一种具有人机交互功能的键盘系统的制作方法

本实用新型属于人机交互技术领域，尤其是涉及一种具有人机交互功能的键盘系统。

背景技术：

随着技术的进步，目前实现人机交互方式主要包括：机械触摸、电容触摸、电阻触摸和红外手势传感器等形式实现。随着使用的深入，这些人机交互方式各自暴露出其存在的问题：其中，机械键盘、电阻触摸屏、电容触摸屏在使用中防水设计难以实现，且机械键盘存在使用寿命低的问题；电阻触摸屏和电容触摸屏使用寿命中等，但是控制识别算法复杂，形状尺寸比较固定，难以得到广泛应用，且电容触摸屏受易受水滴影响。电容触摸按键虽然寿命很长但是容易受环境温度、空气扰动、水滴等等的影响，可靠性不高且对安装方式要求较高。而且由于户外阳光中存在大量红外信号，会对红外手势识别传感器造成干扰，所以红外手势识别传感器基本不适合户外使用。另外由于红外热释电传感器检测的是红外线信号，人体感应使用红外热释电传感器测量时，容易受环境温度的影响，当环境温度与人体体温相当时误触发严重。因此如何开发出一种新型的具有人机交互功能的键盘系统，能够克服上述各项现有技术方案所存在的诸多问题，是本领域技术人员需要研究的方向。

技术实现要素：

本实用新型的目的是提供一种具有人机交互功能的键盘系统，能够集成触摸按键、手势识别和人体感应功能，有效提高工作可靠性，降低放水设计结构成本和物料成本，方便大批量生产、测试和使用。

其采用的技术方案如下：

一种具有人机交互功能的键盘系统，其包括：键盘面板，超声波收发装置和pcb板；所述超声波收发装置设于键盘面板底部、并与pcb板连接，用于输出超声波信号、并接收该超声波信号的反射信号；所述pcb板上集成有驱动单元，信号处理单元和单片机单元；所述驱动单元用于驱动超声波收发装置工作；所述信号处理单元用于接收和处理超声波收发装置所接收的反射信号；所述单片机单元用于控制驱动单元和信号处理单元工作。

优选的是，上述具有人机交互功能的键盘系统中：所述超声波收发装置采用超声波收发一体式探头。

更优选的是，上述具有人机交互功能的键盘系统中：所述驱动单元包括电感l1，电容c2，三极管q1，电阻r5，电阻r11和电阻r12；所述电感l1一端连接电源vcc、另一端连接电阻r5和电容c2；所述电阻r11一端接入单片机单元输出的脉宽调制信号、另一端连接三极管q1的基极；所述三极管q1的发射极接地、集电极连接电阻r5的另一端；所述电阻r12两端分别连接三极管q1的基极和发射极；所述超声波收发装置一端连接电容c2另一端、接入信号处理单元。

进一步优选的是，上述具有人机交互功能的键盘系统中：所述信号处理单元包括限幅器，滤波器，运算放大器u1a，电阻r7，电阻r8，电容c6，比较器u1b，电阻r3，电阻r4，电容c1，电阻r6，电阻r9和电容c5；所述限幅器包括电阻r1，二极管d1，二极管d2；所述电阻r1一端连接超声波收发装置和电容c2另一端、另一端分别连接二极管d1的负极和二极管d2的正极；所述二极管d1的正极和二极管d2的负极分别接地；所述滤波器包括电容c3和电阻r2；所述电容c3一端连接电阻r1的另一端、另一端连接电阻r2；所述电阻r2的另一端连接运算放大器u1a的正相输入端；所述电阻r7的两端分别连接运算放大器u1a的输出端和反向输入端；所述运算放大器u1a的反相输入端连接电阻r8，所述电阻r8的另一端连接电容c6，所述电容c6的另一端接地；所述运算放大器u1a的输出端连接电容c4，电容c4另一端连接电阻r3；电阻r3另一端分别连接电容c1和电阻r4；电阻r4的另一端连接比较器u1b的正相输入端；电容c1的另一端接地；电阻r6一端接入3.3v正电压，另一端连接比较器u1b的反相输入端；电容c5并联于电阻r9两端；电阻r9一段连接比较器u1b的反相输入端、另一端接地；所述比较器u1b的输出端接入vout1线路输出。

更进一步优选的是，上述具有人机交互功能的键盘系统中：所述单片机单元采用stm32f103芯片。

通过采用上述技术方案：以多个超声波收发装置构成的超声波收发探头阵列放置在产品触摸面板之下，每个超声波收发一体式探头对准一个按键的丝印。通过测量一定距离内是否有物体阻挡而感应到物体或人体接近。这种方案可以避免面板的开孔，从而降低生产难度和产品成本，提高了工作的可靠性，并且降低了防水设计的结构成本。另外由于阵列放置，实现了在按键区域上方的手势识别，能够替代传统的鼠标来操作产品，减少了产品结构组件。此外，基于超声波信号较为良好的方向性，同时使用多个时不会产生相互干扰，方便了大批量的生产、测试，以及使用。

