CN104821813B - 基于压电效应的按键输入装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于压电效应的按键输入装置和方法，该装置包括：按键、电压比较器和微控制器，按键下设置有压电材料，电压比较器的第一输入端与所述压电材料连接，第二输入端输入参考电压，输出端与微控制器的输入端连接，压电材料在外力按压按键时产生第一电压，电压比较器比较第一电压和参考电压的大小，并根据比较结果输出矩形波信号，微控制器在判定矩形波为有效矩形波时，输出有效矩形波信号对应按键的键值。该按键输入装置通过利用压电材料的压电效应，采用压力形变变化量的检测方式实现按键功能，通过微控制器对脉冲信号是否为有效信号进行判断，能够滤除各种抖动干扰和环境震动干扰，从而实现按键的精确输入。

Description

基于压电效应的按键输入装置和方法

技术领域

本发明涉及按键控制领域，特别是涉及一种基于压电效应的按键输入装置和方法。

背景技术

现有的按键输入装置有两种形式，一种是通过机械触点控制按键输入，另一种是触摸控制按键输入。

采用机械触点控制按键输入，通常采用传统的机械结构的具有触点式通断的传动开关装置实现，比如微动开关。其具有电路简单、有机械手感和电磁兼容(EMC)方面的抗扰能力强的优点。但机械触点控制按键输入有以下缺点：有寿命限制；触点易受湿度环境的影响而氧化导致接触不良以致按键功能出错或失效；按键盘表面的面板不能防尘、防水、防各类油污的侵入；机械按键的手感受限于选用的按键和结构的设计；在开关中会有电火花产生的隐患。因具有上述缺点，容易导致按键输入不准确的问题。

采用触摸控制按键输入，通常采用电容触摸按键，用电容式触摸按键板和单片机，通过使用单片机精确计算触摸点的位置。因触摸实现按键控制无机械触点所以按键盘表面可做成一体化面板，因而可以有效解决面板不能防尘、防水、防各类油污的侵入的问题，因采用电容变化检测方式实现按键，所以触摸的反应时间快，触摸力度也非常小。但电容式触摸屏必需要有电容变化的物体或人体触摸才能触发按键响应，按键面板表面虽可防尘、防水、防各类油污的侵入，但可能会由于附在按键表面的水、各类油污、液态物体而导致按键原有功能错乱或失效，在电磁兼容(EMC)的抗扰能力综合性能上明显要差于机械按键，且附在按键盘上的面板只能是绝缘性的材料，不能采用金属材质的面板。因具有上述缺点，容易导致按键输入不准确的问题。

发明内容

基于此，有必要提供一种有精确输入的基于效应的按键输入装置和方法。

一种基于压电效应的按键输入装置，包括按键、电压比较器和微控制器，按键下设置有压电材料，电压比较器的第一输入端与压电材料连接，第二输入端输入参考电压，输出端与微控制器的输入端连接；

压电材料在外力按压按键时产生第一电压；

电压比较器比较第一电压和参考电压的大小，并根据比较结果输出矩形波信号；

微控制器在判定矩形波信号为有效矩形波信号时输出与有效矩形波信号对应按键的键值。

在其中一种实施方式中，微控制器包括：

第一判断模块，用于判断矩形波信号的脉宽是否大于或等于第一阈值且小于或等于第二阈值；第一阈值小于或等于第二阈值；

处理模块，用于在第一判断模块的判定结果为是时，判定矩形波信号为有效矩形波信号；

输出模块，用于输出与有效矩形波信号对应按键的键值。

在其中一种实施方式中，微控制器还包括第二判断模块和第三判断模块，

第二判断模块，用于判断在预定时间内是否有连续的有效矩形波信号；

第三判断模块，用于在第二判断模块的判定结果为是时，判断连续有效矩形波之间的时间间隔是否大于或等于第三阈值；

输出模块，还用于在第三判断模块的判定结果为是时，输出与连续有效矩形波信号对应按键的键值。

在其中一种实施方式中，输出模块，还用于在第三判断模块的判定结果为否时，输出前一个有效矩形波信号对应按键的键值。

在其中一种实施方式中，电压比较器的输出端连接上拉电阻，电压比较器第一输入端为同相输入端，第二输入端为反相输入端，电压比较器在第一电压大于参考电压时输出高电平，在第一电压小于参考电压时输出低电平。

