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CN101000529A - 一种用于红外触摸屏的触摸力检测装置 - Google Patents

一种用于红外触摸屏的触摸力检测装置 Download PDF

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Abstract

一种通过检测作用在红外触摸屏上的触摸力及其引起的振动，用以辅助确认触摸事件发生的装置，该装置使用安装在红外触摸屏的保护玻璃板的边缘区域的应变片、拉力或压力传感器、或者拾音器作为机械力传感器来实现上述检测。检测到的机电信号经过信号处理电路处理以后，与微控制器的I/O接口相连接，作为判定触摸事件发生的必要条件。通过这个辅助装置的检测，就可以消除因飞虫或者空气中的漂浮物引起触摸屏误触发的现象，提高了触摸屏对触摸事件判定的准确性，同时使其更适用于一些特殊场合的应用。

Description

一种用于红外触摸屏的触摸力检测装置
技术领域
本发明属于传感测量和信号处理技术领域，尤其是将机械振动信号转化为电信号并用于微控制器系统的技术领域。在本发明中，应用在红外触摸屏的触摸信号检测技术领域，属于计算机多媒体应用技术领域。
技术背景
红外触摸屏已经是一项很成熟的技术，应用非常广泛。号码为00121462.4、00250806.0、00200147.6、00262072.3、01202252.7、200420093591.3、2004201 17952.3、等的专利申请已经给出了红外触摸屏的很多技术，包括各种改进的技术方案。但是在实际应用中，现有的红外触摸屏都有一个缺点：即不能分辨环境物体的干扰。比如一只落在屏幕上的飞虫，或者尺寸较大的漂浮物，以及其他偶然的阻挡等，都可能被触摸屏认为是人的手指在触摸，而引起误动作。这在某些特殊场合是不能被允许的，如工业控制、野外使用等方面。
发明内容
本发明的目的，就是针对上述现有产品和技术的缺陷，给出一种能够降低甚至消除因偶然出现的物体导致触摸屏出现误触发的技术方案。
为了实现上述的发明目的，本发明中采用了检测是否有触击力的方式，来分辨是手指的触摸还是外界的干扰。在本发明中，这套触击检测装置由安装在红外触摸屏的内部，包含有玻璃板、传感器、信号处理电路、用于控制触摸屏的微控制器构成。这里所使用的传感器是机械力传感器，安装在触摸屏玻璃板的边缘；所述机械力传感器的信号输出端，与所述信号处理电路的输入端相连接；所述信号处理电路的输出端，与用于控制触摸屏的微控制器的I/O接口相连接。这里所述的机械力传感器，可以是应变片、压力或者拉力传感器，或者拾音器中的一种，也可以是上述几种传感器的组合。
通过分析上面描述的技术方案，可知这种方案具有技术成熟、成本低廉、安装维护方便等优点，很适合应用在红外触摸屏系统中。红外触摸屏安装上了这套触摸力检测装置以后，就可以通过检测被阻挡的红外线和施加在保护用途的玻璃板表面的作用力及其产生的各种运动和变形，构成双重检测模式，能够有效地滤除如飞虫、空中漂浮物等产生的干扰，提高触摸屏触发的可靠性，以适用于特殊场合的应用。
附图说明
图1应变片在红外触摸屏的玻璃板上的安装位置示意图
图2压力传感器在红外触摸屏的玻璃板上和内边框之间的安装结构示意图
图3压力或者拉力传感器在红外触摸屏的玻璃板上的安装位置图
图4拾音器在红外触摸屏的玻璃板上的安装位置示意图
图5拉力传感器在红外触摸屏的玻璃板上和外边框之间的安装结构示意图
图6整个装置整体机电结构示意图
图7针对使用拾音器的信号处理电路的方框图
图8针对使用力传感器的信号处理电路的方框图
具体实施方案
本发明可以有多个具体的实施方案。
图1给出的是一种使用应变片来实现触摸力(或者称为触击力)作为检测机械力检测传感器的实施方案。一般红外触摸屏为了保护显示器的屏幕，尤其在现在大量使用液晶显示器的情况下，屏幕表面比较脆弱，都安装有一块(钢化)玻璃板101，安装在触摸屏的边框102(以虚线表示)之内。这样，应变片(亦称为电阻应变计)103就安装在玻璃板的边缘部分的表面上。如图所示，由于玻璃板101的边缘深入到了用于保护红外发射和接收管阵列104的边框102之内，因此触摸屏的边框也同时对应变片产生了保护作用。图1中给出的是4个应变片103安装在玻璃板的四个边缘的表面的情况。一般来说在两个相邻的边缘安装两片就能满足实际使用的需求，而安装4片更能得到更好的灵敏度，对于力量比较轻的触摸动作也能检测得到。如果不考虑更高的灵敏度，则可以降低对信号处理电路的放大量或者抗干扰性等参数的要求，降低生产调试的难度。但是更多的应变片意味着更高的成本，因此可根据实际情况选择合适的结构方案。由于玻璃板在受到触摸力的作用时产生的主要是弯矩，因此安装应变片时，其检测方向应该平行于玻璃板的边缘。图中给出的是长宽比很大的条形应变片，以提高应变片的检测灵敏度。实际应用中也可以选择使用普通长宽比的通用应变片。这里比较重要的一个参数是应变片的灵敏系数，应当适用于常用触摸力使玻璃板产生的形变大小。
