一種計算機手寫輸入裝置的製作方法

2023-05-01 18:01:26

專利名稱：一種計算機手寫輸入裝置的製作方法
技術領域：
本實用新型是一種計算機手寫輸入裝置，屬計算機輸入技術設備。
市場上現有可購買到的計算機手寫輸入裝置(以下亦簡稱作手寫輸入裝置)所採用的技術主要是應用電磁感應原理，可以做到較高的解析度，同時應用磁至伸縮原理和超聲延時原理也能實現較高的解析度，這三種方法在數位化儀器中均有採用。它們的缺點是坐標的輸入速度不快，所以採用這些方法的手寫輸入裝置不能滿足快速手寫輸入的要求；這三種方法的另一個缺點是，需要精確測量其中電信號的大小或相位，對電信號的精度和穩定性要求較高，且易受到外部幹擾，故結構較複雜，其實現成本較高。
本實用新型的目的就是為了克服和解決現有計算機手寫輸入裝置輸入速度較慢、無法滿足要求、且需精確測量電信號大小或相位，易受幹擾、對電信號的精度及穩定性要求較高、結構較複雜、成本較高等的缺點和問題，研究發明一種坐標輸入速度快、電信號精度及穩定性要求不高、結構簡單、解析度高、成本相對較低的計算機手寫輸入裝置。
本實用新型是通過下述技術方案來實現的本計算機手寫輸入裝置的工作原理及結構示意圖如

圖1～3所示，其手寫筆結構及工作原理示意圖如圖4～7所示，本手寫輸入裝置的電路方框圖如圖8所示；其電路原理圖如圖9所示；本手寫輸入裝置的軟體程序流程框圖如圖10所示。本計算機手寫輸入裝置由電路板4、連接電纜線5、手寫輸入筆6、手寫輸入筆電源線7、手寫輸入部件10、手寫輸入裝置機殼11共同連接構成；電路板4上裝有功能電路、指示燈8、電源開關9、檢測電路12、連接電纜線5的插座13、手寫輸入筆電源線插座14；手寫輸入部件10由隔膜1、網柵2、3連接構成，其上表面為手寫輸入面；其相互位置及連接關係為在一塊受到光——包括紅外線照射或加熱時便能產生光電效應或熱電效應的光敏或熱敏材料所製成的平面隔膜1兩面分別安置一排等距平行且互不接觸的電極——網柵2、3，隔膜與電極直接緊密接觸並且中間無絕緣物，隔膜兩個面上的電極相互垂直；網柵2安置在隔膜1上面構成X軸，其上每一根電極表示X軸上的一個坐標值，網柵3安置在隔膜1下面構成Y軸，其上每一根電極表示Y軸上的一個坐標值，網柵2、3構成一個平面縱橫坐標網；網柵2、3的電極逐根地電氣連接到電路板4上的檢測電路12，其中網柵2的電極與X坐標掃描電路相連，網柵3的電極與Y坐標檢測電路相連；連接電纜線5與計算機的串行通信埠及直流電源相電氣連接；手寫輸入筆6通過電源線7與插座14相電氣連接；電路板4、手寫輸入部件10裝在機殼11內，機殼11為裝在電路板4上的指示燈8、電源開關9、手寫輸入部件10的手寫輸入面、插座13、14留有外露開口便於電源指示和控制，手寫筆輸入、電源與通信線連接；實現本手寫輸入裝置的技術方案及其工作原理如下在一塊由受到光——包括紅外線照射或加熱時便能產生光電效應或熱電效應的光敏或熱敏材料製成的平面隔膜兩面分別安置一排等距平行且互不接觸的電極——網柵，隔膜與電極直接緊密接觸且中間沒有絕緣物，隔膜兩個面上的電極相互垂直。任選其中一個面上的電極構成X軸，在這個面上的每一根電極表示X軸上的一個坐標值；另一個面上的電極構成Y軸，其上的每一根電極表示Y軸上的一個坐標值；隔膜兩面的電極構成了一個平面縱橫坐標網——簡稱坐標網，隔著隔膜垂直相交的電極的交點在坐標網上的位置——坐標由相交電極的X軸坐標值和Y軸坐標值表示。