在其中一种实施方式中，压电材料分别连接第一电容的一端、第一电阻的一端以及电压比较器的同相输入端，第一电容的另一端和第一电阻的另一端接地。

在其中一种实施方式中，还包括参考电压设定电路，电压比较器的第二输入端连接参考电压设定电路，参考电压设定电路包括第二电阻、第三电阻和第二电容，电压比较器的反相输入端分别连接第二电容、第二电阻和第三电阻的一端，第二电阻的另一端连接电源，第三电阻和第二电容的另一端接地。

一种基于压电效应的按键输入方法，包括：

压电材料在外力按压按键时产生第一电压；

将第一电压与参考电压进行比较并根据比较结果输出矩形波信号；

判断矩形波信号是否为有效矩形波信号；

若是，则输出与有效矩形波信号对应按键的键值。

在其中一种实施方式中，判断矩形波信号是否为有效矩形波信号的步骤为：

判断矩形波信号的脉宽是否大于或等于第一阈值且小于或等于第二阈值，第一阈值小于第二阈值；

若是，则判定为有效矩形波信号。

在其中一种实施方式中，在判定为有效矩形波信号的步骤之后，还包括：

判断在预定时间内是否有连续的有效矩形波信号；

若是，则判断连续有效矩形波之间的时间间隔是否大于或等于第三阈值；

若是，则输出与连续有效矩形波信号对应按键的键值。

该基于压电效应的按键输入装置，通过利用压电材料的压电效应，采用压力形变变化量的检测方式实现按键功能，所以触摸的按压力度相对机械按键更小，并且相对于传统的机械按键具有无机械触点，无磨损，无电火花产生，使用寿命明显延长的优点。因无机械触点所以按键盘表面可做成一体化面板，因而可以有效解决面板不能防尘、防水、防各类油污的侵入的问题。按键面板既可采用金属材质的面板材料，也可采用绝缘性质的面板材料。该按键输入装置通过微控制器对脉冲信号是否为有效信号进行判断，能够滤除各种抖动干扰和环境震动干扰，从而实现按键的精确输入。

附图说明

图1为一种基于压电效应的按键输入装置的模块图；

图2为压电陶瓷片安装示意图；

图3A为的压电陶瓷片的左视图；

图3B为压电陶瓷片的后视图；

图4为另一种基于压电效应的按键输入装置的模块图；

图5为另一种基于压电效应的按键输入装置的模块图；

图6为一种电压比较器输出的矩形波的波形图；

图7为电压信号输入电压比较器之前的波形图；

图8为与图7对应的电压比较器输出矩形波的波形图；

图9为一种基于压电效应的按键输入方法的流程图；

图10为另一种基于压电效应的按键输入方法的流程图；

图11为另一种基于压电效应的按键输入方法的流程图。

具体实施方式

请参阅图1，一种基于压电效应的按键输入装置，包括按键100、电压比较器200和微控制器300，按键100下设置有压电材料，电压比较器200的第一输入端与压电材料连接，第二输入端输入参考电压，输出端与微控制器300的输入端连接。

压电材料在外力按压按键100时产生第一电压。电压比较器200比较第一电压和参考电压的大小，并根据比较结果输出矩形波信号。微控制器300在判定矩形波信号为有效矩形波信号时输出与有效矩形波信号对应按键的键值。

压电效应是指某些电介质在沿一定方向上受到外力的作用而变形时，其内部会产生极化现象，同时在它的两个相对表面上出现正负相反的电荷。当外力去掉后，它又会恢复到不带电的状态。

压电材料具有压电效应的特性，在外界压力的作用下产生电压。通过按压按键表面，将施加在按键表面的按压力度，通过按键面板的形变将力传给压电材料，由压电材料将该压力转换为波形不规则的弱电压矩形波信号，产生第一电压。