图2实际上是压力传感器202在红外触摸屏的玻璃板上和内边框之间的安装结构的剖面的示意图，可以结合图3给出的安装位置图来一起说明压力传感器的安装结构。在正常使用时，红外触摸屏安装在显示表面207的前方的，其边框101都是内侧开口的，包围着玻璃板的边缘以及包含有电子元件的电路板201以及红外发射和接收管阵列104，由位于所述玻璃板和显示器外壳206之间的内边框204、环绕在玻璃板侧边框205和位于玻璃板前方的外边框203构成，玻璃板就安装在边框的内边框和外边框之间。因为这里的机械力传感器是压力传感器，因此应该安装在所述玻璃板的表面与所述触摸屏的内边框之间，构成玻璃板与边框之间的支撑结构。根据一般的力学原理，为了保证玻璃板稳定性，这个支撑结构应该位于玻璃板的角上，或称为角部，如图3所示。
由于触摸屏在使用时所受到的触摸力都是指向屏幕表面的，因此还可以使用拉力传感器替代压力传感器，安装在所述玻璃板的角上的表面与所述触摸屏的外边框之间，位于玻璃板的前方，同样也构成对玻璃板的支撑，如图5所示。为了更概括地说明本发明的这种实施方案，在此结合图2、图3和图5，我们统称压力和拉力传感器为力学传感器，如图3中的301所示。
由于玻璃板具有很高的杨氏模量，即具有很高的强度和弹性，表面又有一定的摩擦系数，因此无论是单次触摸还是连续的滑动触摸，触摸力在作用到玻璃板上之后都将不可避免地引起玻璃板的振动，产生声波或者次声波，所以还可以使用拾音器作为机械力传感器来检测玻璃板的受力情况，如图4所示。这里使用了安装在玻璃板边缘的拾音器401来检测玻璃板的振动情况，以判定是否有触摸事件发生。图中安装了两个拾音器，以提高检测的灵敏度。也可以只使用一只拾音器，因为事实上机械震动在玻璃板中传导的损耗很小。这里，拾音器可以使用低成本的压电陶瓷片，也可以使用低频响应比较好的电容或者电磁拾音器，但是成本较高一些。
图6给出了整个装置的结构方框图。在图中，没有区分机械力传感器的种类，而是将本发明中使用的各种机械力传感器表示在一块玻璃板上以归一化为信号源。事实上，这种应用也可以作为一种技术方案，即组合使用是应变片、力传感器、拾音器中两种以上的机械力传感器来检测触摸或者触击力，利用各种传感器的特点互相补充其不足。
在图6中，微控制器系统602通过I/O接口通道603，与构成红外触摸屏的其他元件，包括红外发射和接收管阵列、发射管驱动电路、接收管信号处理电路等，构成了现有触摸屏的完整系统。本发明就是在这个完整的系统之中再加入了由机械力传感器及其信号处理电路601所构成的子系统，来实现触摸力及其在玻璃板上产生的运动的检测，作为触摸屏被触发的一个必要条件。这里信号处理电路的输出端也通过微控制器的I/O与微控制器相连接。只要当微控制器检测到了这个接口的输出有设定的电信号之后，才确认被阻挡的红外线是操作者所为，从而执行触摸操作。因此，这个I/O接口输出的电信号，与触摸屏的红外线被阻挡而产生的电信号之间，是“与”的关系；这种关系是通过微控制器的软件代码来实现的。
图6中的信号处理电路601针对不同的机械力传感器是有一定区别的。如果使用拾音器作为传感器，那么这个信号处理电路的基本结构如图7所示，由包含有信号放大、滤波电路的前置电路701和包含有检波、整形、箝位等部分的驱动电路702串连而成。当然，由于电子电路设计的灵活性，上述单元模块的分割不是唯一的，比如就可以把在此设置在驱动电路702中的检波部分，并入前置电路701之中，其设计的原则是符合信号传输的流程和能够使电路正常工作。由于对于声频、次声频信号的放大、滤波等处理，以及与微控制器之间的接口，都是及其成熟的现有技术，故在此不再给出具体的电路结构。这部分的内容可以参考关于电声电路中的AGC电路、ALC电路、红外遥控或者声控开关等电路的具体结构来设计实施。比如成都科技大学出版社和电子科技大学出版社出版的各年《电子报》的合订本、人民邮电出版社出版的《无线电》月刊中，就有很多实用电路可供参考。
图8是与应变片或者力学传感器相对应的信号处理电路。该电路与图7的主要区别在于：图中应变片或者力学传感器801在与包含有信号放大、滤波电路、解调或者检波电路的前置电路802的输入端相连接的同时，一般还需要与一个选配的“传感器适配电路”804(用虚线表示选配)相连接。一般来说，这个传感器适配电路的作用，是为传感器提供一个最适合其工作的条件。比如对于电阻应变计来说，一般使用一个交流电源来为其提供检测电流，以便于后续电路可以使用陈本较低容易调试的交流放大器，而不需要容易产生直流偏移的直流放大器；又如对于某些电容结构的力学传感器来说，有时会用到一个高压电源来为其提供极化电压。这样，这里所使用的前置电路802的内部结构，就与使用拾音器作为传感器的前置电路701会有一定的区别，依据所使用的传感器的不同而不同。但是这部分也是成熟技术。比如使用应变片作为传感器时，就可以参照中国计量出版社出版的《应变电测量与传感技术》(ISBN7-5026-0630-0/TM·5，作者马良理等，1993年出版)一书的内容来设计这部分电路。而如果使用力学传感器，因为缺少统一的规范，因此目前各个企业的产品很难通用，所以需要参照生产企业给出的使用手册或者技术资料来设计电路。前置电路802所输出的调理后信号，一般都是经过解调或检波后的常规电信号，就可以使用包含一般的箝位、整形等电路的驱动电路803来输出标准电平的电信号，最终与微控制器的I/O接口相连接。
上面着重说明了实现本发明目的基本技术方案，但是我们知道，作为完整的产品方案，还需要配合其它辅助部分，如本发明系统内微控制器的程序设计、各种芯片选择、电磁兼容设计等，因此在本发明所给出的各种基本技术方案的基础上的改进、移植、变通等方式的设计，都属于本发明的技术范围之内，在此不再详述。

