一种红外感应悬浮按键装置的制作方法

1.本实用新型涉及人机交互领域，尤其是涉及一种红外感应悬浮按键装置。


背景技术：

2.按键是一种能够让人机交互更简易更实用的装置，经过多年发展及技术沉淀，目前市面按键控制方式分为二大类：接触式和非接触式。接触式为物理按键、薄膜按键、触摸按键等常见控制类型。非接触式是能够实现悬浮的按键方式，非接触式按键主要有电容式悬浮按键、声波式悬浮按键及红外对管反射悬浮按键。
3.电容式悬浮按键：控制板面大，其结构要求较高。如面板为金属材料，即会失效。
4.声波式悬浮按键：安装结构复杂同时成本高，技术不成熟，稳定性差。
5.红外对管反射悬浮按键：功能单一，精度低，方向性差，易受光的影响。
6.对比以上三种按键方式，红外对管反射悬浮按键在制造成本上有绝对优势，但现有的红外对管反射悬浮按键缺少指示功能，缺乏与用户的互动，用户误触发后不易察觉，同时现有技术缺乏同时管理多个红外对管反射悬浮按键的设计方案。


技术实现要素：

7.本实用新型的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种红外感应悬浮按键装置，防误触发，控制多路按键功能，成本低。
8.本实用新型的目的可以通过以下技术方案来实现：
9.一种红外感应悬浮按键装置，包括mcu控制系统电路、电平转换电路、电源ldo降压电路、led灯驱动电路以及若干个光感按键模块；
10.每个光感按键模块包括红外发射灯、红外接收灯、发射驱动电路、红外接收信号放大电路和led指示灯，所述的mcu控制系统电路、发射驱动电路和红外发射灯依次电性连接，所述的红外接收灯、红外接收信号放大电路和mcu控制系统电路依次电性连接，所述的led指示灯与led灯驱动电路连接；
11.所述的发射驱动电路与dc电源连接，所述的电源ldo降压电路与dc电源连接，所述的mcu控制系统电路、电平转换电路、红外接收信号放大电路以及led灯驱动电路分别与电源ldo降压电路连接。
12.进一步地，所述的发射驱动电路包括发射控制电路和单路恒流源电路；
13.所述的红外发射灯为发光二极管rled，所述的发射控制电路包括npn三极管q2、电阻r14和电容c1，所述的rled的负极与q2的集电极连接，正极连接dc电源，所述的c1一端与rled的正极连接，另一端接地，所述的电阻r14一端连接q2的基极，另一端连接mcu控制系统电路；
14.所述的单路恒流源电路包括npn三极管q1、电阻r38、电阻r29、稳压源q13和电容c15，所述的q2的发射极与q1的集电极连接，发射极串联r38后接地，基极串联r29后接地，所述的q13为tl432，所述的q13的阳极接地，阴极与q1的基极连接，参考端与q1的发射极连接，
所述的电容c15一端与电阻29连接，另一端接地。
15.进一步地，所述的红外接收灯为红外接收三极管pt，所述的红外接收信号放大电路包括运算放大器u2、电阻r7、电阻r8、电阻r28、电阻r33、电阻r41、电阻r53、电容c20、电容c23、电容c27、电容c30以及电容c41；
16.所述的pt的发射极串联r33后接地，集电极与电源ldo降压电路连接，所述的电容c23一端与pt的集电极连接，另一端接地；
17.所述的电容c41一端与pt的发射极连接，另一端与u2的同相输入端连接，所述的电阻r53一端与u2的同相输入端连接，另一端接地，所述的电阻r28一端与u2的同相输入端连接，另一端与电源ldo降压电路连接，所述的u2的反相输入端串联r8后接地，所述的r7一端连接u2的输出端，另一端连接u2的反相输入端，所述的电容c20与r7并联，所述的u2的正电源端与电源ldo降压电路连接，负电源端接地，所述的电容c27一端与u2的正电源端连接，另一端接地，所述的电阻r41一端与u2的输出端连接，另一端串联c30后接地。
18.进一步地，所述的电源ldo降压电路包括ldo、电阻r15、电容c2、电容c3、电容c12、电容c13、电容c14、电容c16、电感l1和电感l2；
19.ldo的vin引脚连接dc电源，所述的电容c14和电容c16为dc电源和vin引脚之间的滤波电容，ldo的en引脚串联r15后连接dc电源，所述的电容c12和电容c13为ldo的out引脚的滤波电容，所述的l1和c2构成和ldo的out引脚的第一lc滤波电路，所述的l2和c3构成ldo的out引脚的第二lc滤波电路，所述的第一lc滤波电路的输出为第二lc滤波电路的输入，所述的第一lc滤波电路的输出端与mcu控制系统电路连接，所述的第二lc滤波电路的输出端与红外接收信号放大电路连接。
