[发明专利]用于防爆场合批控器的本质安全型键盘电路

说明书

本发明公开了一种用于防爆场合批控器的本质安全型键盘电路，属于安全栅电路技术领域，该电路包括矩阵键盘、矩阵键盘编码电路、隔离电源电路、光耦隔离电路、单片机解码电路以及HMI应用电路。本发明通过隔离电路将本安区和非本安区彻底分开，以此将信号电流限定于安全范围值以内，同时能实现键盘信号的传递，满足批控器HMI的人机交互，克服了现有齐纳式安全栅电路原理的不足，且避免了传统安全栅电路的不可靠因素，整体电路可靠性高，可用于油站库区等需要使用批控器键盘输入的场所。

技术领域

本发明涉及安全栅电路技术领域，特别涉及一种用于防爆场合批控器的本质安全型键盘电路。

背景技术

键盘是批控器人机系统HMI与用户进行交互和信息交换的媒介，在键盘中按键数量较多时，为了减少I/O口的占用，通常将按键排列成矩阵形式。行扫描法，或称逐行(或列)扫描查询法，是一种最常用的矩阵按键识别方法。以现有的4×6矩阵键盘电路为例(如图1所示)，包含4行6列排列的4×6个按键K1～K24，6+4个单片机IO口P1.0～P2.3。以此类推，M×N矩阵键盘电路，需要M×N个按键以及M+N个IO口，按键的两端分别与单片机IO口所对应的行线和列线相连，首先设置N根列线IO口为高电平输入口，再依次分别设置行线IO口为低电平输出口(假设m行)，只要检测到某列(假设n列)的电平为低，则表示键盘中有按键被按下，且闭合的键位一定为K(m,n)；若检测所有列线均为高电平，则表示键盘中无按键按下。

然而随着嵌入式设备应用的普及，用于油站库区等防爆场合的批控器设备越来越多，因此在很多情况下，需要在防爆危险区通过键盘操作来控制油气装卸设备的程序。假如键盘电路不做隔离保护，在出现摩擦打火、高压静电、设备短路的故障情况下，会对库区造成一定的安全隐患。

市面上常用的防爆方案多为齐纳式安全栅，通过齐纳二极管控制输出电压，用限流电阻限制输出电流，从而将能量控制在安全范围内。如图2所示，在正常工作时，非本安段P1.0和GND之间所加电压一般低于齐纳二极管D1的反向击穿电压，此时D1处于不导通状态，除了有微小的漏电流外，D1呈现开路状态，安全栅电路等效于将电阻R1串联在矩阵电路中，只要漏电流小于规定值，安全栅电路就不会影响矩阵电路工作；当非本安段发生故障，例如在P1.0和GND串入高电压，此时D1被反向击穿，呈现通路状态，串入的高电压将全部限制在D1两端，不会将高电压继续传递至矩阵电路。而齐纳二极管D1一旦导通，其电流会急剧上升，此时串联在安全栅电路中的熔断器F1将瞬时熔断，切断系统回路，防止危险能量串入本安区，从而保证了油站库区设备和人员的安全。

齐纳式安全栅电路简单，价格低廉，但是自身原理存在如下缺陷：①所在电路必须有非常可靠的接地系统，且该齐纳式安全栅接地电阻必须小于1Ω，否则将失去安全性能；②齐纳式安全栅受电源影响较大，容易因电源波动造成器件损坏；③齐纳式安全栅电路原理是依靠吸收输入端能量，因此对于输出会产生不稳定因素。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能克服现有齐纳式安全栅电路原理的不足，且避免传统安全栅电路不可靠因素的本质安全型键盘电路，通过隔离电路将本安区和非本安区彻底分开，同时实现键盘信号的传递，满足批控器HMI的人机交互。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种用于防爆场合批控器的本质安全型键盘电路，包括矩阵键盘，还包括矩阵键盘编码电路、隔离电源电路、光耦隔离电路、单片机解码电路以及HMI应用电路；

所述矩阵键盘编码电路，连接矩阵键盘，用于将矩阵键盘按键以行列交叉矩阵的形式输出至光耦隔离电路；

所述光耦隔离电路，用于在批控器系统发生故障时将本安区能量限制于安全等级，并将矩阵键盘传递的数字信号传送至单片机解码电路；

所述隔离电源电路，用于为矩阵键盘编码电路、光耦隔离电路、单片机解码电路提供所需电压；

所述单片机解码电路，用于将矩阵键盘传递的数字信号转译为按键码值，供HMI应用电路使用；