坐標網越密，即隔膜每面電極越密，則手寫輸入裝置的解析度越高。當隔膜上的某一點被光照或加熱時，由於隔膜材料具有光敏或熱敏特性而產生光電效應或熱電效應，使在該點相交的電極之間的電壓或電流發生改變，利用檢測電路，根據電壓或電流的改變確定出在該點相交的電極，就確定了該點的坐標，然後將該點坐標輸入到計算機就實現了坐標輸入。若被光照點或加熱點是由筆尖能發光或發熱的手寫筆在隔膜上書寫或作圖所產生的，則坐標輸入就是由光照點或加熱點構成的筆跡的輸入，從而實現了手寫輸入；當接通電源開關9，手寫輸入裝置通過連接電纜線5接受來自計算機的直流電源並開始工作，指示燈8亮，檢測電路12不斷掃描坐標網，當筆尖能發光或發熱的手寫輸入筆在手寫輸入部件10的手寫輸入面上書寫或作圖時，筆尖所在坐標網交點處的隔膜就受到光照或加熱，該交點處相交電極之間的電壓或電流就會發生改變並被檢測電路12檢測到，同時檢測電路12將該相交電極的X、Y坐標作為當前輸入坐標通過連接電纜線5送給計算機。
本手寫輸入裝置的手寫輸入筆包括手寫輸入光筆和手寫輸入熱筆，其中手寫輸入光筆由筆桿15、筆尖16、開關17共同連接構成，其相互連接關係為光筆筆桿15與筆尖16固定連接，開關17裝於筆桿的杆殼上，筆桿15內裝電池E1或經E1兩端的接線端子接外部電源供電，電池E1與限流電阻R1、發光二極體D1、及開關17構成串聯迴路；開關導通或斷開控制著發光二極體D1的亮或滅；筆尖16是空心的，由發光二極體D1產生的光束經空心筆尖16照射在手寫輸入板上所形成的光點來選擇輸入坐標；手寫輸入熱筆由筆桿18、筆尖19、開關20共同連接構成，其相互連接關係為熱筆筆桿18與筆尖19固定連接，開關20裝於筆桿的杆殼上，筆桿18內裝電池E2或經E2兩端的接線端子接外部電源供電，筆尖19是一微型發熱元件，電池E2與開關20及作為微型發熱元件的電阻R2構成串聯迴路，開關導通或斷開控制著筆尖發熱或不發熱；由發熱筆尖與手寫輸入面的接觸點來選擇輸入坐標。
本手寫輸入裝置的電路由電源開關及指示燈電路、通信及控制電路、X坐標掃描電路、Y坐標檢測電路、坐標網共同電氣連接構成，其互連關係為通信及控制電路分別通過電源線、Y坐標數據總線、X坐標掃描信號線分別與電源開關及指示燈電路、Y坐標檢測電路、X坐標掃描電路相電氣連接；由連接電纜線5輸入的直流電源經電源開關及指示燈電路分別向通信與控制電路、Y坐標檢測電路、X坐標掃描電路供電；坐標網的X軸電極即網柵2的電極逐根地與X坐標掃描電路相電氣連接，坐標網的Y軸電極即網柵3的電極逐根地與Y坐標檢測電路相電氣連接；電路方框圖的工作過程是(1)通信及控制電路向X坐標掃描電路發出數據告訴該電路要檢測哪根X軸電極；(2)X坐標掃描電路改變該根電極的電壓或電流而維持其它電極的電壓或電流不變；(3)Y坐標檢測電路檢測Y軸電極的電壓或電流是否發生改變，並將發生這種改變的Y軸電極坐標送給通信與控制電路；(4)通信與控制電路將接受到的Y軸電極坐標及該時刻被檢測的X軸電極坐標作為當前輸入坐標送給計算機。