在本实施方式中，压电材料采用压电陶瓷片，在其它实施方式中，也可以采用其它能产生压电效应的压电材料。

请参阅图2的压电陶瓷片安装示意图、图3A和图3B所示的压电陶瓷片结构示意图，按键100采用金属面板，按键100下设置有压电陶瓷片101，压电陶瓷片101具有正极1011和负极1012，负极为黄铜基片，其正极为陶瓷银层，压电陶瓷片101的负极接地，正极和负极上分别有引线焊接点位置1013。

电压比较器200具有第一输入端和第二输入端，其中第一输入端与压电材料连接，用于输入第一电压，第二输入端输入参考电压。本实施方式中，电压比较器200的第一输入端与压电陶瓷片101的正极连接，第二输入端输入参考电压。电压比较器200比较第一电压和参考电压的大小，根据比较结果输出高电平信号或低电平信号，连续的高、低电平形成矩形波信号。

微控制器300接收电压比较器200输出的矩形波信号，并判断矩形波信号是否有效矩形波信号，在判定为有效矩形波信号时输出与有效矩形波信号对应按键的键值。

有效矩形波信号对应的当次按压按键为有效按键，视为人为主动的按键操作，则微控制器300输出与有效矩形波信号对应按键的键值。键值预先定义，可采用16进制数值表示某个按键功能，例如：键值0x01可代表数字按键“0”、键值0x0A可代表呼叫管理处等。

该基于压电效应的按键输入装置，通过利用压电材料的压电效应，采用压力形变变化量的检测方式实现按键功能，所以触摸的按压力度相对机械按键更小，并且相对于传统的机械按键具有无机械触点，无磨损，无电火花产生，使用寿命明显延长的优点。因无机械触点所以按键盘表面可做成一体化面板，因而可以有效解决面板不能防尘、防水、防各类油污的侵入的问题。按键面板既可采用金属材质的面板材料，也可采用绝缘性质的面板材料。该按键输入装置通过微控制器对脉冲信号是否为有效信号进行判断，能够滤除各种抖动干扰和环境震动干扰，从而实现按键的精确输入。

在具体的实施方式中，请参阅图4，微控制器300包括：

第一判断模块301，用于判断矩形波信号的脉宽是否大于或等于第一阈值且小于或等于第二阈值，第一阈值小于第二阈值。

处理模块302，用于在第一判断模块301的判定结果为是时，判定矩形波信号为有效矩形波信号。有效矩形波信号对应有效按键，若矩形波信号的脉宽大于或等于第一阈值且小于或等于第二阈值，则矩形波为有效矩形波，对应的当次按压按键为有效按键。

输出模块303，用于输出与有效矩形波信号对应按键的键值。

微控制器300的输入端与电压比较器200的输出端连接，接收矩形波信号。微控制器300设有两个阈值，第一阈值T1和第二阈值T2，其中，T1<T2。第一判断模块301判断矩形波信号的脉宽T_L是否满足条件：T1≤T_L≤T2，若满足，则处理模块302判定该矩形波信号为有效矩形波信号，该矩形波对应的当次按压按键为有效按键，视为人为主动的按键操作。若矩形波信号的脉宽T_L不满足该条件，则处理模块302判定该矩形波信号为无效矩形波信号，该矩形波对应的当次按压按键为无效按键，视为非正常按压按键产生干扰信号，例如，为抖动产生的按压而产生的信号或按键面板受到暴雨冲刷、阵强风吹、人为无意敲击产品、重型设备移动工作或***时带来的地面振动等因素产生的按压而产生的信号，输出模块303输出与有效矩形波信号对应按键的键值。

