第3章人機接口技術

在計算機控制系統(tǒng)中，為了實現(xiàn)人機對話或某種操作，需要一個人機接口（HMI-HumanMachineInterface或MMI-ManMachineInterface），通過設計一個過程運行操作臺（或操作面板）來實現(xiàn)。由于生產(chǎn)過程各異，要求管理和控制的內(nèi)容也不盡相同，所以操作臺（面板）一般由用戶根據(jù)工藝要求自行設計。操作臺（面板）的主要功能如下：輸入和修改源程序。顯示和打印中間結(jié)果及采集參數(shù)。對某些參數(shù)進行聲光報警。啟動和停止系統(tǒng)的的運行。選擇工作方式，如自動/手動（A/M）切換。各種功能鍵的操作。顯示生產(chǎn)工藝流程。為了完成上述功能，操作臺一般由數(shù)字鍵、功能鍵、開關、顯示器和各種輸入輸出設備組成。

3.1獨立式鍵盤接口設計

鍵盤的特點及確認

鍵盤是計算機控制系統(tǒng)中不可缺少的輸入設備，它是人機對話的紐帶，它能實現(xiàn)向計算機輸入數(shù)據(jù)、傳送命令。1．鍵盤的特點

鍵盤實際上是一組按鍵開關的組合。通常，按鍵所用開關為機械彈性開關，均利用了機械觸點的合、斷作用。一個按鍵開關通過機械觸點的斷開、閉合過程，其波形如圖3-1所示。鍵按下鍵閉合前沿抖動后沿抖動

圖3-1按鍵抖動波形按鍵的穩(wěn)定閉合期長短則是由操作人員的按鍵動作決定的，一般為零點幾秒到幾秒的時間。

2．按鍵的確認一個按鍵的電路如圖3-2所示。當按鍵S按下時，VA=0，為低電平；當按鍵S未按下時，VA=1，為高電平。反之，當VA=0時，表示按鍵S按下；當VA=1時，表示按鍵S未按下。鍵的閉合與否，反應在電壓上就是呈現(xiàn)出高電平或低電平，如果高電平表示斷開的話，那么低電平則表示閉合，所以對通過電平的高低狀態(tài)的檢測，便可確認按鍵按下與否。圖3-2按鍵電路+5VVA10kΩS3．消除按鍵的抖動消除按鍵抖動的方法有兩種：硬件方法和軟件方法。（1）硬件方法采用RC濾波消抖電路或RS雙穩(wěn)態(tài)消抖電路。（2）軟件方法如果按鍵較多，硬件消抖將無法勝任，因此，常采用軟件的方法進行消抖。獨立式按鍵就是各按鍵相互獨立，每個按鍵各接一根輸入線，一根輸入線上的按鍵工作狀態(tài)不會影響其它輸入線上的工作狀態(tài)。因此，通過檢測輸入線的電平狀態(tài)可以很容易判斷哪個按鍵被按下了。獨立式按鍵電路配置靈活，軟件結(jié)構簡單。但每個按鍵需占用一根輸入口線，在按鍵數(shù)量較多時，輸入口浪費大，電路

獨立式按鍵擴展實例

結(jié)構顯得很復雜，故此種鍵盤適用于按鍵較少或操作速度較高的場合。1．采用可編程并行接口采用8255A可編程并行輸入輸出接口擴展獨立式按鍵的電路如圖3-3所示。圖3-3

采用8255A擴展獨立式按鍵10kΩ×8S1S2S3S4S5S6S7S8

PA0PA1PA2PA3PA4PA5PA6PA7+5V8255A當某一鍵按下時，對應位為0，用位檢測可以識別按鍵的工作狀態(tài)。2．采用三態(tài)緩沖器采用74HC245三態(tài)緩沖器擴展獨立式按鍵的電路如圖3-4所示。圖3-4

