RU177075U1

RU177075U1 - Information input device

Info

Publication number: RU177075U1
Application number: RU2017126636U
Authority: RU
Inventors: Михаил Михайлович Уфимцев; Сергей Рафаильевич Ибатулин
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью "ТРЭМ ИННОВАЦИИ"
Priority date: 2017-07-25
Filing date: 2017-07-25
Publication date: 2018-02-07

Abstract

Полезная модель относится к устройствам ввода информации, в частности к емкостной сенсорной клавиатуре и может быть использована в промышленных устройствах, эксплуатирующихся в тяжелых условиях. Устройство ввода информации содержит печатную плату 1, на которой расположены сенсорные элементы 2 для соединения с микроконтроллером 5, при этом каждый сенсорный элемент 2 выполнен в виде двух токопроводящих дорожек 3, 4, первая токопроводящая дорожка 3 (ПТД) выполнена в форме рамки с выступами 7 на одной из сторон, обращенными внутрь рамки, вторая токопроводящая дорожка 4 (ВТД) расположена внутри рамки и выполнена в форме гребенки, между выступами 8 которой расположены выступы 7 ПТД 3. Техническим результатом полезной модели является обеспечение возможности управления клавиатурой как при наличии толстых усиленных защитных экранов, так и без них, благодаря выполнению сенсорных элементов, предназначенных для связи с микроконтроллером, особой вышеописанной формы.The invention relates to information input devices, in particular to a capacitive touch keyboard, and can be used in industrial devices operating in difficult conditions. The information input device contains a printed circuit board 1 on which the sensor elements 2 are located for connection with the microcontroller 5, each sensor element 2 is made in the form of two conductive tracks 3, 4, the first conductive path 3 (PDD) is made in the form of a frame with protrusions 7 on one of the sides facing the inside of the frame, the second conductive path 4 (VTD) is located inside the frame and is made in the form of a comb, between the protrusions 8 of which there are protrusions 7 of the PDT 3. The technical result of the utility model is provided the ability to control the keyboard both in the presence of thick reinforced protective screens and without them, thanks to the implementation of the sensor elements intended for communication with the microcontroller of the special form described above.

Description

Полезная модель относится к устройствам ввода информации, в частности к емкостной сенсорной клавиатуре и может быть использована в промышленных устройствах, эксплуатирующихся в тяжелых условиях.The invention relates to information input devices, in particular to a capacitive touch keyboard, and can be used in industrial devices operating in difficult conditions.

Из уровня техники известна емкостная клавиатура, являющаяся наиболее близким решением к предложенному, содержащая плату, на которой расположены сенсорные элементы и защитный элемент, расположенный на поверхности платы с сенсорными элементами (см. «Автоматика и программная инженерия 2015 №1(11). Проектирование сенсорных кнопок на базе микросхемы ТТР-224 (стр. 70-74)»).A capacitive keyboard is known from the prior art, which is the closest solution to the proposed one, containing a board on which the sensor elements are located and a protective element located on the surface of the board with sensor elements (see "Automation and software engineering 2015 No. 1 (11). Design of sensor buttons based on the TTR-224 microcircuit (p. 70-74) ”).

Недостатками известной клавиатуры являются: невозможность защиты сенсорного элемента (клавиши) достаточным по толщине защитным экраном; сложность по настройке системы (если говорить об одинаковой чувствительности разных клавиш, то настройка будет осуществляться путем подбора электронных компонентов с минимальным разбросом характеристик); при изменении внешних условий (влажность температура) параметры клавиш будут изменяться от заданных при настройке, т.е. известное решение применимо только в обычных бытовых изделиях, не предъявляющих повышенных требований к условиям эксплуатации; сложность с масштабированием количества клавиш.The disadvantages of the known keyboard are: the inability to protect the sensor element (key) with a sufficient thickness protective screen; the complexity of setting up the system (if we talk about the same sensitivity of different keys, then the adjustment will be carried out by selecting electronic components with a minimum range of characteristics); when changing external conditions (humidity, temperature), the parameters of the keys will change from those specified during setup, i.e. the known solution is applicable only in ordinary household products that do not have high requirements for operating conditions; difficulty scaling the number of keys.