上述基于压电效应的按键输入装置，通过判断矩形波的脉宽是否满足预设条件来判断矩形波信号是否为有效矩形波，矩形波的脉宽反应的是按键被按压的时长。

上述基于压电效应的按键输入装置为单个按键，在另一种实施方式中，基于压电效应的按键输入装置可具有多个按键，如图5所示。

该基于压电效应的按键输入装置包括多个按键101以及与每个按键对应连接的电压比较器200。多个按键会有用户连续按键的情况。

微控制器300还包括第二判断模块304和第三判断模块305。

第二判断模块304，用于判断在预定时间内是否有连续的有效矩形波信号。

第三判断模块305，用于在第二判断模块304的判定结果为是时，判断连续有效矩形波之间的时间间隔是否大于或等于第三阈值。

输出模块303，用于在第三判断模块305的判定结果为是时，输出与连续有效矩形波信号对应按键的键值。

微控制器还设有第三阈值T3，当在预定时间内第二判断模块304判断有连续的有效矩形波信号时，第三判断305判断连续有效矩形波之间的时间间隔T_H是否满足条件：T_H≥T3，若是，则连续有效矩形波信号对应的按键都为有效按键，视为人为主动按下的多次按键操作。输出模块303在第三判断模块305的判定结果为是时，输出与连续有效矩形波信号对应按键的键值。

若第三判断模块305的判定结果为否，即连续有效矩形波之间的时间间隔T_H不满足条件：T_H≥T3，则判定前一个有效矩形波信号对应的按键为有效按压按键，后一个有效矩形波信号对应的按键为无效按压按键，输出模块305输出与前一个有效矩形波信号对应按键的键值。

上述的基于压电效应的按键输入装置，通过设定TH≥T3这个条件，只有连续有效矩形波信号的时间间隔满足该条件，即，连续有效按键的时间间隔满足该条件时，才输出连续有效矩形波对应按键的键值。从而能够降低连续按键时误触发的机率，并可间接的提高触摸按压力度和响应灵敏度。第三阈值T3取值可在80mS～120mS(毫秒)之间，具体取值可根据产品实际要求情况进行选取适当的值。

在具体的实施方式中，请继续参阅图5，电压比较器200的输出端连接上拉电阻R，电压比较器200的第一输入端为同相输入端，与压电材料的正极连接，第二输入端为反相输入端，用于输入参考电压，电压比较器在第一电压大于参考电压时输出高电平，在第一电压小于参考电压时输出低电平。

每个电压比较器200的输出端连接上拉电阻，上拉电阻与电源连接，常态下，各按键对应的线路稳定输出高电平。

当压电材料在外力按压按键时产生第一电压，电压比较器200的同相输入端与压电材料连接，输入第一电压，电压比较器200的反相输入端输入参考电压，电压比较器200在常态输出高电平，且在外力按压按键时的第一电压大于参考电压时输出高电平，当外力按压按键时的第一电压小于参考电压时输出低电平，经过电压比较器的信号整形与电平转换，输出波形规则变化的矩形波。

输出的矩形波请参阅附图6，未按压按键和按键力度不够时，电压比较器200输出的均为高电平，如①区的波形，在按压力度足够时输出低电平，如②、③、④和⑤区的波形。如②区的波形，由于矩形波的脉宽T_L不满足T1≤T_L≤T2，因此，当次按压按键视为无效按键。如③区的波形，由于矩形波的脉宽T_L满足T1≤T_L≤T2，因此，当次按压按键视为有效按键。如④区的波形，由于连续有效矩形波的时间间隔不满足T_H≥T3，因此，只响应前一个有效矩形波对应的按键。如⑤区的波形，由于连续有效矩形波的时间间隔满足T_H≥T3，因此，分别响应前后两个有效矩形波对应的按键。

本领域技术人员在上述实施方式的基础上，也可做出适当变通，例如，使各按键对应的线路在常态下稳定输出低电平，电压比较器的反相输入端与压电材料连接输入第一电压，电压比较器200的同相输入端输入参考电压，电压比较器200在常态输出低电平，在外力按压按键时的第一电压大于参考电压时输出低电平，在外力按压按键时的第一电压小于参考电压时输出高电平，经过电压比较器的信号整形与电平转换，输出波形规则变化的矩形波。

在另一种实施方式中，请继续参阅图5，压电材料的正极连接第四电阻R4一端，第四电阻R4的另一端分别连接第一电容C1的一端、第一电阻R1的一端以及电压比较器的同相输入端，第一电容C1的另一端和第一电阻R1的另一端接地。