采用74HC245擴展獨立式按鍵D0D1D2D3D4D5D6D7KEYCS74HC2451A1B2A2B3A3B4A4B5A5B6A6B7A7B8A8BGDIRS1S2S3S4S5S6S7S8+5V10kΩ×8在圖3-4中，KEYCS為讀鍵值口地址。按鍵S1~S8的鍵值為00H~07H，如果這八個按鍵均為功能鍵，為簡化程序設計，可采用散轉(zhuǎn)程序設計方法。假設背景機為MCS51及其兼容單片微控制器，則程序設計如下：KEYPR：MOVDPTR，#JPTAB；跳轉(zhuǎn)首地址送DPTRMOVA，KEYBUF；從鍵值緩沖區(qū)KEYBUF中取鍵值MOVB，AADDA，BADDA，B；鍵值乘3JMP@A+DPTR；轉(zhuǎn)到相應地址JMTAB：LJMPS1PR；轉(zhuǎn)S1功能處理程序LJMPS2PR；轉(zhuǎn)S2功能處理程序LJMPS3PR；轉(zhuǎn)S3功能處理程序LJMPS4PR；轉(zhuǎn)S4功能處理程序LJMPS5PR；轉(zhuǎn)S5功能處理程序LJMPS6PR；轉(zhuǎn)S6功能處理程序LJMPS7PR；轉(zhuǎn)S7功能處理程序LJMPS8PR；轉(zhuǎn)S8功能處理程序

3.2

矩陣式鍵盤接口設計

矩陣式鍵盤適用于按鍵數(shù)量較多的場合，它由行線和列線組成，按鍵位于行、列的交叉點上。如圖3-5所示，一個4×4的行、列結(jié)構可以構成一個含有16個按鍵的鍵盤。很明顯，在按鍵數(shù)量較多的場合，矩陣鍵盤與獨立式按鍵鍵盤相比，要節(jié)省很多的I/O口。圖3-5

矩陣式鍵盤結(jié)構10kΩ+5V01231456728910113121314154123410kΩ10kΩ10kΩ

按鍵設置在行、列線交點上，行、列線分別連接到按鍵開關的兩端，行線通過上拉電阻接到+5V上。平時無按鍵動作時，行線處于高電平狀態(tài)，而當有按鍵按下時，行線電平狀態(tài)將由與此行線相連的列線電平?jīng)Q定。列線電平如果為低，則行線電平為低；列線電平如果為高，則行線電平亦為高。矩陣式鍵盤結(jié)構如圖3-5所示。矩陣鍵盤按鍵的識別方法，此方法分兩步進行：第一步，識別鍵盤有無鍵被按下；第二步，如果有鍵被按下，識別出具體的按鍵。識別鍵盤有無鍵被按下的方法是：讓所有行線均置為0電平，檢查各列線電平是否有變化，如果有變化，則說明有鍵被按下，如果沒有變化，則說明無鍵被按下。（實際編程時應考慮按鍵抖動的影響，通常總是采用軟件延時的方法進行消抖處理。）

矩陣鍵盤工作原理

按鍵的識別方法

識別具體按鍵的方法是（亦稱之為掃描法）：逐行置零電平，其余各行置為高電平，檢查各列線電平的變化，如某列電平由高電平變?yōu)榱汶娖剑瑒t可確定此行此列交叉點處的按鍵被按下。對于獨立式按鍵鍵盤，由于按鍵的數(shù)目較少，可根據(jù)實際需要靈活編碼。對于矩陣式鍵盤，按鍵的位置由行號和列號唯一確定，所以分別對行號和列號進行二進制編碼，然后將兩值合成一個字符，高4位是行號，低4位是列號，這將是非常直觀的。如12H表示第1行第2列的按鍵，而A3H則表示第10行第3列的按鍵等等。