Технической проблемой полезной модели является исключение вышеуказанных недостатков.The technical problem of the utility model is the elimination of the above disadvantages.

Техническая проблема полезной модели решается тем, что устройство ввода информации содержит печатную плату, на которой расположены сенсорные элементы для соединения с микроконтроллером, при этом каждый сенсорный элемент выполнен в виде двух токопроводящих дорожек: первая токопроводящая дорожка (ПТД) выполнена в форме рамки с выступами на одной из сторон, обращенными внутрь рамки; вторая токопроводящая дорожка (ВТД) расположена внутри рамки и выполнена в форме гребенки, между выступами которой расположены выступы ПТД.The technical problem of the utility model is solved in that the information input device comprises a printed circuit board on which the sensor elements are located for connection to the microcontroller, and each sensor element is made in the form of two conductive paths: the first conductive path (PDD) is made in the form of a frame with protrusions on one of the sides facing the inside of the frame; the second conductive path (VTD) is located inside the frame and is made in the form of a comb, between the protrusions of which are the protrusions of the PTD.

Кроме того, выступы ПТД могут быть расположены параллельно друг другу и могут иметь одинаковую длину.In addition, the protrusions of the PDD can be parallel to each other and can have the same length.

Кроме того, выступы ПТД могут быть расположены перпендикулярно стороне рамки, на которой они выполнены и могут быть расположены на одной из сторон рамки с одинаковым шагом.In addition, the protrusions of the PDD can be located perpendicular to the side of the frame on which they are made and can be located on one side of the frame with the same pitch.

Кроме того, выступы ВТД могут быть расположены параллельно друг другу и могут иметь имеют одинаковую длину.In addition, the protrusions of the VTD can be parallel to each other and can have the same length.

Кроме того, выступы ВТД могут быть расположены перпендикулярно основанию гребенки и могут быть расположены на основании гребенки по всей длине с одинаковым шагом.In addition, the protrusions of the IDT can be located perpendicular to the base of the comb and can be located on the base of the comb along the entire length with the same pitch.

Кроме того, ширина сторон рамки и ее выступов, преимущественно, больше ширины основания и выступов гребенки.In addition, the width of the sides of the frame and its protrusions is mainly greater than the width of the base and protrusions of the comb.

Кроме того, ПТД может иметь, по меньшей мере, два выступа, а ВТД может иметь, по меньшей мере, три выступа.In addition, the PDD can have at least two protrusions, and the TDD can have at least three protrusions.

Кроме того, на поверхности печатной платы с сенсорными элементами может быть установлен защитный элемент.In addition, a protective element may be installed on the surface of the printed circuit board with sensor elements.

Защитный элемент может быть выполнен из прозрачного или непрозрачного диэлектрического материала, который может иметь толщину от 6 до 40 мм.The protective element may be made of a transparent or opaque dielectric material, which may have a thickness of 6 to 40 mm.

Кроме того, печатная плата может иметь средство вывода информации в виде дисплея, либо индикатора (набора индикаторов).In addition, the printed circuit board may have a means of outputting information in the form of a display, or an indicator (a set of indicators).

Техническим результатом полезной модели является обеспечение возможности управления клавиатурой как при наличии толстых усиленных защитных экранов, так и без них благодаря выполнению сенсорных элементов, предназначенных для связи с микроконтроллером, особой вышеописанной формы.The technical result of the utility model is the ability to control the keyboard both in the presence of thick reinforced protective screens and without them thanks to the implementation of the sensor elements intended for communication with the microcontroller of the special form described above.