第一电容C1和第一电阻R1用于调整按键的按压触发力度，根据产品选用的压电材料的性能参数、面板材质及厚度、产品整体壳体的结构等选用适当取值的第一电容C1和第一电阻R1，使用适当力度按压按键就能产生有效的矩形波信号，避免较大力度才能触发产生有效矩形波信号使得按键按压难度大，同时避免较小力度就能触发产生有效矩形波信号使按键易受外界干扰。因此，通过第一电容C1和第一电阻R1能硬件消抖滤除频率较高的无效干扰信号，以减小微控制器的处理量，而通过将压电材料的负极、第一电阻R1和第一电容C1接地处理，能够实现低成本的静电保护作用。

第一电阻R1的取值范围为：100KΩ(千欧)～5MΩ(兆欧)，第一电容C1的取值范围为：102～104pF(皮法)，第四电阻R4的取值范围为：1KΩ～100KΩ。在其它实施方式中，第四电阻R4也可取消，压电材料的正极直接连接第一电容C1的一端、第一电阻R1的一端以及电压比较器的同相输入端。

在另一种实施方式中，请继续参阅图5，该按键输入装置还包括参考电压设定电路201，电压比较器200的第二输入端连接参考电压设定电路201输入参考电压，参考电压设定电路包括第二电阻R2、第三电阻R3和第二电容C2，电压比较器的反相输入端分别连接第二电容C2、第二电阻R2和第三电阻R3的一端，第二电阻R2的另一端连接电源，第三电阻R3和第二电容的另一端接地。

参考电压设定电路201采用电阻分压式来调整需要的参考电压值。参考电压设定电路201包括第二电阻R2、第三电阻R3和第二电容C2，第二电阻R2、第三电阻R3组成电阻分压的方式来调整需要的参考电压值Vref，第二电容C2主要是起滤波、稳定参考电压Vref直流电平的作用，第二电容C2在一定程度上能保证参考电压Vref的电平值稳定不易波动。参考电压值Vref的设定，主要是为电压比较器的反相输入端提供一个参考电压值。参考电压Vref加在所有电压比较器的反相输入端，各电压比较器的同相输入端则作为按键信号输入端。

在无按键触发时，各电压比较器的同相输入端会有一个固定静态直流电压Vin，此值会跟随第一电阻R1的阻值而变化，阻值越大，Vin电压值越大，但Vin最大不会超过350～400mV(毫伏)左右，因而参考电压值Vref设定的值一定会比Vin值要更小。因在无按键信号时同相端的信号Vin值一直会大于参考电压Vref的电平值，因而各电压比较器输出端口在上拉电阻R的上拉作用下会保持输出高电平。因电压比较器是开集输出的，所以需要加上拉电阻，阻值一般可选在3K～10K之间。上拉的电源，视微控制器的需要的电平值而定。

请参阅读7和图8，图7为电压信号输入电压比较器之前的波形，图8是电压比较器输出的对应的矩形波。

在图7中的①区当未按按键时，因Vin电平值一直大于参考电压Vref的电压值，所以对应的图8中输出一直为高电平。在②区，虽有一个按键按下，产生第一电压，但其产生的负半周低谷峰值电压值没有小于参考电压Vref的电压值，所以当次的按键动作视为无效按键波形，输出高电平。在④区，再有一个按键被按下产生第一电压，其产生的负半周低谷峰值电压值在一定时间段内小于Vref的电压值，所以小于Vref的电压值的这段时间，通过电压比较器的处理，则自动转换为低电平输出。通过判断在一段时间内第一电压是否小于参考电压Vref值，判断弱电压矩形波信号是否有效。

在参考电压Vref的设定上，若触摸按压力度与灵敏度配合所用的金属面板在合适能满足设计产品需要时，参考电压Vref直接接地处理设为0V。因为将地平面作为Vref的参考基准电压值是最可靠稳定的，且不会受到干扰。当参考电压Vref将地设为基准时，第四电阻R4为0R或直接接地处理。在使用的金属面板较厚时，因按压金属面板产生的形变小了，对应产生的波形负半周的幅值也会变小，这时可以通过缩小参考电压Vref与Vin的差值来进行改善，也就是将参考电压Vref电压值设高点。当然Vref电压值设的越高，Vref与Vin的差值会越小，按键越容易触发，但其可靠性和抗干扰能力也会大大变差。

