第4章智能儀器的人機(jī)接口設(shè)計(jì)4.1LED顯示及接口設(shè)計(jì)4.2鍵盤與接口設(shè)計(jì)4.3鍵盤/顯示器接口設(shè)計(jì)4.4LCD顯示及接口設(shè)計(jì)4.5

微型打印機(jī)及接口設(shè)計(jì)4.1LED顯示及接口設(shè)計(jì)LED(light-emittingdiode)即發(fā)光二極管。特點(diǎn)：工作電壓低、體積小、壽命長(zhǎng)〔約十萬(wàn)小時(shí)〕、響應(yīng)速度快〔小于1μs〕,顏色豐富〔紅、黃、綠〕等，是智能儀器最長(zhǎng)使用的顯示器。LED的正向工作壓降一般在1.2V~2.6V，發(fā)光工作電流在10mA~20mA，發(fā)光強(qiáng)度根本上于正向電流成正比，電路必須串聯(lián)適當(dāng)?shù)南蘖麟娮琛ED很適于脈沖工作狀態(tài)，在平均電流相同的情況下，脈沖工作狀態(tài)比直流工作狀態(tài)產(chǎn)生的亮度增強(qiáng)20%左右LED顯示器有單個(gè)、七段和點(diǎn)陣式等幾種類型，其中單個(gè)LED顯示器就是一個(gè)發(fā)光二極管，常用于儀器的電源或狀態(tài)指示。下面我們將詳細(xì)的介紹七段式LED顯示器和點(diǎn)陣式LED顯示器及接口設(shè)計(jì)。4.1.1七段LED顯示器工作原理及接口設(shè)計(jì)

一、七段LED顯示器的結(jié)構(gòu)硬件譯碼電路由鎖存器、譯碼器、驅(qū)動(dòng)器等組成。譯碼器一般有十六進(jìn)制型和BCD型。用硬件譯碼電路實(shí)時(shí)性好，但電路復(fù)雜，本錢較高，且只能譯出十進(jìn)制或十六進(jìn)制的字符。硬件譯碼和軟件譯碼圖4-2硬件譯碼顯示電路在智能儀器中通常采用簡(jiǎn)便易行的軟件譯碼法，其根本思想是預(yù)先在內(nèi)存中建立一張段碼表，根據(jù)要顯示的數(shù)字或字符去查表獲得對(duì)應(yīng)的段碼，將查得的段碼經(jīng)過驅(qū)動(dòng)器后送至LED顯示器，就可以顯示出相應(yīng)的數(shù)字或字符。LED顯示器16進(jìn)制數(shù)編碼

Dpgfedcba字型共陽(yáng)極代碼共陰極代碼012345670F8H07H82H7DH92H6DH99H66H0B0H4FH0A4H5BH0F9H06H0C0H3FH880H7FH字型共陽(yáng)極代碼共陰極代碼9ABCDEF滅0FFH00H8EH71H86H79H0A1H5EH0C6H39H83H7CH88H77H90H6FH根據(jù)位選線和段選線連接方法的不同，LED顯示器有兩種不同的工作方式：靜態(tài)顯示方式和動(dòng)態(tài)顯示方式。二、七段LED顯示器的工作方式〔1〕靜態(tài)顯示方式所謂靜態(tài)顯示，就是當(dāng)顯示器顯示某個(gè)字符時(shí)，相應(yīng)的段恒定的導(dǎo)通或截至，直到顯示另一個(gè)字符為止。LED顯示器工作于靜態(tài)顯示方式時(shí)，每位顯示器都應(yīng)有各自的鎖存器用以鎖存各自待顯示的數(shù)字。因此，靜態(tài)顯示系統(tǒng)在每一次顯示輸出后能夠保持顯示不變，僅在待顯數(shù)字需要改變時(shí)，才更新其數(shù)字顯示器中鎖存的內(nèi)容。這種顯示方式編程容易，占用機(jī)時(shí)少，顯示穩(wěn)定可靠，但占用較多的I/O口線。連接