Полезная модель поясняется чертежами, где на фиг. 1 показано предложенное устройство ввода информации; на фиг. 2 показана схема связи сенсорных элементов; на фиг. 3 показано предложенное устройство в составе электронного блока управления взрывозащищенного исполнения (корпус блока - взрывонепроницаемая оболочка класса «d»); на фиг. 4 показан разрез А-А на фиг.3; на фиг. 5 показана схема передачи импульсов.The utility model is illustrated by drawings, where in FIG. 1 shows a proposed information input device; in FIG. 2 shows a communication circuit of sensor elements; in FIG. 3 shows the proposed device as part of an electronic control unit of explosion-proof execution (the case of the block is a flameproof enclosure of class “d”); in FIG. 4 shows a section aa in figure 3; in FIG. 5 shows a pulse transmission circuit.

Устройство ввода информации (сенсорная емкостная клавиатура, далее - клавиатура) выполнена в виде печатной платы 1 (диэлектрическое основание), на поверхности которой расположены сенсорные элементы 2 (кнопки, клавиши). Количество сенсорных элементов 2 (группа сенсорных элементов 2) может быть любым в зависимости от потребности и необходимых функциональных возможностей клавиатуры. При этом расположение элементов 2 на печатной плате 1 может быть также различным (в зависимости от удобства доступа к кнопкам при выполнении клавиатуры под конкретное изделие).The information input device (capacitive touch keyboard, hereinafter referred to as the keyboard) is made in the form of a printed circuit board 1 (dielectric base), on the surface of which there are sensor elements 2 (buttons, keys). The number of touch elements 2 (group of touch elements 2) can be any depending on the need and the required functionality of the keyboard. Moreover, the arrangement of elements 2 on the printed circuit board 1 can also be different (depending on the convenience of access to the buttons when executing the keyboard for a specific product).

Каждый сенсорный элемент 2 выполнен в виде двух токопроводящих дорожек 3 и 4, расположенных на плате 1 и связанных с микроконтроллером 5, имеющем специальную программу для управления сенсорными элементами 2. Элементы 2 могут быть связаны с микроконтроллером 5 напрямую, либо через специальную микросхему 6. При этом элементы связи могут быть любыми (например, соединительный кабель, гибкий шлейф, токопроводящие дорожки печатной платы и т.п., в зависимости от конструктивных особенностей конечного изделия).Each sensor element 2 is made in the form of two conductive tracks 3 and 4 located on the board 1 and connected to the microcontroller 5, which has a special program for controlling the sensor elements 2. Elements 2 can be connected directly to the microcontroller 5, or through a special chip 6. When this communication elements can be any (for example, a connecting cable, a flexible cable, conductive tracks of the printed circuit board, etc., depending on the design features of the final product).

Первая токопроводящая дорожка 3 (ПТД 3 - передатчик) выполнена в форме прямоугольной рамки. С одной из сторон рамки соединены выступы 7, обращенные внутрь рамки и расположенные параллельно друг другу и перпендикулярно стороне, с которой они соединены. Выступы 7 имеют одинаковую длину и расположены на одной из сторон рамки с одинаковым шагом.The first conductive track 3 (PTD 3 - transmitter) is made in the form of a rectangular frame. On one side of the frame are connected protrusions 7, facing the inside of the frame and located parallel to each other and perpendicular to the side with which they are connected. The protrusions 7 have the same length and are located on one side of the frame with the same pitch.

Вторая токопроводящая дорожка (ВТД 4 - приемник) расположена внутри ПТД 3 (внутри рамки) и выполнена в форме гребенки, основание которой расположено параллельно стороне рамки ПТД 3, на которой выполнены выступы 7. Выступы 8 гребенки расположены внутри рамки параллельно друг другу, при этом между выступами 8 расположены выступы 7 (выступы 7 параллельны выступам 8, а выступы 8 перпендикулярны основанию гребенки). Выступы 8 имеют одинаковую длину и расположены на основании гребенки по всей ее длине (от одного края до другого) с одинаковым шагом.The second conductive path (VTD 4 - receiver) is located inside the PDD 3 (inside the frame) and is made in the form of a comb, the base of which is parallel to the side of the frame of the PDD 3, on which the protrusions 7. The protrusions 8 of the comb are located parallel to each other inside the frame, while between the protrusions 8 are the protrusions 7 (the protrusions 7 are parallel to the protrusions 8, and the protrusions 8 are perpendicular to the base of the comb). The protrusions 8 have the same length and are located on the base of the comb along its entire length (from one edge to the other) with the same pitch.