在另一种实施方法中，微控制器的输出端分别连接蜂鸣器驱动电路和指示灯驱动电路。微控制器300输出有效按键对应的键值的同时，还给IO驱动接口信号，IO驱动接口分别输出电压驱动信号，分别向蜂鸣器驱动电路和指示灯驱动电路发送驱动信号。蜂鸣器驱动电路主要用于按键发声用，当按键被有效按下时，发出一声响声。指示灯驱动电路主要用于按键状态指示用，当按键被有效按下时，相应键的指示灯亮一下，从而提高按键使用的体验效果。蜂鸣器驱动电路和指示灯驱动电路可采用电路实现，在此不再赘述。

微控制器为适应各种产品的通讯接口设计需要，有效键值可通过现比较惯用的三种串口通迅方式进行输出给其它设备模块使用，串行接口为I2C(Inter－IntegratedCircuit)、UART(Universal Asynchronous Receiver/Transmitter)和SPI(串行外设接口Serial Peripheral Interface)中的任意一种，视产品实际需要进行三选一使用。

上述的基于压电效应的按键输入装置，通过将施加在按键盘面板表面上的按压力度通过面板的形变将力传递给压电材料，由压电材料将该力度信号转换为波形不规则的弱电压脉冲信号，再通过相应电路和微控制器实现触摸按键功能。能触发的关键因素只在于是否通过按键面板的瞬间变形度使压电材料被施加力度，根据这个特性，该按键输入装置不怕EMC方面的环境电磁干扰和具有磁性或强幅射源器件的干扰，任何物体触碰按键施加力度足够都可以触发按键响应，面板可以采用全封闭的面板，因而不会由于附在按键表面的水、各类油污、液态物体而导致按键原有功能错乱或失效，且面板可采用金属材质的面板材料也可采用绝缘性质的面板材料。

上述基于压电效应的按键输入装置，因采用压力形变变化量的检测方式实现按键功能，最小按压力度可做到：30gf(克力)～100gf这个力度之间，所以触摸的按压力度相对机械按键更小、并且相对于传统的机械按键有无机械触点，无磨损，无电火花产生，使用寿命明显延长的优点。

上述基于压电效应的按键输入装置，相对电容触摸按键，无需要有电容变化的物体或人体触摸才能触发按键响应这个限制，在EMC方面的抗扰能力综合性能要明显更强，基本可和机械按键的媲美，且键盘PCB布局走线要求更低、及空间结构设计的限制，也均无特殊注意事项，大大降低了产品开发难度。

上述基于压电效应的按键输入装置，可用于各种需要按键输入的电子设备，如楼宇对讲***中的门口主机的按键面板、分机的按键面板以及其它需要有按键输入装置的设备或个人消费产品。

基于相同的发明构思，本发明还提供一种基于压电效应的按键输入方法，请参阅图9，包括以下步骤：

S100：压电材料在外力按压按键时产生第一电压；

S200：将第一电压与参考电压进行比较并根据比较结果输出矩形波信号；

S300：判断矩形波信号是否为有效矩形波信号；

若判定结果为是，则执行步骤S400：输出与有效矩形波信号对应按键的键值。

压电效应是指某些电介质在沿一定方向上受到外力的作用而变形时，其内部会产生极化现象，同时在它的两个相对表面上出现正负相反的电荷。当外力去掉后，它又会恢复到不带电的状态。

压电材料具有压电效应的特性，在外界压力的作用下产生电压。通过按压按键表面，将施加在按键表面的按压力度，通过按键面板的形变将力传给压电材料，由压电材料将该压力转换为波形不规则的弱电压矩形波信号，产生第一电压。

在本实施方式中，压电材料采用压电陶瓷片，在其它实施方式中，也可以采用其它能产生压电效应的压电材料。

比较第一电压和参考电压的大小，具体可使用电压比较器进行比较。电压比较器具有第一输入端和第二输入端，其中第一输入端与压电材料连接，用于输入第一电压，第二输入端输入参考电压。本实施方式中，电压比较器的第一输入端与压电陶瓷片的正极连接，第二输入端输入参考电压。电压比较器比较第一电压和参考电压的大小，根据比较结果输出高电平信号或低电平信号，连续的高、低电平形成矩形波信号。