所有LED的位選均共同連接到+VCC或GND，每個(gè)LED的8根段選線分別連接一個(gè)8位并行I/O口，從該I/O口送出相應(yīng)的字型碼顯示字型。

特點(diǎn)原理簡(jiǎn)單；顯示亮度強(qiáng)，無(wú)閃爍；占用I/O資源較多?！?〕動(dòng)態(tài)掃描顯示動(dòng)態(tài)顯示的系統(tǒng)中，微處理器或控制器應(yīng)定時(shí)的對(duì)各個(gè)顯示器進(jìn)行掃描，顯示器件分時(shí)輪流工作，每次只能使一個(gè)器件顯示，但由于人的視覺暫留現(xiàn)象，仍感覺所有的器件都在同時(shí)顯示。優(yōu)點(diǎn)是使用硬件少，占用I/O少。缺點(diǎn)是占用機(jī)時(shí)長(zhǎng)，只要不執(zhí)行顯示程序，就立刻停止顯示。連接

所有LED的段選線共同連接在一起共用一個(gè)8位I/O口，而每個(gè)LED的位選分別由一根相應(yīng)的I/O口線控制。因此必須采用動(dòng)態(tài)掃描顯示方式，每一個(gè)時(shí)刻只選通其中一個(gè)LED，同時(shí)在段選口送出該位LED的字型碼。