20.进一步地，所述的mcu控制系统电路包括第一mcu、电阻r16、电阻r17、电容c34、电容c33、电阻r19、电阻r18、电容c17、电容c18和电容c19；
21.所述的r16和c34构成第一mcu和电平转换电路之间的rc滤波电路，所述的r17和c33构成第一mcu和电平转换电路之间的rc滤波电路，所述的第一mcu和电平转换电路之间的复位电路，所述的c17构成dc 3.3v和第一mcu之间的滤波电路，所述的c19构成3.3v模拟电源和第一mcu之间的滤波电路，所述的r19和c18构成第一mcu和dc 3.3v电压之间的复位电路。
22.进一步地，所述的led灯驱动电路包括第二mcu、电阻r24、电阻r56、电容c37和电容c38，所述的第二mcu通过clk和dat引脚与mcu控制系统电路连接，所述的r56和c37构成第二mcu的dat引脚的rc滤波电路，所述的r24和c38构成第二mcu的clk引脚的rc滤波电路。
23.进一步地，所述的电平转换电路包括n-mos管q8、n-mos管q14、电阻r1、电阻r4、电阻r5、电阻r6、电阻r34、电阻r35、电容c57和电容c58；
24.所述的q8的栅极串联r5后与电源ldo降压电路连接，漏极与mcu控制系统电路连接，所述的q14的栅极串联r6后与电源ldo降压电路连接，漏极与mcu控制系统电路连接，所述的r1和r4为电平转换电路的输入电平的上拉电阻，所述的c57为输入电平的滤波电容，所述的r34和r35为电平转换电路的输出电平的上拉电阻，所述的c58为输出电平的滤波电容。
25.进一步地，每个光感按键模块包含的led指示灯的数量为两个，两个led指示灯并联。
26.进一步地，所述的装置还包括安装面板，所述的mcu控制系统电路、电平转换电路、
电源ldo降压电路、led灯驱动电路以及若干个光感按键模块分别设于安装面板上，所述的若干个光感按键模块并排间隔设置。
27.进一步地，所述的安装面板的材料为金属，所述的红外发射灯和红外接收灯嵌设在安装面板内。
28.与现有技术相比，本实用新型具有以如下有益效果：
29.(1)本实用新型红外感应悬浮按键装置包括mcu控制系统电路、电平转换电路、电源ldo降压电路、led灯驱动电路以及若干个光感按键模块，每个光感按键模块包括红外发射灯、红外接收灯、发射驱动电路、红外接收信号放大电路和led指示灯，可实现1路到多路红外感应悬浮按键功能控制，配合指示灯直观地看到操作是否完成，交互性强，防误触发，装置涉及的硬件器件数量较少，器件成本低；
30.(2)本实用新型每路发射驱动电路包括发射控制电路和单路恒流源电路；红外发射灯为发光二极管rled，npn三极管q1、电阻r38、电阻r29、稳压源q13和电容c15构成精密恒流源电路，其中q13为tl432，是一款高精度及高性价比的常用分流式电压，c1和c15分别构成滤波电路，降低红外发射灯的电压纹波系数，波形平滑，使得发光二极管rled稳定工作，单路恒流源电路的成本低；
31.(3)本实用新型红外感应悬浮按键装置直接以用户手指为红外光反射面，实现悬浮按键功能，因此采用敞开式设计，即红外发射灯和红外接收灯嵌设在安装面板内，安装面板材料为金属，若干个光感按键模块并排间隔设置在安装面板上，结构紧凑，便于安装。
附图说明
32.图1为本发明的正面结构示意图；
33.图2为本发明的背面结构示意图；
34.图3为发射控制电路的示意图；
35.图4为单路恒流源电路示意图；
36.图5为红外接收信号放大电路示意图；
37.图6为mcu控制系统电路示意图；
38.图7为led灯驱动电路示意图；
39.图8为电源ldo降压电路示意图；
40.图9为电平转换电路示意图
41.图10为本发明的结构框图；
42.图11为红外发射灯与红外接收灯工作原理示意图；
43.图中标号说明：
44.1.mcu控制系统电路，2.电平转换电路，3.电源ldo降压电路，4.led灯驱动电路，5.红外发射灯，6.红外接收灯，7.发射驱动电路，8.红外接收信号放大电路，9.led指示灯，10.dc电源输出端，11.输入输出端，12.安装面板。
具体实施方式
45.下面结合附图和具体实施例对本实用新型进行详细说明。本实施例以本实用新型技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本实用新型的保
护范围不限于下述的实施例。