微控制器接收电压比较器输出的矩形波信号，并判断矩形波信号是否有效矩形波信号，在判定为有效矩形波信号时输出与有效矩形波信号对应按键的键值。

有效矩形波信号对应的当次按压按键为有效按键，视为人为主动的按键操作，则微控制器输出与有效矩形波信号对应按键的键值。键值预先定义，可采用16进制数值表示某个按键功能，例如：键值0x01可代表数字按键“0”、键值0x0A可代表呼叫管理处等。

该基于压电效应的按键输入方法，通过利用压电材料的压电效应，采用压力形变变化量的检测方式实现按键功能，所以触摸的按压力度相对机械按键更小，并且相对于传统的机械按键具有无机械触点，无磨损，无电火花产生，使用寿命明显延长的优点。因无机械触点所以按键盘表面可做成一体化面板，因而可以有效解决面板不能防尘、防水、防各类油污的侵入的问题。按键面板既可采用金属材质的面板材料，也可采用绝缘性质的面板材料。该按键输入装置通过微控制器对脉冲信号是否为有效信号进行判断，能够滤除各种抖动干扰和环境震动干扰，从而实现按键的精确输入。

在另一种实施方式中，请参阅图10，步骤S300包括:

S310：判断矩形波信号的脉宽是否大于或等于第一阈值且小于或等于第二阈值，其中，第一阈值小于第二阈值。

若判定为是，则执行步骤S320：判定为有效矩形波信号。

该方法设有两个阈值，第一阈值T1和第二阈值T2，其中，T1<T2。微控制器接收该矩形波脉冲信号，并判断矩形波信号的脉宽T_L是否满足条件：T1≤T_L≤T2，若满足，则判定该矩形波信号为有效矩形波信号，该矩形波对应的当次按键为有效按键，视为人为主动的按键操作。若矩形波信号的脉宽T_L不满足该条件，则判定该矩形波信号为无效矩形波信号，该矩形波对应的当次按键为无效按键，视为非正常按键产生干扰信号，例如，为抖动产生的按压而产生的信号或按键面板受到暴雨冲刷、阵强风吹、人为无意敲击产品、重型设备移动工作或***时带来的地面振动等因素产生的按压而产生的信号，微控制器输出与有效矩形波信号对应按键的键值。

上述基于压电效应的按键输入方法，通过判断矩形波的脉宽是否满足预设条件来判断矩形波信号是否为有效矩形波，矩形波的脉宽反应的是按键被按压的时长。

在另一种实施方式中，请参阅图11，在步骤S320之后，还包括：

S330：判断在预定时间内是否有连续的有效矩形波信号。

若否，则执行步骤S400：输出与有效矩形波信号对应按键的键值。

若是，则执行步骤S340：判断连续有效矩形波之间的时间间隔是否大于或等于第三阈值。

若步骤S340判定为是，则执行步骤S410：输出与连续有效矩形波信号对应按键的键值。

若S340判定为否，则执行步骤420：输出前一个有效矩形波信号对应按键的键值。

该方法还设有第三阈值T3，当在预定时间内判断有连续的有效矩形波信号时，再判断连续有效矩形波之间的时间间隔T_H是否满足条件：T_H≥T3，若是，则连续有效矩形波信号对应的按键都为有效按键，视为人为主动按下的多次按键操作，输出与连续有效矩形波信号对应按键的键值。

若连续有效矩形波之间的时间间隔T_H不满足条件：T_H≥T3，则判定前一个有效矩形波信号对应的按键为有效按键，后一个有效矩形波信号对应的按键为无效按键，输出有前一个有效矩形波信号对应按键的键值。

上述的基于压电效应的按键输入方法，通过设定TH≥T3这个条件，只有连续有效矩形波信号的时间间隔满足该条件，即，连续有效按键的时间间隔满足该条件时，才输出连续有效矩形波对应按键的键值。从而能够降低连续按键时误触发的机率，并可间接的提高触摸按压力度和响应灵敏度。

