈(3)的阻抗改变，二者处于非谐振状态。
5.根据权利要求4所述的一种电感式全密封防爆键盘系统，其特征在于：
有效值检波电路(5)用于将采样电阻(4)的交流射频信号转换为可以由ADC转换电路(6)直接转换的直流电压信号；
ADC转换电路(6)将手指的触摸动作转化为可以被CPU及射频信号产生电路(1)识别的数字信号作为手指的触摸信号；手指触摸动作将会导致ADC转换结果的显著增大。
6.利用如权利要求1-5任一所述一种电感式全密封防爆键盘系统的一种电感式全密封防爆键盘系统使用方法，其特征在于：包括以下步骤：
电感线圈(3)感应手指的触摸动作，在有手指的触摸时，电感线圈(3)的电阻变化，生成手指触摸动作；有效值检波电路(5)通过第一采样电阻R2检测到的直流电压发生变化；
ADC转换电路(6)将检测到的手指的触摸动作转化为手指的触摸信号发送给CPU及射频信号产生电路(1)；
CPU及射频信号产生电路(1)根据手指的触摸信号生成响应的数字量发送给接口电路(7)。
7.利用如权利要求1-5任一所述一种电感式全密封防爆键盘系统的一种电感式全密封防爆键盘系统使用方法，其特征在于：包括以下步骤：
第一电感线圈L1与谐振电路的谐振频率公式如下：
Z1+Z2＝0
公式中：Z1代表第二谐振电容C2的阻抗；
Z2代表元件匹配电阻R1、第一谐振电容C1和第一电感线圈L1三者的总阻抗；
ω代表角频率，可以由时间频率计算得到：
ω＝2πf0
公式中：f0代表频率；
则可以计算出，电路的谐振频率为：
8.根据权利要求7所述的一种电感式全密封防爆键盘系统使用方法，其特征在于：
取C1＝1pF,C2＝8.2pF；代入上述公式：此时谐振频率为f0＝16.594MHz。
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