46.一种红外感应悬浮按键装置，如图1、图2和图10包括安装面板12、mcu控制系统电路1、电平转换电路2、电源ldo降压电路3、led灯驱动电路4以及8个光感按键模块，mcu控制系统电路1、电平转换电路2、电源ldo降压电路3、led灯驱动电路4以及若干个光感按键模块分别设于安装面板12上，8个光感按键模块并排间隔设置。
47.每个光感按键模块包括红外发射灯5、红外接收灯6、发射驱动电路7、红外接收信号放大电路8和led指示灯9，mcu控制系统电路1、发射驱动电路7和红外发射灯5依次电性连接，红外接收灯6、红外接收信号放大电路8和mcu控制系统电路1依次电性连接，led指示灯9与led灯驱动电路4连接；
48.发射驱动电路7与dc电源连接，电源ldo降压电路3与dc电源连接，mcu控制系统电路1、电平转换电路2、红外接收信号放大电路8以及led灯驱动电路4分别与电源ldo降压电路3连接。
49.安装面板12的材料为金属，红外发射灯5和红外接收灯6嵌设在安装面板12内。
50.如图8，电源ldo降压电路3包括ldo、电阻r15、电容c2、电容c3、电容c12、电容c13、电容c14、电容c16、电感l1和电感l2；dc电源的电压为dc 5v，ldo的vin引脚连接dc电源，电容c14和电容c16为dc电源和vin引脚之间的滤波电容，ldo的en引脚串联r15后连接dc电源，电容c12和电容c13为ldo的out引脚的滤波电容，out引脚输出dc 3.3v电压，dc 3.3v经c12和c13滤波后获得干净的dc3.3v电压(d3v3)，l1和c2构成和ldo的out引脚的第一lc滤波电路，l2和c3构成ldo的out引脚的第二lc滤波电路，d3v3经第一lc滤波电路后获得a3v3，a3v3经第二lc滤波电路后获得a_3v3，a_3v3送到红外接收信号放大电路8，用于红外接收信号放大电路8的供电。
51.如图6，mcu控制系统电路1包括第一mcu(ic1)、电阻r16、电阻r17、电容c34、电容c33、电阻r19、电阻r18、电容c17、电容c18和电容c19；第一mcu集成了32kb flash、6kb sram和8kb sysrom、1个urat(或iic通讯接口)，r16和c34构成第一mcu和电平转换电路2之间的rc滤波电路，为电平转换电路2的scl(或rx)滤除干扰信号，r17和c33构成第一mcu和电平转换电路2之间的rc滤波电路，为电平转换电路2的sda(或tx)滤除干扰信号，第一mcu和电平转换电路2之间的复位电路，c17构成d3v3和第一mcu之间的滤波电路，c19构成3.3v模拟电源和第一mcu之间的滤波电路，r19和c18构成第一mcu和dc 3.3v电压之间的复位电路。
52.如图3和图4，发射驱动电路7一共有8路，每路发射驱动电路7包括发射控制电路和单路恒流源电路；红外发射灯5为发光二极管rled，波长为940nm，发射控制电路包括npn三极管q2、电阻r14和电容c1，rled的负极与q2的集电极连接，正极连接dc电源，c1一端与rled的正极连接，另一端接地，电阻r14一端连接q2的基极，另一端连接mcu控制系统电路1；单路恒流源电路包括npn三极管q1、电阻r38、电阻r29、稳压源q13和电容c15，q2的发射极与q1的集电极连接，发射极串联r38后接地，基极串联r29后接地，r38采用高精度、低温漂电阻，q13为tl432，是一款高精度及高性价比的常用分流式电压，q13的阳极接地，阴极与q1的基极连接，参考端与q1的发射极连接，电容c15一端与电阻29连接，另一端接地；c1和c15分别构成滤波电路，降低第一路红外发射灯rled1的电压纹波系数，波形平滑，irled1为第一路红外发射驱动电路的控制端连接到第一mcu的26号引脚上，当第一mcu控制irled1产生pwm波形时，则rled1的灯珠同时发出红外光，达到同时受控的目的，其余7路发射驱动电路7原理与
第1路相同。