本手寫輸入裝置的電路原理圖中，電源開關及指示燈電路由開關9、二極體D2及其限流電阻R3共同電氣連接構成，二極體D2作指示燈8使用；通信及控制電路由微處理器MPU構成；X坐標掃描電路由非門集成件IC1、與門集成件IC2共同電氣連接構成；Y坐標檢測電路由存儲器IC4、比較器集成件IC3、電阻R4～R131、電位器RV共同電氣連接構成。掃描時IC2改變被檢測X軸電極的電壓而維持其它X軸電極的電壓不變，當位於該X軸電極上的坐標點受到光照或加熱時，通過該點的Y軸電極的電壓和電流均會改變，此電壓通過比較器IC3使相應存儲器單元輸出該Y軸電極的坐標數據到與MPU相連的數據總線上，MPU接收此數據並將此數據與該時刻被檢測的X軸電極坐標數據一起送給計算機。
圖10是通信及控制電路的軟體程序流程框圖，21是通過全面掃描坐標網來檢測輸入坐標部分，22為通過小區域掃描來檢測輸入坐標部分；其中X=0表示檢測坐標值最小的X軸電極；X=X+1表示逐根地按坐標值由小到大的順序掃描X軸電極；X=(X+1)p，表示對X+1取模P運算(除以P取餘，P為X軸電極根數)，其結果用於確定將要檢測的X軸電極，即該X軸電極的坐標值是上述取模P運算的結果，這裡進行模P運算的目的是使X總是在0到P-1之間循環變化，從而實現不斷重複地全面掃描坐標網；「送輸入坐標」表示將檢測到的輸入坐標送給計算機；X1=X是將當前輸入坐標的X軸坐標暫存為X1並將其作為當前掃描小區域的中點坐標；X≥P？是保證將要檢測的X軸電極實際存在；X-X1≥K？表示將要檢測的X軸電極是否在當前掃描小區域中，其中K為掃描小區域兩端的電極到中點電極的坐標距，K表示了掃描小區域的大小；X=X1-K表示檢測小區域中坐標值最小的X軸電極；X＜0？是保證將要檢測的X軸電極實際存在；X=X1？是判斷是否已掃描完當前小區域。
本計算機手寫輸入裝置的快速手寫輸入原理是當本手寫輸入裝置隔膜上的某一點被光照或加熱時，由於隔膜材料具有光敏或熱敏特性而產生光電效應或熱電效應，使在該點相交的電極之間的電壓或電流發生改變，利用檢測電路，根據電壓或電流的改變確定出在該點相交的電極，就確定了該點的坐標，然後將該點坐標輸入到計算機就實現了坐標輸入；若被光照點或加熱點是由筆尖能發光或發熱的手寫筆在隔膜上書寫或作圖所產生的，則坐標輸入就是由光照點或加熱點構成的筆跡的輸入，從而實現了手寫輸入；利用大部分手寫筆跡具有分段連續性以及書寫時筆尖常常是在一個小的逐漸變化的區域之中移動的特點，如書寫一般就是寫完一個字然後挨著寫另一個字，作圖時的筆畫通常也是連續變化的，檢測電路只需對包含前一個手寫輸入坐標——簡稱輸入坐標的小區域進行掃描檢測，便能找到當前筆尖所在位置的坐標，筆跡有較大的跳變時，則可通過全面掃描坐標網，檢測每一對相交電極之間的電壓或電流是否改變來找出輸入坐標，從而實現快速手寫輸入。另外，檢測電路採取逐根掃描X軸電極，而對Y軸電極信號解碼的辦法來確定Y輸入坐標，以進一步提高手寫輸入速度，具體做法是任一掃描時刻只使一根X軸電極的電壓或電流不同於其它X軸電極的電壓或電流，該電極稱為該時刻被掃描X軸電極，如果位於該X軸電極上的某個坐標點有輸入——即受到光照或加熱，則通過該點的Y軸電極電壓或電流便不同於其它Y軸電極中的電壓或電流，將Y軸電極的電壓或電流信號轉換成相應的電平高低時，該Y軸電極電平是唯一的，即如果它是高或低電平，則其它Y軸電極就是低或高電平；解碼方法是，利用上述Y軸電極電平的唯一性作為存儲單元輸出數據的條件，具體做法是讓對應於每根Y軸電極的電平信號控制一個存儲單元——該單元存放有相應Y軸電極的坐標數據，使僅當電平高或低時被控存儲單元才輸出數據，將所有存儲單元的數據輸出端都接在同一條數據總線上，出現在該數據總線上的數據就是相應Y軸電極的坐標，此Y軸電極坐標和該時刻被掃描X軸電極坐標就是當時的手寫輸入坐標。根據上述方法，只需找出電壓或電流發生改變的相交電極就確定了輸入坐標，而不必精確測量電極中電壓或電流大小(通常精確測量需嚴格消除幹擾的影響)，更不必測量這些電壓或電流的相位。