鍵盤的編碼

3.3顯示技術的發(fā)展及其特點顯示技術的發(fā)展20世紀是信息大爆炸的時代。1960~1990年信息的平均年增長率為20%，到2020年將達到每兩個半月翻一番的驚人速度。大量的信息通過“信息高速公路”傳送著，要將這些信息傳送給人們必然要有一個下載的工具，即接口的終端。研究表明，在人們經(jīng)各種感覺器官從外界獲得的信息中，視覺占60%，聽覺占20%，觸覺占15%，味覺占3%，嗅覺占2%。可見，近2/3的信息是通過眼睛獲得的。所以圖像顯示成為信息顯示中的最重要的方式。進入20世紀以來，顯示技術作為人機聯(lián)系和信息展示的窗口已應用于娛樂、工業(yè)、軍事、交通、教育、航空航天、衛(wèi)星遙感和醫(yī)療等各個方面，顯示產(chǎn)業(yè)已經(jīng)成為電子信息工業(yè)的一大支柱產(chǎn)業(yè)。在我國，顯示技術及相關產(chǎn)業(yè)的產(chǎn)品占信息產(chǎn)業(yè)總產(chǎn)值的45%左右。電子顯示器可分為主動發(fā)光型和非主動發(fā)光型兩大類。前者是利用信息來調(diào)制各像素的發(fā)光亮度和顏色，進行直接顯示；后者本身不發(fā)光，而是利用信息調(diào)制外光源而使其達到顯示的目的。顯示器件的分類有各種方式，按顯示內(nèi)容、形狀可分為數(shù)碼、字符、軌跡、圖表、圖形和圖像顯示器；按所用顯示材料可分為固體（晶體和非晶體）、液體、氣體、等離子體和液晶體顯示器。但是最常見的是按顯示原理分類，其主要類型有：發(fā)光二極管（LED）顯示液晶顯示（LCD）陰極射線管（CRT）顯示等離子顯示板（PDP）顯示電致發(fā)光顯示（ELD）有機發(fā)光二極管（OLED）顯示真空熒光管顯示（VFD）場發(fā)射顯示（FED）只有LCD是非主動發(fā)光顯示，其它皆為主動發(fā)光顯示。顯示器件的主要參數(shù)1．亮度亮度（L）的單位是坎德拉每平方米（cd/m2）。對畫面亮度的要求與環(huán)境光強度有關，例如，在電影院中，電影亮度有30~45cd/m2就可以了；在室內(nèi)看電視，要求顯示器畫面亮度應大于70cd/m2；在室外觀看則要求畫面亮度達到300cd/m2。所以對高質(zhì)量顯示器亮度的要求應為300cd/m2左右。2．對比度和灰度對比度（C）是指畫面上最大亮度（Lmax）和最小亮度

（Lmin）之比，即：3．分辨力分辨力是指能夠分辨出電視圖像的最小細節(jié)的能力，是人眼觀察圖像清晰程度的標志，通常用屏面上能夠分辨出的明暗交替線條的總數(shù)來表示，而對于用矩陣顯示的平板顯示器常用電極線數(shù)目表示其分辨力。4．響應時間和余輝時間響應時間是指從施加電壓到出現(xiàn)圖像顯示的時間，又稱上升時間。從切斷電源到圖像顯示消失的時間稱為下降時間，又稱余輝時間。5．顯示色發(fā)光型顯示器件發(fā)光的顏色和非發(fā)光型顯示器件透射或反射光的顏色稱作顯示色。顯示色分為黑白、單色、多色和全色四大類。6．發(fā)光效率發(fā)光效率是發(fā)光型顯示器件所發(fā)出的光通量與器件所消耗功率之比，單位為流明每瓦（lm/W）。7．工作電壓與消耗電流驅(qū)動顯示器件所施加的電壓為工作電壓（V），流過的電流稱為消耗電流（A）。工作電壓與消耗電流的乘積就是顯示器件的消耗功率。外加電壓有交流電壓與直流電壓之分，如LCD必須用交流供電，而OLED、LED等則用直流供電。在計算機控制系統(tǒng)中，常用的顯示器有：發(fā)光二極管（LED）顯示器，液晶顯示器（LCD），陰極射線管（CRT）顯示器。根據(jù)不同的應用場合及需要，選擇不同的顯示器。3.4LED顯示器接口設計