53.如图5，红外接收信号放大电路8共有8路(匹配红外发射灯5，形成1对1控制电路)，包括运算放大器u2、电阻r7、电阻r8、电阻r28、电阻r33、电阻r41、电阻r53、电容c20、电容c23、电容c27、电容c30以及电容c41；红外接收灯6为红外接收三极管pt，第一路红外接收三极管pt1的发射极串联r33后接地，集电极与电源ldo降压电路3连接，电容c23一端与pt的集电极连接，另一端接地，电容c41一端与pt的发射极连接，另一端与u2的同相输入端连接，电阻r53一端与u2的同相输入端连接，另一端接地，c41和r53组成无源高通滤波电路，电阻r28为上拉电阻，其一端与u2的同相输入端连接，另一端与电源ldo降压电路3连接，u2的反相输入端串联r8后接地，运放(u2)为小信号放大的核心器件，r7一端连接u2的输出端，另一端连接u2的反相输入端，电容c20为滤波电容，其与r7并联，u2的正电源端与电源ldo降压电路3连接，负电源端接地，电容c27一端与u2的正电源端连接，另一端接地，电阻r41一端与u2的输出端连接，另一端串联c30后接地，整体构成电压串联负反馈放大电路，r41和c30组成低通滤波电路后到第一mcu的6脚进行采样。pt1接收到940nm波长的红外光时，内部产生光电流，经r33转成小的电压信号。
54.led灯驱动电路4包括第二mcu(ic2)、电阻r24、电阻r56、电容c37和电容c38，第二mcu通过clk和dat引脚与第一mcu连接，完美解决mcu的io不足及恒流控制led指示灯9的过程中出现亮暗不均的问题，r56和c37构成第二mcu的dat引脚的rc滤波电路，r24和c38构成第二mcu的clk引脚的rc滤波电路。
55.led指示灯9为发光二极管，起到背光显示的作用，每个光感按键模块包含的led指示灯9的数量为两个，两个led指示灯9并联，每路led灯驱动电路4控制两个led指示灯9亮灭，共16个led指示灯9，即led1～led16。
56.如图9，电平转换电路2包括n-mos管q8、n-mos管q14、电阻r1、电阻r4、电阻r5、电阻r6、电阻r34、电阻r35、电容c57和电容c58；q8的栅极串联r5后与电源ldo降压电路3连接，漏极与mcu控制系统电路1连接，q14的栅极串联r6后与电源ldo降压电路3连接，漏极与mcu控制系统电路1连接，r1和r4为电平转换电路2的输入电平的上拉电阻，c57为输入电平的滤波电容，r34和r35为电平转换电路2的输出电平的上拉电阻，c58为输出电平的滤波电容。电平转换电路2可满足iic快速通讯400khz的通讯频率，sda_iic&tx和scl_iic&rx分别连接到第一mcu的28和27脚上，sda_iic&tx_io及scl_iic&rx_io通过连接器与外部通讯。
57.红外感应悬浮按键装置的工作原理如下：
58.外部供电电源可输入(5v)直流电压电源，并分为两路，其中一路dc5v经过电源ldo降压电路3降压，输出3.3v直流电压，供到mcu控制系统电路1和红外接收信号放大电路8，另一路dc5v通过c14和c16滤波后，供到发射驱动电路7和led灯驱动电路4，上电后第一mcu从rled1引脚发出“pwm”控制信号驱动第一路发射驱动电路7工作，使得红外发射灯rled1发出红外光，同时打开pt1的红外接收信号放大电路8的信号接收通道，如图11，当手指在rled1上悬停时，rled1的红外光反射到pt1上接收红外信号，pt1接收灯将接收到红外信号转换成电流信号，通过红外接收信号放大电路8后，经第一mcu的6脚进行采样，第一mcu内部12位ad采样电路转换成对应0-4095数值，经内部算法处理可得有用信号，手指离rled1越靠近，红外信号量越大，得到ad值越大，从而捕捉到手指按按键的动作信号。这是1个通道接收信号处理过程。同理，第1个通道发收完成后，间隔一端时间后第2个通道进行发收，一直进行到
第8个通道，第一mcu根据接到的多路红外信号得到手指的位置，同时第一mcu通过控制clk与data引脚，使得led灯驱动电路4点亮对应的led指示灯9，第一mcu在sda与scl引脚输出iic信号或uart信号，iic信号或uart信号经过电平转换电路，转换成5v电压(电平)信号输出到外部设备。
59.本实施例提出了一种红外感应悬浮按键装置，悬浮感应距离可达20mm，可实现不接触按键的情况下实现悬浮对设备的控制，配合指示灯9直观地看到操作是否完成，防误触发，可实现1路到多路按键功能，红外感应悬浮按键装置涉及的硬件器件数量较少，成本低。
60.以上详细描述了本实用新型的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本实用新型的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本实用新型的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。