本實用新型與現有技術相比有如下的優點和有益效果(1)本手寫輸入裝置結構簡單、手寫輸入速度快；(2)本實用新型採取對X軸電極掃描，對Y軸電極解碼的方法進一步提高了輸入速度；(3)本實用新型不必精確測量電極中電壓或電流大小，更不必測量這些電壓或電流的相位，故本裝置的檢測電路簡單並且抗幹擾能力強；(4)本實用新型只需採用細直徑或小截面的電極來提高網柵密度，這就提高了本手寫輸入裝置的解析度，並且如果此時只是提高網柵密度而保持總的電極數不變，則檢測電路可不作任何該變；(5)本裝置的隔膜採用了受光(包括紅外線)照或加熱時會產生光電效應或熱電效應的光敏或熱敏材料，所以手寫輸入筆可以是手寫光筆或手寫熱筆。
下面對說明書附圖進一步說明如下圖1～3是本計算機手寫輸入裝置的結構及原理示意圖；圖4～5是手寫輸入光筆的結構及原理示意圖；圖6～7是手寫輸入熱筆結構及原理示意圖；圖8是本計算機手寫輸入裝置電路板的電路方框圖；圖9是本計算機手寫輸入裝置的電路原理圖；圖10是本計算機手寫輸入裝置的軟體程序流程框圖。
本實用新型的實施方式可為如下①按圖1～3所示，設計、加工製造光敏或熱敏隔膜1、機殼11；購置開關9、指示燈8、連接電纜線插座13、手寫筆電源線插座14等；機殼11可選用塑料注塑而成；手寫輸入部件10是由隔膜1及安置在其上下兩面的電極構成，電極可採用無絕緣的細導電線製成；當用手寫光筆時，採用光敏隔膜，當用手寫熱筆時，則用熱敏隔膜；光敏隔膜可採用有機光敏材料，如聚乙烯咔唑-三硝基芴酮(PVK-TNF)；熱敏隔膜可採用電阻隨溫度減小的有機熱敏材料，如在PVC或聚氯基甲酸脂(polyurethane)中分散Na-四氯醌二甲烷化合物(Na Tetracyano-quinodimethane)所形成的電子傳導型塑料；②按圖8～9所示的電源開關與指示燈電路、通信與控制電路、X坐標掃描電路、Y坐標檢測電路製作印刷電路板(包括給出插座13、14的安裝位置及其與直流電源的電氣連結)，然後篩選元器件進行電路板安裝，IC1可選用反向緩衝器74HC9034,IC2可選用多片與門CC4068組合而成，IC3可選用比較器MC14574組合而成，IC4可選用TC74ACT373八D鎖存器組合而成，每片TC74ACT373的八位輸入端分別接與相應Y軸電極坐標值對應的高電平或低電平，MPU可選用內部帶只讀程序存儲器ROM的MS-51單片機；然後按圖10所示編製程序並輸入到單片機的只讀程序存儲器中；③按圖4～7所示，設計製造手寫光筆和手寫熱筆，均可採用塑料注塑筆桿，光筆筆尖也可用塑料注塑成空心狀，熱筆筆尖可用金屬電阻絲製成，購買圖5、7所示電子元件，然後按上面說明書所述的光筆及熱筆的構成及其連接關係就能製成手寫光筆和手寫熱筆；④按圖1～3所示，並按上面說明書所述的結構與連接關係進行本手寫輸入裝置的裝配便能較好地實施本實用新型。