Элементная база интеллектуальных сенсоров. Часть 2

26.2. Клавиатура

Для "общения" пользователя с сенсором применяют разнообразные клавиатуры. Это могут быть отдельные кнопки или клавиши, пленочные (мембранные) или силиконовые клавиатуры. На рис. 26.4 в верхнем ряду показаны некоторые типы пленочных клавиатур. Они состоят из основы с электропроводящим покрытием, упругой мембраны с отдельными плёночными электродами и внешней пленочной "панели" с предусмотренным конструкторами дизайном.

Рис. 26.4. Образцы пленочных (верхний ряд) и силиконовых (нижний ряд) клавиатур. Их форма, размеры, дизайн могут быть заданы заказчиком

Преимуществами пленочных клавиатур по сравнению с обычными кнопочными являются большой рабочий ресурс (свыше 20 млн. переключений), простота монтажа, небольшая цена, возможность спроектировать и воплотить уникальный собственный дизайн. Как правило, пленочные клавиатуры делают из полиэфира, который является очень стойким. Места нажатия контактов могут быть плоскими или иметь пластиковый "купол". Время возникновения контакта при нажатии не превышает 5 мс. Электрическое сопротивление при этом уменьшается от 100 МОм до 10 Ом, а после отпускания снова возрастает до исходного значения. Через нажатый контакт можно пропускать ток до 100 мА.

На рис. 26.4 в нижнем ряду показаны некоторые силиконовые клавиатуры. Они могут имитировать любую форму выступающих или "утопленных" кнопок или клавиш и любые размеры, сохраняя все преимущества пленочных клавиатур. Тактильный эффект можно подобрать по желанию заказчика и реализовать оптимальное в каждом случае ощущение нажима и ход клавиши от 0 до 5 мм. Внешним оформлением можно имитировать пластиковые и металлические кнопки.

26.3. Сенсорные экраны

При проектировании портативных интеллектуальных сенсоров нередко возникает проблема дефицита площади для размещения дисплея и всей нужной клавиатуры. Выходом в таких случаях может стать применение сенсорных экранов ( англ. – Touch Screen). В них клавиатура и экран, на который выводится информация, объединены в одно целое. Вместе с необходимым изображением на свободных местах экрана формируются изображения виртуальных кнопок управления, которые могут потребоваться в данном режиме работы. Для управления сенсором пользователь дотрагивается до экрана в соответствующих точках. Сообщение о прикосновении передается в микроконтроллер, который организует нужную реакцию на указание пользователя. Для подтверждения приёма команды виртуальная кнопка на экране может каким-то образом измениться: уменьшить или увеличить яркость, мелькать с другой частотой, изменить свой цвет, стать заштрихованной, и т.п. Это будет означать, что указание принято к выполнению. При изменении режима работы виртуальные кнопки управления, которые стали уже не нужны, исчезают с экрана, а в других местах могут появиться другие кнопки управления в зависимости от потребности. Диалог интеллектуального сенсора с пользователем становится от этого более естественным, надежным, более понятным, дружественным. Исчезает необходимость в отдельной жестко фиксированной клавиатуре, она становится программируемой, гибкой, в каждой ситуации функционально оптимальной.

Для достижения этого, перед экраном устанавливают прозрачную сенсорную панель, задача которой – определять координаты точки прикосновения к экрану и передавать их в микроконтроллер, который на этой основе определяет, к какой именно из виртуальных кнопок на экране в данный момент дотрагивается пользователь. Сенсорная панель уменьшает яркость изображения всего на 10-25 % и не мешает его восприятию.

Сейчас между собой конкурируют несколько вариантов реализации сенсорной панели. На рис. 26.5 показана конструкция резистивной сенсорной панели. Она состоит из стеклянной основы 1, упругой майларовой мембраны 2 и изолирующих распорок 3. На нижнюю сторону мембраны 2 и на верхнюю сторону стеклянной основы 1 нанесены прозрачные пленочные электропроводящие покрытия 4 и 5. На краях пленки 5 сформированы металлические электроды внешних выводов 6 и 7. Электропроводящее покрытие 5 на стекле делают максимально однородным.

Электрическая схема на рис. 26.5, в объясняет принцип действия сенсорной панели. Когда между электродами 6 и 7 подается небольшое эталонное напряжение, то на прозрачной электропроводящей пленке возникает градиент потенциала. При нажатии майларовой мембраны в точке нажима образуется электрический контакт между покрытиями 4 и 5. И через пленку 4 потенциал покрытия 5 в этой точке, пропорциональный координате Х, передается на выход. Дальше он усиливается и поступает на АЦП, двоичный код с которого передается в микроконтроллер. Для определения координаты Y точки нажатия опорное напряжение во втором такте опроса подается между электродами 8 и 9. Создается уже вертикальный градиент потенциала, благодаря чему потенциал на пленочном покрытии 4 становится пропорциональным координате Y. "Считывание" координат Х и Y происходит быстро с интервалом времени менее 1 мс.

Рис. 26.5. Конструкция резистивной сенсорной панели: а) вид в разрезе; б) вид в плане; в) принципиальная электрическая схема считывания сигнала, пропорционального координате точки контакта при нажатии

В цифровых (или матричных) сенсорных панелях прозрачные электропроводящие пленочные покрытия 4 и 5 ( рис. 26.5) разделены на системы изолированных параллельных шин, которые образуют координатную сетку. В точке касания соответствующие горизонтальная и вертикальная шины электрически контактируют. Микроконтроллер организует периодическое быстрое сканирование горизонтальных и вертикальных шин. Номера шин, находящихся в контакте, и являются координатами точки касания.

В сенсорных панелях на основе технологии DST (Dispersive Signal Technology) во всех углах мембраны 2 находятся пьезоэлектрические чувствительные элементы. Когда палец или другой предмет ("стилус") дотрагивается до мембраны, то от точки соприкосновения по мембране распространяются упругие волны. Пьезоэлектрические элементы фиксируют их появление, формируя соответствующие электрические сигналы. По разности времен поступления этих сигналов от каждого из 4 угловых пьезоэлектрических элементов микроконтроллер вычисляет координаты точки прикосновения.

Укажем, что сенсорные панели, тонкоплёночные и силиконовые клавиатуры, сами по себе тоже являются сенсорами. Первичные сигналы возникают в них в результате прикосновения или нажатия, т.е. являются механическими. И по нашей классификации эти сенсоры надо отнести к классу механических сенсоров.