【例4-2】圖4-8是一個(gè)典型的動(dòng)態(tài)掃描8位LED顯示接口電路，實(shí)現(xiàn)8個(gè)數(shù)碼管依次顯示0,1,2,……,7。該電路由74HC245提供段a~dp的驅(qū)動(dòng)，74LS145提供COM1~COM8的驅(qū)動(dòng)。#include<at89x51.h>#include<intrins.h>voiddelay(inti){charj;while(i--){for(j=0;j<=199;j++)_nop_();}}voiddisplay(void){unsignedchartable[9]={0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f};unsignedchari;for(i=0;i<8;i++)//送顯示數(shù)據(jù){P2=i;P0=table[i];delay(10);}}voidmain(void){while(1){display();}}4.1.2點(diǎn)陣式LED顯示器工作原理及接口設(shè)計(jì)優(yōu)點(diǎn)：點(diǎn)陣式LED顯示器是以點(diǎn)陣格式進(jìn)行顯示的，因而顯示的符號(hào)比較逼真。缺點(diǎn)：點(diǎn)陣式顯示器電路缺乏之處是接口電路及控制程序較復(fù)雜。LED點(diǎn)陣規(guī)模常見的有4×4、4×8、5×7、5×8、8×8、16×16等等。LED點(diǎn)陣顯示器單塊使用時(shí)，既可代替數(shù)碼管顯示數(shù)字，也可顯示各種中西文字及符號(hào)，如5x7點(diǎn)陣顯示器用于顯示西文字母，5×8點(diǎn)陣顯示器用于顯示中西文，8x8點(diǎn)陣可以用于顯示簡(jiǎn)單的中文文字，也可用于簡(jiǎn)單圖形顯示。用多塊點(diǎn)陣顯示器組合那么可構(gòu)成大屏幕顯示器，并需要通過PC機(jī)或單片機(jī)控制驅(qū)動(dòng)。4.2鍵盤與接口設(shè)計(jì)鍵盤是由假設(shè)干按鍵開關(guān)組成的，用于控制系統(tǒng)的工作狀態(tài)并向系統(tǒng)輸入數(shù)據(jù)，是智能儀器不可缺少的的輸入設(shè)備。目前常用的按鍵有三種：機(jī)械觸點(diǎn)式按鍵是利用金屬的彈性使按鍵復(fù)位，具有手感明顯、接觸可靠的特點(diǎn)。導(dǎo)電橡膠式按鍵是通過導(dǎo)電的橡膠接通，通常采用壓制方法把面板上所有的按鍵制成一塊，具有體積小、裝配方便的特點(diǎn)。柔性按鍵柔性按鍵是近年來(lái)得到迅速開展的一種新型按鍵，它是柔性絕緣材料層和導(dǎo)電材料層組合而成的一種密封多層結(jié)構(gòu)非自鎖按鍵開關(guān)。4.2.1鍵盤工作原理編碼式鍵盤非編碼式鍵盤獨(dú)立式鍵盤矩陣式鍵盤按工作原理按與主機(jī)連接方式按鍵和專用鍵盤編碼器構(gòu)成優(yōu)點(diǎn)是使用方便。不含編碼器，對(duì)應(yīng)的按鍵代碼確實(shí)定必須借助于軟件來(lái)完成。故其軟件比較復(fù)雜。優(yōu)點(diǎn)是可以任意組合，本錢低，使用靈活。因而智能儀器大多采用非編碼式鍵盤交互式鍵盤特點(diǎn)：一健一線，即每個(gè)按鍵單獨(dú)占用一根檢測(cè)線與主機(jī)相連。優(yōu)點(diǎn)：鍵盤結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，各測(cè)試線相互獨(dú)立，按鍵識(shí)別容易。缺點(diǎn)：占用較多的檢測(cè)線，不便于組成大型系統(tǒng)?！瞐〕獨(dú)立式（b）矩陣式特點(diǎn)：檢測(cè)線分成兩組，一組為行線，另一組為列線。按鍵放在行線和列線的交點(diǎn)。注意：m×n矩陣鍵盤與主機(jī)連接需要m+n條線。當(dāng)需要的按鍵數(shù)目大與8時(shí)，一般都采用矩陣式鍵盤。非編碼式鍵盤設(shè)計(jì)中需要考慮以下問題：一、按鍵識(shí)別由于鍵的閉合與否，取決于機(jī)械彈性開關(guān)的通斷狀態(tài)，反映在電壓上就是呈現(xiàn)出高電平或低電平，所以通過電平狀態(tài)的檢測(cè)，便可確定相應(yīng)的按鍵是否被按下。通常檢測(cè)按鍵是否被按下有三種方法。〔1〕程序控制掃描方式，利用CPU在完成其他工作的空余，調(diào)用鍵盤掃描程序，來(lái)檢測(cè)鍵盤是否有輸入?！?〕定式掃描方式，即每隔一定的時(shí)間對(duì)鍵盤掃描一次。這種掃描方式通常利用定時(shí)器來(lái)產(chǎn)生定時(shí)中斷，利用一個(gè)專門的定時(shí)器來(lái)產(chǎn)生定時(shí)中斷申請(qǐng)信號(hào)，CPU響應(yīng)后便對(duì)鍵盤進(jìn)行掃描，以檢測(cè)是否有按鍵按下。由于每次按鍵的持續(xù)時(shí)間一般為100ms左右,為了不漏檢，定時(shí)中斷周期一般應(yīng)小于100ms。〔3)中斷掃描方式，有鍵按下時(shí)，硬件會(huì)產(chǎn)生中斷申請(qǐng)信號(hào)，CPU響應(yīng)中斷申請(qǐng)后對(duì)鍵盤進(jìn)行掃描，并在有鍵按下時(shí)轉(zhuǎn)入相應(yīng)的鍵功能處理程序。優(yōu)點(diǎn)是在無(wú)鍵按下時(shí)不進(jìn)行鍵掃描，可提高CPU效率，同時(shí)也能確保對(duì)用戶的鍵操作做出迅速的響應(yīng)。