附图说明

下面结合附图与具体实施方式对本实用新型作进一步详细的说明：

图1为实施例1的产品结构示意图；

图2为实施例1中驱动单元和信号处理单元的电路示意图；

图3为实施例1中单片机单元的电路连接示意图。

各附图标记与部件名称对应关系如下：

1、键盘面板；2、超声波收发装置；3、pcb板；31、驱动单元；32、信号处理单元；33、单片机单元；

具体实施方式

为了更清楚地说明本实用新型的技术方案，下面将结合各个实施例作进一步描述。

如图1所示为实施例1，其技术方案如下：

一种具有人机交互功能的键盘系统，其包括：键盘面板1，超声波收发装置2和pcb板3；所述超声波收发装置2设于键盘面板2底部、并与pcb板3连接，用于输出超声波信号、并接收该超声波信号的反射信号；所述pcb板3上集成有驱动单元31，信号处理单元32和单片机单元33；所述驱动单元31用于驱动超声波收发装置2工作；所述信号处理单元32用于接收和处理超声波收发装置2所接收的反射信号；所述单片机单元33用于控制驱动单元31和信号处理单元32工作。

如图2-3所示，具体来说：所述超声波收发装置1采用超声波收发一体式探头。

所述驱动单元31包括电感l1，电容c2，三极管q1，电阻r5，电阻r11和电阻r12；所述电感l1一端连接电源vcc、另一端连接电阻r5和电容c2；所述电阻r11一端接入单片机单元33输出的脉宽调制信号、另一端连接三极管q1的基极；所述三极管q1的发射极接地、集电极连接电阻r5的另一端；所述电阻r12两端分别连接三极管q1的基极和发射极；所述超声波收发装置2一端连接电容c2另一端、接入信号处理单元32。

所述信号处理单元32包括限幅器，滤波器，运算放大器u1a，电阻r7，电阻r8，电容c6，比较器u1b，电阻r3，电阻r4，电容c1，电阻r6，电阻r9和电容c5；所述限幅器包括电阻r1，二极管d1，二极管d2；所述电阻r1一端连接超声波收发装置2和电容c2另一端、另一端分别连接二极管d1的负极和二极管d2的正极；所述二极管d1的正极和二极管d2的负极分别接地；所述滤波器包括电容c3和电阻r2；所述电容c3一端连接电阻r1的另一端、另一端连接电阻r2；所述电阻r2的另一端连接运算放大器u1a的正相输入端；所述电阻r7的两端分别连接运算放大器u1a的输出端和反向输入端；所述运算放大器u1a的反相输入端连接电阻r8，所述电阻r8的另一端连接电容c6，所述电容c6的另一端接地；所述运算放大器u1a的输出端连接电容c4，电容c4另一端连接电阻r3；电阻r3另一端分别连接电容c1和电阻r4；电阻r4的另一端连接比较器u1b的正相输入端；电容c1的另一端接地；电阻r6一端接入3.3v正电压，另一端连接比较器u1b的反相输入端；电容c5并联于电阻r9两端；电阻r9一段连接比较器u1b的反相输入端、另一端接地；所述比较器u1b的输出端接入vout1线路输出。所述单片机单元33采用stm32f103芯片；其pa8引脚连接pwm线路、其pa0引脚连接vout1线路，其通过usart1引脚供与产品的主板之间通讯连接。

实践中，其工作过程如下：

单片机单元33每隔20毫秒通过pa8引脚控制pwm线路发出一个与超声波收发一体式探头的工作频率一致的方波。经过三极管q1、电感l1、电容c2后超声波收发装置2得到一个正弦或方波电压，其峰峰值为2*vcc。超声波收发一体式探头会发出超声波信号，当探头前方有不能穿透的障碍物时，超声波信号所产生的反射信号被超声波收发一体式探头捕获，探头感测到输出引脚有电压。此电压经过r1、d1、d2限幅器发射时保护运算放大器后由u1a和外围元件组成的交流信号放大器，随后输入比较器u1b，最后输出vout1线路连接至pa0，判别是否有高电平。单片机电路使用定时器记录从控制pa8发出到vout1线路得到高电平的时间t。

对每个超声波收发一体式探头来说：在无人操作时，单片机电路pa0引脚得不到高电平。当人手指点击按键时，单片机电路pa0引脚得到高电平，且时间t比较短；当操作者发出手势时，单片机电路pa0引脚得到高电平，且时间t比较长。

通过增加超声波收发一体式探头及其对应的驱动电路和信号处理电路的数量，通过一个单片机电路的一个或多个引脚发出方波控制每一路pwm线路，多个io引脚测量每一路vout1线路是否为高电平。并记录每一路从控制pwm线路发出到vout1线路得到高电平的时间tn。根据每个超声波收发一体式探头对应的vout1线路电平和时间tn可以分辨操作者是在点击、发出手势，还是未操作。

当无人操作时，各超声波收发一体式探头对应的vout1线路电平和时间tn，当收到高电平时则表示有人或物体接近对应的超声波收发一体式探头，同时，可以根据tn计算出该接近物与本模块的距离为：sm＝tns*340(m/s)。

以上所述，仅为本实用新型的具体实施例，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本领域技术的技术人员在本实用新型公开的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。本实用新型的保护范围以权利要求书的保护范围为准。