防水及防破坏键盘使用压电圆片作为传感器和蜂鸣器

        本设计实例旨在设计适用于极潮湿环境中(如在游泳池淋浴时)的密封键盘。该键盘需能够检测到0.4mm厚不锈钢板上的轻微压力。除了防水性能外，该键盘表面很光洁，用户侧也绝对平坦，除丝网印刷外没任何其他东西存在。这种键盘的另一个优点就是防破坏。
传感器的核心部分是压电圆片，通常被用作蜂鸣器，本实例选择使用的是Murata公司的7BB-35-3。其外直径为35mm，传感区域的直径范围约为20mm。
圆片置于PCB上，PCB内含电子器件，并具有圆孔，使陶瓷材料能自由移动(图1)。尽管较薄的橡胶层会提供更高的敏感度，但本实例还是使用了一层3mm厚的自粘型泡沫橡胶(EPDM)将圆片固定在PCB上。该组件需施加合理的压力夹在前板的背面。


图1：PCB布局及开孔。

用手指触摸外板，钢材(或其他材质)会轻微变形，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。此时，处理器会将所有圆片当作蜂鸣器使用，并发出应答蜂鸣声。
本设计实例中使用了4个按键。使用的微控制器为瑞萨科技(前身为NEC)的uPD78F0513，当然，也可以使用其他微控制器。
压电圆片的较小电极连接至微控制器的ADC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(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(P3)，而得到低阻抗值(图2)。若缺少端口又具有足够的输出电流，就无需进行这一步。这些端口开始会处于低电平。用手指按压圆片至轻微变形，则供给ADC输入端的电压降低。


图2：压电式键盘/蜂鸣器原理图。

启动时，P3为低，P7为高，对压电圆片快速充电，压电圆片的电容值约为30nF。在零点几微秒后，P7就会被设置为高阻抗输入。
程序连续扫描ADC输入。由于圆片具有大电容，电压变化极慢，无需进行快速扫描。在特定应用中设置为每1ms进行一次电压测量，因此每4ms会对每个圆片检查一次。
当输入电压受按键下压影响降至预设电压以下时，控制器会对输入进行处理，然后使用所有并联圆片作为蜂鸣器。使用0.4mm厚的钢板时，低于5V电源1.5V的阈值就足以获得很好的敏感度；若使用更厚的前板，仍有很大的裕量提高敏感度。
为发出蜂鸣声，将P7设置为低阻抗输出，将P3设置为相反的极性，其将在压电圆片的谐振频率(本实例中为2800Hz)下输出一个方波。蜂鸣声持续250ms，由R5限制驱动电流。蜂鸣声结束后，P3恢复为0，P7再次短暂设置为5V，以对圆片进行充电。
使用压电膜片会使整个方案更为有效，且有助于降低成本。