鍵抖動(dòng)會(huì)引起一次按鍵被誤讀屢次。為了確保CPU對(duì)鍵的一次閉合僅做一次處理，必須去除鍵抖動(dòng)。在鍵閉合穩(wěn)定時(shí)，讀取鍵的狀態(tài)；在鍵釋放穩(wěn)定后，再作處理。按鍵的抖動(dòng)，可用硬件或軟件兩種方法消除。二、鍵抖動(dòng)及消除硬件電路消除法：利用RS觸發(fā)器來(lái)吸收鍵的抖動(dòng)。軟件延時(shí)法：當(dāng)判定按鍵按下時(shí)，用軟件延時(shí)10ms~20ms，等待鍵穩(wěn)定后重新再判一次，以躲過觸點(diǎn)抖動(dòng)期三、串鍵處理 由于操作不慎，可能會(huì)造成同時(shí)有幾個(gè)鍵被按下，這種情況稱為串鍵。串鍵的處理通常是由設(shè)計(jì)者確定的。如果系統(tǒng)沒有復(fù)合鍵，那么可將最先按下的鍵設(shè)為當(dāng)前鍵，也可將最后釋放的鍵設(shè)為當(dāng)前鍵，或者單鍵按下有效，多鍵按下無(wú)效的原那么。四、譯鍵及鍵值處理當(dāng)確定有鍵按下時(shí)，需要確定到底那個(gè)按鍵被按下，得到相應(yīng)的鍵值，根據(jù)鍵值找出對(duì)應(yīng)的處理程序的入口并執(zhí)行。對(duì)于獨(dú)立式鍵盤，由于測(cè)試線之間相互獨(dú)立，因而鍵盤軟件不存在譯碼問題，一旦檢測(cè)到某測(cè)試線上有鍵閉合，便可直接轉(zhuǎn)入到相應(yīng)的程序進(jìn)行處理。對(duì)于矩陣式鍵盤，為了編程方便，應(yīng)將鍵盤中的每一個(gè)按鍵按一定的順序進(jìn)行編號(hào)，這種按順序排列的編號(hào)叫順序碼，也稱為鍵值。為了求得矩陣式鍵盤中被按下鍵的鍵值，常用的有行掃描法和線路反轉(zhuǎn)法。〔1〕行掃描法：在某一時(shí)刻只讓一條行線處于低電平，其余行線均處于高電平，那么當(dāng)某一列有鍵按下時(shí)，該鍵所在的列電平將會(huì)由高電平變?yōu)榈碗娖?，可判定該行相?yīng)的列有鍵按下。〔2〕線路反轉(zhuǎn)法：首先將行線輸出全部設(shè)為0，讀取列線的值；然后進(jìn)行反轉(zhuǎn)，將列線輸出全部設(shè)為0，讀取行線的值。將列線輸出碼與行線輸出碼進(jìn)行組合即可得到一個(gè)特征碼，程序設(shè)計(jì)時(shí)，可將各個(gè)鍵對(duì)應(yīng)的特征碼放在一個(gè)表中，通過查表獲得按鍵的鍵值。五、鍵連擊的處理假設(shè)按下某鍵時(shí)，對(duì)應(yīng)的功能便會(huì)通過鍵盤分析程序得以執(zhí)行。假設(shè)在操作者釋放鍵之前，對(duì)應(yīng)的功能得以屢次執(zhí)行，如同操作者在連續(xù)不斷操作該鍵一樣，這種現(xiàn)象稱為連擊。圖4-14鍵連擊現(xiàn)象的克服及合理利用4.2.2鍵盤接口電路及控制程序設(shè)計(jì)一、獨(dú)立式鍵盤接口電路及程序設(shè)計(jì)[例4-4]：采用查詢方式實(shí)現(xiàn)獨(dú)立式鍵盤的鍵值讀取，當(dāng)P1口某一位為0時(shí)，說明該位所接的按鍵被按下，然后在顯示器上輸出按下的按鍵信息。獨(dú)立式鍵盤的接口電路如下圖。該電路實(shí)現(xiàn)的功能是當(dāng)某一按鍵按下時(shí)，顯示器顯示相應(yīng)的鍵值。#include<REG51.H>sbitP10=0x90; /*定義P1口各位的位名*/sbitP11=0x91;sbitP12=0x92;sbitP13=0x93 ;sbitP14=0x94 ;sbitP15=0x95 ;sbitP16=0x96 ;sbitP17=0x97 ;main(){while(1)/*查詢按鍵狀態(tài)，鍵值判斷和提示信息顯示*/{if(P10==0) P2=0xc0;/*如0號(hào)鍵按下，輸出按下鍵信息*/if(P11==0) P2=0xf9;/*如1號(hào)鍵按下，輸出按下鍵信息*/if(P12==0) P2=0xa4;/*如2號(hào)鍵按下，輸出按下鍵信息*/if(P13==0) P2=0xb0;/*如3號(hào)鍵按下，輸出按鍵信息*/ if(P14==0) P2=0x99;/*如4號(hào)鍵按下，輸出按鍵信息*/if(P15==0) P2=0x92;/*如5號(hào)鍵按下，輸出按鍵信息*/if(P16==0) P2=0x82;/*如6號(hào)鍵按下，輸出按鍵信息*/if(P17==0) P2=0xf8;/*如7號(hào)鍵按下，輸出按鍵信息*/}}二、矩陣式鍵盤接口電路及程序鍵值：當(dāng)采用矩陣式鍵盤時(shí)，為了編程方便，應(yīng)將矩陣鍵盤中的每一鍵按一定的順序編號(hào)，這種按順序排列的編號(hào)叫順序碼，也稱鍵值。求鍵值的方法：一是傳統(tǒng)的行掃描法：這種方法是以步進(jìn)掃描的方式，每次在鍵盤的一行發(fā)出掃描信號(hào)，同時(shí)檢查列線輸入信號(hào)。假設(shè)發(fā)現(xiàn)某列輸入信號(hào)與掃描信號(hào)一致，那么位于該列和掃描行交點(diǎn)的鍵被按下。另一種是速度較快的線路反轉(zhuǎn)法，這種方法必須采用可編程的通用接口芯片。按鍵識(shí)別——掃描法流程：當(dāng)?shù)?行處于低電平時(shí)，逐列查找是否有列線變低，假設(shè)有，那么第0行與該列的交叉點(diǎn)按鍵按下；假設(shè)無(wú)，那么表示第0行無(wú)鍵按下，再讓下一行處在低電平，依此循環(huán)，這種方式稱為鍵盤掃描。

