Устройство ввода информации

Полезная модель относится к устройствам ввода информации, в частности к емкостной сенсорной клавиатуре и может быть использована в промышленных устройствах, эксплуатирующихся в тяжелых условиях.
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)»).
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.
Технической проблемой полезной модели является исключение вышеуказанных недостатков.
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.
Кроме того, выступы ПТД могут быть расположены параллельно друг другу и могут иметь одинаковую длину.
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.
Кроме того, выступы ВТД могут быть расположены параллельно друг другу и могут иметь имеют одинаковую длину.
Кроме того, выступы ВТД могут быть расположены перпендикулярно основанию гребенки и могут быть расположены на основании гребенки по всей длине с одинаковым шагом.
Кроме того, ширина сторон рамки и ее выступов, преимущественно, больше ширины основания и выступов гребенки.
Кроме того, ПТД может иметь, по меньшей мере, два выступа, а ВТД может иметь, по меньшей мере, три выступа.
Кроме того, на поверхности печатной платы с сенсорными элементами может быть установлен защитный элемент.
Защитный элемент может быть выполнен из прозрачного или непрозрачного диэлектрического материала, который может иметь толщину от 6 до 40 мм.
Кроме того, печатная плата может иметь средство вывода информации в виде дисплея, либо индикатора (набора индикаторов).
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.
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.
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).
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).
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.
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.
Все линии ПТД 3 (рамка с выступами) каждого элемента 2 выполнены утолщенными (широкими) по сравнению с линиями ВТД 4 (по сравнению с гребенкой).
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.
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.
Печатная плата 1 может иметь средство вывода информации 10, выполненное в виде дисплея, либо индикатора (набора индикаторов), отражающих информацию о нажатии клавиш.
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.
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.
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.
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»).
Отсутствие внешних частей позволяет использовать данную полезную модель в изделиях, предъявляющих повышенные требования по пылевлагозащите, вплоть до IP68.
Широкий спектр материалов, через которые возможно распознавание прикосновения, позволяет применять предложенную клавиатуру в составе устройств с повышенными требованиями к защите от агрессивных сред.
Символы, обозначающие места касания могут наноситься как с внутренней стороны (оболочки) корпуса при условии прозрачности (оболочки) корпуса, так и с наружной стороны.
Кроме того, предложенное устройство позволяет производить ввод информации в средствах индивидуальной защиты человека (например, резиновых или хлопчатобумажных перчатках).
Особая форма чувствительных элементов, примененная в предложенной полезной модели, позволяет повысить плотность расположения точек прикосновения, что положительно влияет на массогабаритные характеристики итогового изделия.
Возможность изготовления чувствительного элемента 2 из гибкого материала позволяет создавать изделия с поверхностью сложной формы.