Все линии ПТД 3 (рамка с выступами) каждого элемента 2 выполнены утолщенными (широкими) по сравнению с линиями ВТД 4 (по сравнению с гребенкой).All lines of the PDD 3 (frame with protrusions) of each element 2 are made thickened (wide) compared with the lines of the VTD 4 (compared to the comb).

Количество выступов 7 на рамке ПТД 3 может быть любым в зависимости от необходимых габаритов сенсорного элемента 2 и толщины защитного экрана 9 (расстояния, на котором распознается касание), при этом минимальное количество выступов 7 равно двум. Количество выступов 8 гребенки ВТД 4 также может быть любым, при этом минимальное количество выступов 8 равно трем. При этом количество выступов 8 ВТД 4 всегда больше количества выступов 7 ПТД 3 на один выступ 8.The number of protrusions 7 on the frame of the PDD 3 can be any depending on the required dimensions of the sensor element 2 and the thickness of the protective screen 9 (the distance at which the touch is recognized), while the minimum number of protrusions 7 is two. The number of protrusions 8 of the comb VTD 4 can also be any, while the minimum number of protrusions 8 is three. The number of protrusions 8 VTD 4 is always greater than the number of protrusions 7 PDD 3 per protrusion 8.

На поверхности печатной платы 1 с сенсорными элементами 2 установлен защитный элемент 9 (защитный экран), выполненный в виде прозрачного или непрозрачного диэлектрического материала. В случае выполнения элемента 9 непрозрачным, на его рабочей поверхности нанесены обозначения кнопок в зоне расположения элементов 2 (напротив них). Защитный элемент 9 может иметь толщину от 6 до 40 мм, которая позволяет обеспечить работоспособность клавиатуры в случае механических воздействий на нее, в случае ударов или взрывов, а также в других тяжелых условиях.On the surface of the printed circuit board 1 with sensor elements 2, a protective element 9 (protective screen) is installed, made in the form of a transparent or opaque dielectric material. If the element 9 is made opaque, the buttons are marked on its working surface in the area where the elements 2 are located (opposite them). The protective element 9 may have a thickness of 6 to 40 mm, which allows the keyboard to work in the event of mechanical stress on it, in the event of shock or explosion, as well as in other difficult conditions.

Печатная плата 1 может иметь средство вывода информации 10, выполненное в виде дисплея, либо индикатора (набора индикаторов), отражающих информацию о нажатии клавиш.The printed circuit board 1 may have a means of outputting information 10, made in the form of a display, or indicator (a set of indicators), reflecting information about the keystrokes.

Работает устройство в непосредственной связи с микроконтроллером 5, имеющим специальную программу управления сенсорными элементами 2. С помощью цифрового интерфейса микроконтроллера 5 задаются параметры определения нажатия на элементы 2 (например, настраивают чувствительность под конкретный материал и толщину защитного экрана 9). В этом же интерфейсе передают состояние клавиш (информация о нажатии клавиши, расширенные данные о статусе, калибровке, недостаточном уровне сигнала, принимаемого каналом и т.д.). Микроконтроллер 5 через микросхему 6 (или без нее, напрямую; микросхема 6 формирует импульсы и производит измерение уровней кнопок 2) подает импульсы (сигналы) на широкие ПТД 3, а через них на узкие ВТД 4. На ВТД 4 постоянно измеряется уровень принимаемого сигнала. При попадании в зону действия кнопки 2 электропроводящего предмета уровень меняется, данные изменения обрабатываются микроконтроллером 5.The device works in direct connection with the microcontroller 5, which has a special program for controlling the sensor elements 2. Using the digital interface of the microcontroller 5, parameters for determining the pressure on the elements 2 are set (for example, they adjust the sensitivity for a specific material and the thickness of the protective screen 9). In the same interface, the state of the keys is transmitted (information about the keystroke, extended data on the status, calibration, insufficient signal received by the channel, etc.). The microcontroller 5 through the microcircuit 6 (directly or without; the microcircuit 6 generates pulses and measures the levels of the buttons 2) sends pulses (signals) to the wide PDT 3, and through them to the narrow VTD 4. At the VTD 4 the received signal level is constantly measured. When the button 2 is exposed to the area of the conductive object, the level changes, these changes are processed by the microcontroller 5.