發(fā)光二極管（LightEmittingDiode,LED）是一種電—光轉(zhuǎn)換型器件，是PN結(jié)結(jié)構。在PN結(jié)上加正向電壓，產(chǎn)生少子注入，少子在傳輸過程中不斷擴散，不斷復合而發(fā)光。改變所采用的半導體材料，就能得到不同波長的發(fā)光顏色。Losev于1923年發(fā)現(xiàn)了SiC中偶然形成的PN結(jié)中的發(fā)光現(xiàn)象。早期開發(fā)的為普通型LED，是中、低亮度的紅、橙、黃、綠LED，已獲廣泛使用。近期開發(fā)的為新型LED是指藍光LED和高亮度、超高亮度LED。LED的主要優(yōu)點：主動發(fā)光，一般產(chǎn)品亮度>1cd/m2，高的可達10cd/m2；工作電壓低，約為2V；

由于是正向偏置工作，因此性能穩(wěn)定，工作溫度范圍寬，壽命長(105h)；響應速度快。對于直接復合型材料為16~160MHz；對于間接復合材料為105~106Hz；尺寸小。一般LED的PN結(jié)芯片面積為0.3mm2。用于通信的LED芯片面積只有發(fā)可見光的LED芯片面積的1/50。LED的主要缺點是電流大，功耗大。LED數(shù)碼顯示器是由發(fā)光二極管組成的，分為共陰極和共陽極兩種，其結(jié)構如圖3-7所示。圖3-7a為共陰極接法，圖3-7b為共陽極接法。LED數(shù)碼顯示器的外形圖如圖3-8所示。

顯示器的結(jié)構

COMCOM圖3-7LED顯示器結(jié)構圖gabcdefdp圖3-8LED顯示器外形圖abcdefgdpabcdefgdp在圖3-8中，每一段與數(shù)據(jù)線的對應關系如下。共陰極和共陽極LED數(shù)碼顯示器的字模如表3-2所示。數(shù)據(jù)線：D7D6D5D4D3D2D1D0LED段：dpgfedcba顯示字符共陽極共陰極顯示字符共陽極共陰極0C0H3FHb83H7CH1F9H06HcC6H39H2A4H5BHdA1H5EH3B0H4FHE86H79H499H66HF8EH71H592H6DHp8CH73H682H7DHUC1H3EH7F8H07HY91H31H880H7FHH89H6EH990H6FHLC7H76HA88H77H“滅”FFH00H表3-2LED顯示器字模表顯示器的掃描方式

LED顯示器為電流型器件，有兩種顯示掃描方式。

1．靜態(tài)顯示掃描方式（1）顯示電路每一位LED顯示器占用一個控制電路，如圖3-9所示。圖3-9

靜態(tài)掃描顯示a～g、dpa～g、dpa～g、dpDBCS0CS1…CSn…驅(qū)動器譯碼器鎖存器驅(qū)動器譯碼器鎖存器驅(qū)動器譯碼器鎖存器

（2）程序設計被顯示的數(shù)據(jù)（一位BCD碼或字模）寫入相應口地址（CS0~CSn）。2．動態(tài)顯示掃描方式（1）顯示電路所有LED顯示器共用a~g、dp段，如圖3-10所示。圖3-10動態(tài)掃描顯示…a～g、dp段驅(qū)動器鎖存器位驅(qū)動器鎖存器···CS1CS0DB

（2）程序設計以六位LED顯示器為例，設計方法如下。①設置顯示緩沖區(qū)，被顯示的數(shù)放于對應單元。②設置顯示位數(shù)計數(shù)器DISPCNT，表示現(xiàn)在顯示哪一位。