在實施過程中，應注意下述問題(1)電極最好嵌入隔膜表面，以使隔膜表面平整光滑便於書寫；(2)對於光敏隔膜，位於輸入面的電極最好是透明的，以便光束能照射到被電極覆蓋的區域；(3)手寫輸入光筆或熱筆可以裝上起滑鼠按鍵作用的開關和相應電路以及與計算機之間的通信線(相應電路及通信線也可以裝在手寫輸入裝置外殼內)從而使手寫輸入裝置能兼作滑鼠使用；(4)也可以給手寫輸入面加上耐磨薄保護層，光敏隔膜的保護層應透明(對紅外線敏感的隔膜保護層應能透過紅外線)，熱敏隔膜的保護層應導熱性好；(5)判斷相交電極間的電壓或電流是否因手寫輸入而改變的一種方法是，如果電壓或電流偏離參考值，則認為該電壓或電流因手寫輸入發生了改變，該參考值既可以是相交電極在其交點未受光照或加熱時的電壓或電流值，也可以是所有相交電極在各自交點未受光照或加熱時電壓或電流的平均值；另一種方法是取交點受光照或加熱時的相交電極間的電壓或電流為參考值，也可以取所有相交電極各自在交點受光照或加熱時電壓或電流的平均值為參考值，如果電壓或電流等於或接近參考值，則認為該電壓或電流因手寫輸入發生了改變；(6)可以根據環境溫度或光照情況對以上兩種方法中的參考值加以修正；(7)用簡單的模擬比較電路就能實現相交電極的實際電壓或電流與參考值的比較而不必將它們轉換成數字量後再比較；(8)採用電導隨光照強度或溫度變化的材料作手寫輸入板的隔膜更適合，可使檢測電路相對簡單。這類材料很多如對可見光敏感的有硒、硒碲合金、三硒化二砷等，對紅外線敏感的有硫化鉛(PbS)、硒化鉛(PbSe)、碲化鉛(PbTe)等，熱敏材料有以Mn、Co、Ni、Fe等過渡金屬氧化物為主要成份的氧化物半導體；另外還有各種有機光敏材料如聚乙烯咔唑-三硝基芴酮(PVK-TNF)，及有機熱敏材料如含Na-四氯醌二甲烷的PVC或聚氯基甲酸脂；對硒、硒碲合金、三硒化二砷、硫化鉛(PbS)、硒化鉛(PbSe)、碲化鉛(PbTe)等可採用真空蒸鍍的方法來獲取隔膜；對Mn、Co、Ni、Fe等過渡金屬氧化物，可選其中兩種以上的成份混合製成薄膜再燒結而成，用真空蒸鍍或濺射的方法可得到更薄的隔膜；用適當的溶劑如四氫呋南、環乙酮、氯苯、甲苯等按一定比例混合而成來溶解PVK-TNF，然後塗布在基板上即可形成薄膜；(9)無論是光敏隔膜還是熱敏隔膜均應儘可能地薄，一般應在50微米以下，以利於提高響應速度和解析度；(10)對光敏或熱敏材料儘量選擇在手寫筆的正常輸入光強或溫度附近具有急劇變化的電特性的材料，從而有更強的抗幹擾性；(11)發光二極體(包括紅外發光二極體)應選其所發光的波長落在隔膜最敏感波長範圍內的型號；(12)由於光敏材料一般比熱敏材料響應速度快，所以採用光敏隔膜的手寫輸入裝置對提高手寫輸入速度更有利，而採用只對紅外線敏感的隔膜具有抗幹擾能力強的特點；(13)本手寫輸入裝置中用到的集成件最好專門設計生產，把多片相同的集成度不高的晶片做成一片高集成度的晶片，這樣可大幅度地減小集成件的費用，也能明顯減小集成件所佔的空間。