上述的基于压电效应的按键输入方法，是通过将施加在按键盘面板表面上的按压力度，通过面板的形变将力传递给压电材料，由压电材料将该力度信号转换为波形不规则的弱电压脉冲信号，再通过相应电路和微控制器法实现触摸按键功能。能触发的关键因素只在于是否通过按键面板的瞬间变形度使压电材料被施加力度，根据这个特性，该按键输入装置不怕EMC方面的环境电磁干扰和具有磁性或强幅射源器件的干扰，任何物体触碰按键施加力度足够都可以触发按键响应，面板可以采用全封闭的面板，因而不会由于附在按键表面的水、各类油污、液态物体而导致按键原有功能错乱或失效。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (5)

1.一种基于压电效应的按键输入装置，其特征在于，包括按键、电压比较器和微控制器，所述按键下设置有压电材料，所述电压比较器的第一输入端与所述压电材料连接，第二输入端输入参考电压，输出端与微控制器的输入端连接；

所述压电材料在外力按压按键时产生第一电压；

所述电压比较器比较所述第一电压和参考电压的大小，并根据比较结果输出矩形波信号；

所述微控制器在判定所述矩形波信号为有效矩形波信号时输出与有效矩形波信号对应按键的键值；

所述微控制器包括：

第一判断模块，用于判断所述矩形波信号的脉宽是否大于或等于第一阈值且小于或等于第二阈值；所述第一阈值小于或等于第二阈值；

处理模块，用于在所述第一判断模块的判定结果为是时，判定所述矩形波信号为有效矩形波信号；

输出模块，用于输出与有效矩形波信号对应按键的键值；

所述微控制器还包括第二判断模块和第三判断模块，

所述第二判断模块，用于判断在预定时间内是否有连续的有效矩形波信号；

所述第三判断模块，用于在所述第二判断模块的判定结果为是时，判断连续有效矩形波之间的时间间隔是否大于或等于第三阈值；

所述输出模块，还用于在所述第三判断模块的判定结果为是时，输出与连续有效矩形波信号对应按键的键值；

所述输出模块，还用于在所述第三判断模块的判定结果为否时，输出前一个有效矩形波信号对应按键的键值。

2.根据权利要求1所述的基于压电效应的按键输入装置，其特征在于，所述电压比较器的输出端连接上拉电阻，所述电压比较器第一输入端为同相输入端，第二输入端为反相输入端，所述电压比较器在第一电压大于参考电压时输出高电平，在第一电压小于参考电压时输出低电平。

3.根据权利要求2所述的基于压电效应的按键输入装置，其特征在于，所述压电材料分别连接第一电容的一端、第一电阻的一端以及电压比较器的同相输入端，所述第一电容的另一端和第一电阻的另一端接地。

4.根据权利要求2所述的基于压电效应的按键输入装置，其特征在于，还包括参考电压设定电路，所述电压比较器的第二输入端连接参考电压设定电路，所述参考电压设定电路包括第二电阻、第三电阻和第二电容，所述电压比较器的反相输入端分别连接第二电容、第二电阻和第三电阻的一端，所述第二电阻的另一端连接电源，所述第三电阻和所述第二电容的另一端接地。

5.一种基于压电效应的按键输入方法，包括：

压电材料在外力按压按键时产生第一电压；

将所述第一电压与参考电压进行比较并根据比较结果输出矩形波信号；

判断矩形波信号是否为有效矩形波信号；

若是，则输出与有效矩形波信号对应按键的键值；

所述判断矩形波信号是否为有效矩形波信号的步骤为：

判断所述矩形波信号的脉宽是否大于或等于第一阈值且小于或等于第二阈值，所述第一阈值小于所述第二阈值；

若是，则判定为有效矩形波信号；

输出与连续有效矩形波信号对应按键的键值；

在判定为有效矩形波信号的步骤之后，还包括：

判断在预定时间内是否有连续的有效矩形波信号；

若是，则判断连续有效矩形波之间的时间间隔是否大于或等于第三阈值；

若是，则输出与连续有效矩形波信号对应按键的键值。