DISPCNT初值為00H，表示在最低位。每更新一位顯示其內(nèi)容加1，當加到06H時，回到初值00H。③設置位驅(qū)動計數(shù)器DRVCNT

初值為01H，對應最低位。某位為0，禁止顯示；某位為1，允許顯示。DISPBF

+0低位+1+2+3+4+5高位④確定口地址段驅(qū)動口地址：CS0

位驅(qū)動口地址：CS1⑤建立字模表SEGTB：DB3FH；0DB06H；1DB5BH；2DB4FH；3DB66H；4DB6DH；5DB7DH；6DB07H；7DB7FH；8DB6FH；9DB77H；ADB7CH；BDB39H；CDB5EH；DDB79H；EDB71H；F⑥顯示程序流程圖顯示程序流程圖如圖3-11所示。關顯示根據(jù)DISPCNT的內(nèi)容從DISPBF開始的單元中取被顯示的數(shù)從SEGTB中查表取字模送CS0口位驅(qū)動計數(shù)器DRVCNT內(nèi)容送CS1口位驅(qū)動計數(shù)器DRVCNT內(nèi)容左移一位顯示位數(shù)計數(shù)器DISPCNT內(nèi)容加1(DISPCNT)=00H(DRVCNT)=01HRETYN（DISPCNT）=06H?圖3-11

顯示程序流程圖

3.5段型LCD顯示器接口設計

的發(fā)展過程

1888年奧地利植物學家F.Reinetzer首先觀察到液晶現(xiàn)象。它在測定有機物熔點時，發(fā)現(xiàn)某些有機物熔化后會經(jīng)歷一個不透明渾濁的液態(tài)階段，繼續(xù)加熱，才成為透明的各向異性液態(tài)。1889年，德國物理學家O.Lehmann觀察到同樣的現(xiàn)象，并發(fā)現(xiàn)呈渾濁狀液體的中間具有和晶體相似的性質(zhì)，故稱為“液晶”。這是世界上首次被發(fā)現(xiàn)的一種熱致液晶：膽甾醇苯甲酸脂，在60±15℃的溫度下呈乳白色粘狀液體。由于歷史條件所限，當時并沒有引起很大重視，只是把液晶用在壓力和溫度的指示器上。現(xiàn)在，液晶已形成一個獨立的學科。液晶知識涉及多門學科，如化學、電子學、光學、計算機、微電子、精細加工、色度學、照明等。要全面、深入了解液晶顯示器件必須對上述提及的領域有一定的了解。1．液晶顯示的優(yōu)點（1）低壓、微功耗極低的工作電壓，只要2~3V，工作電流只有幾個微安，即功耗只有10-6~10-5W/cm2。這是任何別的顯示器件做不到的。（2）平板結(jié)構液晶顯示器的基本結(jié)構是兩片導電玻璃，中間灌有液晶的薄形盒。（3）被動顯示型液晶本身不發(fā)光，靠調(diào)制外界光達到顯示目的，即依靠對外界光的不同反射和透射形成不同對比度來達到顯示目的。（4）顯示信息量大

的特點

液晶顯示中，各像素之間不用采取隔離措施或預留隔離區(qū)，所以在同樣顯示窗口面積內(nèi)可容納更多的像素，利于制成高清晰度電視。

（5）易于彩色化一般液晶為無色，所以可采用濾色膜很容易實現(xiàn)彩色。液晶所能重視的彩色可與CRT顯示器相媲美。（6）長壽命只要液晶的配套件不損壞，液晶本身由于電壓低，工作電流小，所以幾乎不會劣化，壽命很長。（7）無輻射、無污染CRT顯示中有X射線輻射，PDP顯示中有高頻電磁輻射，而液晶顯示中不會出現(xiàn)這類問題。2．液晶顯示的缺點（1）顯示視角小由于大部分液晶顯示的原理依靠液晶分子的各向異性，對不同方向的入射光、反射率是不一樣的，所以視角較小，只有30o~40o，隨著視角的變大，對比度迅速變壞。（2）響應速度慢液晶顯示大多是依靠在外加電場的作用下，液晶分子的排列發(fā)生變化，所以響應速度受材料的粘滯度影響很大，一般均為100~200ms。（3）非主動發(fā)光，暗時看不清液晶是一種介于流體與固體之間的熱力學的中間穩(wěn)定相。其特點是在一定的溫度范圍內(nèi)既有液體的流動性和連續(xù)性，又有晶體的各向異性，其分子呈長棒形，長寬之比較大，分子不能彎曲，是一個剛性體，中心一般有一個橋鏈，分子兩頭有極性。LCD器件的結(jié)構如圖3-12所示。