Благодаря выполнению предложенной емкостной клавиатуры вышеописанным образом, т.е. особая форма элементов 2, физический принцип и правильная обработка полученного сигнала (посылаемый передающей частью системы сигнал с определенными характеристиками, отразившись, рассеявшись, поглотившись окружающей средой, принимается приемной частью системы, далее обрабатывается, сравнивается с заданными при настройке системы характеристиками, после нескольких итераций произведенных с различными значениями посылаемого сигнала принимается решение о прикосновении/не прикосновении к клавише), обеспечивается возможность управления клавиатурой через толстые усиленные защитные экраны 9. Предложенная клавиатура с сенсорными элементами 2 устанавливается в различных системах человеко-машинного взаимодействия в промышленных устройствах, эксплуатирующихся в тяжелых условиях. Клавиатура размещается внутри защитной оболочки (корпуса) изделия за участком из диэлектрического материала, который может быть частью защитной оболочки (корпуса) произвольной формы.Due to the implementation of the proposed capacitive keyboard in the manner described above, i.e. a special form of elements 2, the physical principle and the correct processing of the received signal (a signal sent by the transmitting part of the system with certain characteristics, reflected, scattered, absorbed by the environment, is received by the receiving part of the system, then it is processed, compared with the characteristics set when the system was set up, after several iterations made with different values of the signal sent, a decision is made to touch / not touch the key), it is possible to control I keyboard through thick reinforced protective screens 9. The proposed keyboard with sensor elements 2 is installed in various systems of human-computer interaction in industrial devices operating in difficult conditions. The keyboard is located inside the protective shell (housing) of the product behind the area of dielectric material, which may be part of a protective shell (housing) of arbitrary shape.

Конструктивно емкостная клавиатура состоит из группы сенсорных элементов 2 представляющих собой токопроводящие дорожки 3, 4 особой формы, нанесенные на диэлектрическое основание 1 и подключенные к специализированной электронной схеме 6 на базе микроконтроллера 5,с функцией измерения изменения емкости путем контроля переноса заряда с одного электрода сенсорного элемента на другой. Простота конструкции и отсутствие особых требований к производству повышают технологичность и снижают себестоимость итогового изделия. Отсутствие подвижных частей в предложенном техническом решении повышает надежность и долговечность итогового изделия.Structurally, a capacitive keyboard consists of a group of sensor elements 2 representing conductive tracks 3, 4 of a special shape deposited on a dielectric base 1 and connected to a specialized electronic circuit 6 based on a microcontroller 5, with the function of measuring the change in capacitance by monitoring charge transfer from one electrode of the sensor element another. Simplicity of design and the absence of special requirements for production increase manufacturability and reduce the cost of the final product. The absence of moving parts in the proposed technical solution increases the reliability and durability of the final product.

Применяемая в полезной модели технология определения изменения емкости на эффекте переноса заряда совокупно с особой формой сенсорных элементов и с микроконтроллером 5 позволяет определять прикосновение через любой усиленный (толстый) диэлектрический материал (например, различные виды пластиков и стекол) толщиной до 40 мм, который может являться частью корпуса изделия, либо выполнен непосредственно совместно с клавиатурой. Такая толщина защитного элемента 9 позволяет использовать предложенное решение в составе изделий, предъявляющих повышенные требования к прочности (оболочки) корпуса (например, внутри взрывонепроницаемой оболочки класса «d»).The technology used in the utility model for determining the change in capacitance on the effect of charge transfer in conjunction with the special form of the sensor elements and with the microcontroller 5 allows you to determine the touch through any reinforced (thick) dielectric material (for example, various types of plastics and glasses) up to 40 mm thick, which can be part of the body of the product, or made directly in conjunction with the keyboard. This thickness of the protective element 9 allows you to use the proposed solution in the composition of products that impose increased requirements for the strength (shell) of the housing (for example, inside an explosion-proof enclosure of class “d”).