Claims (8)

1.一种用于红外触摸屏的触摸力检测装置，安装在红外触摸屏的内部，包含有玻璃板、传感器、信号处理电路、用于控制触摸屏的微控制器构成，其特征在于：
所述传感器是机械力传感器，安装在触摸屏玻璃板的边缘；所述机械力传感器的信号输出端，与所述信号处理电路的输入端相连接；所述信号处理电路的输出端，与用于控制触摸屏的微控制器的I/O接口相连接。
2.根据权利要求1所述的触摸力检测装置，其特征在于：所述的机械力传感器是应变片，安装在玻璃板边缘的表面上，应变片的检测方向平行于玻璃板的边缘。
3.根据权利要求1所述的触摸力检测装置，其特征在于：所述的机械力传感器是力学传感器，安装在所述玻璃板的角上的表面与所述触摸屏的边框之间。
4.根据权利要求3所述的触摸力检测装置，其特征在于：所述的机械力传感器是压力传感器，安装在所述玻璃板角上的表面与所述触摸屏的边框之间，所述的边框是触摸屏的内边框，位于所述玻璃板和显示器之间的边框。
5.根据权利要求3所述的触摸力检测装置，其特征在于：所述的机械力传感器是拉力传感器，安装在所述玻璃板的角上的表面与所述触摸屏的边框之间，所述的边框是触摸屏的外边框，位于玻璃板的前方。
6.根据权利要求1所述的触摸力检测装置，其特征在于：所述的机械力传感器是拾音器，安装在所述玻璃板的边缘。
7.根据权利要求6所述的触摸力检测装置，其特征在于：所述的拾音器是压电陶瓷片。
8.根据权利要求2、3或者6所述的触摸力检测装置，其特征在于：所述的机械力传感器是应变片、力传感器、拾音器中两种以上的组合。
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Assignor: Beijing UNITOP New Technology Co., Ltd.

Contract record no.: 2014990000925

Denomination of invention: Device for detecting touch of infrared touch screen

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Contract record no.: 2014990000925

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