權利要求1.一種計算機手寫輸入裝置，其特徵在於它由電路板(4)、連接電纜線(5)、手寫輸入筆(6)、手寫輸入筆電源線(7)、手寫輸入部件(10)、手寫輸入裝置機殼(11)共同連接構成；電路板(4)上裝有功能電路、指示燈(8)、電源開關(9)、檢測電路(12)、連接電纜線(5)的插座(13)、手寫輸入筆電源線插座(14)；手寫輸入部件(10)由隔膜(1)、網柵(2)、(3)連接構成，其上表面為手寫輸入面；其相互位置及連接關係為在一塊受到光——包括紅外線照射或加熱時便能產生光電效應或熱電效應的光敏或熱敏材料所製成的平而隔膜1兩面分別安置一排等距平行且互不接觸的電極——網柵(2)、(3)，隔膜與電極直接緊密接觸並且中間無絕緣物，隔膜兩個面上的電極相互垂直；網柵(2)安置在隔膜(1)上面構成X軸，其上每一根電極表示X軸上的一個坐標值，網柵(3)安置在隔膜(1)下面構成Y軸，其上每一根電極表示Y軸上的一個坐標值，網柵(2)、(3)構成一個平面縱橫坐標網；網柵(2)、(3)的電極逐根地電氣連接到電路板(4)上的檢測電路(12)，其中網柵(2)的電極與X坐標掃描電路相連，網柵(3)的電極與Y坐標檢測電路相連；連接電纜線(5)與計算機的串行通信埠及直流電源相電氣連接；手寫輸入筆(6)通過電源線(7)與插座(14)相電氣連接；電路板(4)、手寫輸入部件(10)裝在機殼(11)內，機殼(11)為裝在電路板(4)上的指示燈(8)、電源開關(9)、手寫輸入部件(10)的手寫輸入面、插座(13)、(14)留有外露開口便於電源指示和控制，手寫筆輸入、電源與通信線連接。
2.按權利要求1所述的一種計算機手寫輸入裝置，其特徵在於所述的手寫輸入光筆由筆桿(15)、筆尖(16)、開關(17)共同連接構成，其相互連接關係為光筆筆桿(15)與筆尖(16)固定連接，開關(17)裝於筆桿的杆殼上，筆桿(15)內裝電池E1或經E1兩端的接線端子接外部電源供電，電池E1與限流電阻R1、發光二極體D1、及開關(17)構成串聯迴路。
3.按權利要求1所述的一種計算機手寫輸入裝置，其特徵在於所述的手寫輸入熱筆由筆桿(18)、筆尖(19)、開關(20)共同連接構成，其相互連接關係為熱筆筆桿(18)與筆尖(19)固定連接，開關(20)裝於筆桿的杆殼上，筆桿(18)內裝電池E2或經E2兩端的接線端子接外部電源供電，筆尖(19)是一微型發熱元件，電池E2與開關(20)及作為微型發熱元件的電阻R2構成串聯迴路。
4.按權利要求1所述的一種計算機手寫輸入裝置，其特徵在於所述的電路由電源開關及指示燈電路、通信及控制電路、X坐標掃描電路、Y坐標檢測電路、坐標網共同電氣連接構成，其互連關係為通信及控制電路分別通過電源線、Y坐標數據總線、X坐標掃描信號線分別與電源開關及指示燈電路、Y坐標檢測電路、X坐標掃描電路相電氣連接；由連接電纜線(5)輸入的直流電源經電源開關及指示燈電路分別向通信與控制電路、Y坐標檢測電路、X坐標掃描電路供電；坐標網的X軸電極即網柵(2)的電極逐根地與X坐標掃描電路相電氣連接，坐標網的Y軸電極即網柵(3)的電極逐根地與Y坐標檢測電路相電氣連接。
專利摘要本實用新型是計算機手寫輸入裝置。裝置由隔膜、網柵、電路板、手寫輸入筆、指示燈、開關、機殼、手寫輸入部件、電纜線插座、電源線插座共同連接安裝構成;電路由電源開關及指示燈電路、通信及控制電路、Y坐標檢測電路、X坐標掃描電路、坐標網共同電氣連接構成;本裝置結構簡單、解析度高、手寫輸入速度快、抗幹擾能力強,手寫輸入筆可以是手寫輸入光筆或手寫輸入熱筆,手寫輸入板的隔膜是光敏材料或熱敏材料隔膜。
文檔編號G06F3/02GK2461065SQ0121494
公開日2001年11月21日 申請日期2001年1月16日 優先權日2001年1月16日
發明者王劍 申請人:王劍