的基本結(jié)構及工作原理

下偏振片封接劑下電級基板（背)反射板..上電級基板（正）上偏振片電極液晶材料圖3-12液晶顯示器基本構造由于液晶的四壁效應，在定向膜的作用下，液晶分子在正、背玻璃電極上呈水平排列，但排列方向互為正交，而玻璃間的分子呈連續(xù)扭轉(zhuǎn)過渡，這樣的構造能使液晶對光產(chǎn)生旋光作用，使光的偏振方向旋轉(zhuǎn)90o。圖3-13顯示了液晶顯示器的工作過程。當外部光線通過上偏振片后形成偏振光，偏振方向成垂直方向，當此偏振光通過液晶材料之后，被旋轉(zhuǎn)90o，偏振方向成水平方向，此方向與下偏振片的偏振方向一致，因此此光線能完全穿過下偏振片而到達反射板，經(jīng)反射后沿原路返回，從而呈現(xiàn)出來透明狀態(tài)。當在液晶盒的上、下電極加上一定的電壓后，電極部分的液晶分子轉(zhuǎn)成垂直排列，從而失去旋光性。因此，從上偏振片入射的偏振光不被旋轉(zhuǎn)，當此偏振光到達下偏振片時，因其偏振方向與下偏振片的偏振方向垂直，因而被下偏振片吸收，無法到達反射板形成反射，所以呈現(xiàn)出黑色。根據(jù)需要，將電極做成各種文字、數(shù)字或點陣，就可獲得所需的各種顯示。光源 上偏振片 液晶盒 下偏振片 反射板 圖3-13液晶顯示工作原理的驅(qū)動方式

液晶顯示器的驅(qū)動方式由電極引線的選擇方式確定，因此，在選擇好液晶顯示器之后，用戶無法改變驅(qū)動方式。液晶顯示器的驅(qū)動方式一般有靜態(tài)驅(qū)動和時分割驅(qū)動兩種。由于直流電壓驅(qū)動LCD會使液晶體產(chǎn)生電解和電極老化，從而大大降低LCD的使用壽命，所以現(xiàn)用的驅(qū)動方式多屬交流電壓驅(qū)動。1．靜態(tài)驅(qū)動方式靜態(tài)驅(qū)動回路及波形圖如圖3-14所示。2．時分割驅(qū)動當顯示字段增多時，為減少引出線和驅(qū)動回路數(shù)，必須采用時分割驅(qū)動法。時分割驅(qū)動方式通常采用電壓平均化法，其占空比有1/2，1/8，1/16，1/32等等，偏壓有1/2，1/3，1/4，1/5等。液晶顯示器除段形液晶顯示器外，還有點陣液晶顯示器，可顯示漢字、圖形、曲線等。V0A0V0B0V0

V00-V0C

A1=1LCD

ABC000011101110不顯示顯示圖3-14靜態(tài)驅(qū)動回路及波形C0A-C

B隨著計算機技術的普及，在20世紀90年代初，出現(xiàn)了一種新的人機交互作用技術——觸摸屏技術。利用觸摸屏技術，用戶只需要用手指輕輕觸碰計算機顯示屏上的圖符或文字就能實現(xiàn)對主機的操作，擺脫了鍵盤和鼠標操作，使人機交互更為直截了當。觸摸屏作為一種較新的電腦輸入設備，是目前最簡單、方便、自然的一種人機交互方式。它賦予了多媒體以嶄新的面貌，是極富吸引力的全新多媒體交互設備。觸