Отсутствие внешних частей позволяет использовать данную полезную модель в изделиях, предъявляющих повышенные требования по пылевлагозащите, вплоть до IP68.The absence of external parts allows the use of this utility model in products that have increased requirements for dust and moisture protection, up to IP68.

Широкий спектр материалов, через которые возможно распознавание прикосновения, позволяет применять предложенную клавиатуру в составе устройств с повышенными требованиями к защите от агрессивных сред.A wide range of materials through which touch recognition is possible, allows you to use the proposed keyboard as part of devices with increased requirements for protection from aggressive environments.

Символы, обозначающие места касания могут наноситься как с внутренней стороны (оболочки) корпуса при условии прозрачности (оболочки) корпуса, так и с наружной стороны.Symbols that indicate places of contact can be applied both from the inside (shell) of the case, subject to the transparency (shell) of the case, and from the outside.

Кроме того, предложенное устройство позволяет производить ввод информации в средствах индивидуальной защиты человека (например, резиновых или хлопчатобумажных перчатках).In addition, the proposed device allows you to enter information in personal protective equipment (for example, rubber or cotton gloves).

Особая форма чувствительных элементов, примененная в предложенной полезной модели, позволяет повысить плотность расположения точек прикосновения, что положительно влияет на массогабаритные характеристики итогового изделия.A special form of sensitive elements used in the proposed utility model allows to increase the density of the location of touch points, which positively affects the overall dimensions of the final product.

Возможность изготовления чувствительного элемента 2 из гибкого материала позволяет создавать изделия с поверхностью сложной формы.The possibility of manufacturing the sensitive element 2 from a flexible material allows you to create products with a complex surface.

Claims

1. An information input device comprising a printed circuit board on which sensor elements are arranged for connection with a microcontroller, characterized in that each sensor element is made in the form of two conductive tracks, the first conductive path (PDD) is made in the form of a frame with protrusions on one side facing the inside of the frame, the second conductive path (VTD) is located inside the frame and is made in the form of a comb, between the protrusions of which are the protrusions of the PTD.

2. The device according to p. 1, characterized in that the protrusions of the PDD are parallel to each other.

3. The device according to p. 1, characterized in that the protrusions of the PDD have the same length.

4. The device according to p. 1, characterized in that the protrusions of the PDD are perpendicular to the side of the frame on which they are made.

5. The device according to claim 1, characterized in that the protrusions of the PDD are located on one side of the frame with the same pitch.

6. The device according to p. 1, characterized in that the protrusions of the VTD are parallel to each other.

7. The device according to p. 1, characterized in that the protrusions of the VTD have the same length.

8. The device according to p. 1, characterized in that the protrusions of the VTD are perpendicular to the base of the comb.

9. The device according to p. 1, characterized in that the protrusions of the VTD are located on the base of the comb along the entire length with the same pitch.

10. The device according to p. 1, characterized in that the width of the sides of the frame and its protrusions is greater than the width of the base and protrusions of the comb.

11. The device according to p. 1, characterized in that the PDD has at least two protrusions, and the VTD has at least three protrusions.

12. The device according to claim 1, characterized in that a protective element is installed on the surface of the printed circuit board with sensor elements.

13. The device according to p. 12, characterized in that the protective element is made of a transparent dielectric material.

14. The device according to p. 12, characterized in that the protective element is made of an opaque dielectric material.

15. The device according to p. 12, characterized in that the protective element has a thickness of from 6 to 40 mm

16. The device according to p. 1, characterized in that the printed circuit board has a means of outputting information.