压电圆片式键盘设计方案

一、引言

压电圆片式键盘是一种采用压电圆片作为传感器和蜂鸣器的键盘，它能够检测到轻微的压力变化，并具备防水和防破坏的特性。本文将详细介绍压电圆片式键盘的设计方案，包括主控芯片的型号及其在设计中的作用。

二、压电圆片的选择与配置

1. 压电圆片的选择

   压电圆片是键盘传感器的核心部分，通常也被用作蜂鸣器。在本设计方案中，选择使用Murata公司的7BB-35-3型号压电圆片。该圆片的外直径为35mm，传感区域的直径范围约为20mm。

2. 压电圆片的配置

   压电圆片被放置在PCB（印刷电路板）上，PCB内含电子器件，并具有圆孔，使陶瓷材料能自由移动。为了将圆片固定在PCB上，采用了一层3mm厚的自粘型泡沫橡胶。该组件需施加合理的压力夹在前板的背面。

三、压力传递与检测机制

1. 压力传递

   当用户用手指触摸外板（如不锈钢板）时，钢材会轻微变形，这种小幅增加的压力通过橡胶传递至压电圆片。该压力足以产生可被微处理器检测到的电压。

2. 电压检测

   压电圆片的较小电极连接至微控制器的ADC（模数转换器）输入端，并通过大电阻连接至正电源。此外，其还被连接至一开始处于高阻抗状态的其他端口输入（如P7）。压电圆片的其他电极（较大电极）被一起连接至几个并行的端口位（如P3），而得到低阻抗值。

   当手指按压圆片至轻微变形时，供给ADC输入端的电压降低。微控制器通过连续扫描ADC输入来检测这种电压变化。

四、主控芯片的选择与作用

1. 主控芯片的型号

   在本设计方案中，可以选择使用瑞萨科技（前身为NEC）的uPD78F0513微控制器作为主控芯片。当然，也可以使用其他兼容的微控制器。

2. 主控芯片的作用

• 处理输入信号：主控芯片负责接收并处理来自压电圆片的电压信号。当输入电压降至预设电压以下时，控制器会对输入进行处理。

• 控制蜂鸣器：所有并联的压电圆片在需要时可以被用作蜂鸣器。主控芯片通过控制相关端口的输出状态来产生蜂鸣声。

• 低功耗设计：选择低功耗的主控芯片有助于延长键盘的电池寿命（如果键盘是无线的）。

五、电路设计

1. 电源电路

   电源电路为整个系统提供稳定的电压。在本设计方案中，可以使用5V的直流电源。

2. 信号处理电路

   信号处理电路包括ADC输入电路、端口输入/输出电路等。这些电路负责将压电圆片产生的电压信号转换为数字信号，并传递给主控芯片进行处理。

3. 蜂鸣器驱动电路

   蜂鸣器驱动电路负责控制压电圆片作为蜂鸣器时的输出。通过改变相关端口的输出状态，可以产生不同频率和持续时间的蜂鸣声。

六、程序设计

1. 初始化程序

   在程序开始时，需要对主控芯片进行初始化设置，包括配置ADC输入、设置端口状态等。

2. 电压扫描程序

   程序需要连续扫描ADC输入以检测电压变化。由于压电圆片具有大电容，电压变化极慢，因此无需进行快速扫描。在本设计方案中，可以设置为每1ms进行一次电压测量，每4ms对每个圆片检查一次。

3. 按键处理程序

   当检测到输入电压降至预设电压以下时，程序会判断为按键被按下，并执行相应的按键处理操作。这可能包括发送按键代码给计算机、产生蜂鸣声等。

4. 蜂鸣器控制程序

   蜂鸣器控制程序负责控制蜂鸣器的输出。当需要产生蜂鸣声时，程序会设置相关端口的输出状态，并持续一段时间（如250ms）。

七、测试与优化

1. 测试

   在完成硬件和程序设计后，需要对键盘进行测试以确保其正常工作。测试包括按键响应测试、蜂鸣声测试等。

2. 优化

   根据测试结果，可以对硬件和程序进行优化以提高键盘的性能和稳定性。例如，可以调整压电圆片的固定方式、优化程序设计等。

八、主控芯片型号及其在设计中的作用（详细）

1. 瑞萨科技uPD78F0513

• 信号处理：uPD78F0513的ADC模块负责接收并处理来自压电圆片的电压信号，将其转换为数字信号进行进一步处理。

• 端口控制：通过控制相关端口的输出状态，uPD78F0513可以实现按键的识别和蜂鸣器的控制。

• 低功耗设计：uPD78F0513的低功耗特性有助于延长键盘的电池寿命（如果键盘是无线的）。

• 型号特点：uPD78F0513是一款低功耗、高性能的8位微控制器，具有丰富的外设和强大的处理能力。它适用于各种嵌入式应用，包括键盘控制等。

• 在设计中的作用：

2. 其他可选主控芯片

   这些主控芯片都可以根据具体需求进行选择，以满足不同场景下的键盘控制需求。

• AVAGO CY7C63413：这是一种常见的USB键盘主控芯片，支持多种按键布局和多种语言，具有自适应枚举和低功耗等特性。

• HOLTEK HT82K629A：这是一种常见的AT键盘主控芯片，采用低功耗设计，支持多种扫描方式和多种LED驱动方式，并具有内置USB转接器等特性。

• Diodes, Inc. PSoC CY8C32：这是一种通用USB键盘主控芯片，支持多种按键布局、可编程的按键映射和多种LED灯效等特性。

九、结论

压电圆片式键盘的设计方案涉及多个组件的选择与配置，以及它们之间的相互作用。通过合理选择压电圆片、主控芯片等关键组件，并精心设计电路和程序，可以制作出性能稳定、功能丰富的键盘产品。同时，根据具体需求选择不同型号的主控芯片也是实现键盘功能多样化的重要手段。