原理：

在某一時(shí)刻只讓一條行線處于低電平，其余行線均處于高電平，則當(dāng)這一列有鍵按下時(shí)，該鍵所在的列電平將會(huì)由高電平變?yōu)榈碗娖剑膳卸ㄔ撔邢鄳?yīng)的列有鍵按下。鍵掃描示意圖【例4-5】采用行掃描法實(shí)現(xiàn)4×4矩陣式鍵盤的鍵值讀取，電路如下圖。P3.0~P3.7端口用8芯排線連接到“4X4行列式鍵盤〞上。P0.0~P0.7端口用8芯排線連接到數(shù)碼管上。#include<AT89X51.H>unsignedcharcodetable[]={0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f,0x77,0x7c,0x39,0x5e,0x79,0x71};voiddelay(void){unsignedchari,j;for(i=20;i>0;i--)for(j=200;j>0;j--);}voidmain(void){unsignedchartemp,key;while(1){P3=0xff;P3_4=0;temp=P3;

temp=temp&0x0f;if(temp!=0x0f){delay();temp=P3;temp=temp&0x0f;if(temp!=0x0f){switch(temp){case0x0e:key=0;break;case0x0d:key=1;break;case0x0b:key=2;break;case0x07:key=3;break;}temp=P3;P0=table[key];temp=temp&0x0f;while(temp!=0x0f){temp=P3;temp=temp&0x0f;}}}P3=0xff;P3_5=0;temp=P3;temp=temp&0x0f;if(temp!=0x0f){delay();temp=P3;

temp=temp&0x0f;if(temp!=0x0f){switch(temp){case0x0e:key=4;break;case0x0d:key=5;break;case0x0b:key=6;break;case0x07:key=7;break;}temp=P3;P0=table[key];temp=temp&0x0f;while(temp!=0x0f){temp=P3;temp=temp&0x0f;}}}P3=0xff;P3_6=0;temp=P3;temp=temp&0x0f;if(temp!=0x0f){delay();temp=P3;temp=temp&0x0f;if(temp!=0x0f){switch(temp){case0x0e:key=8;break;case0x0d:key=9;break;case0x0b:key=10;break;case0x07:key=11;break;}temp=P3;P0=table[key];temp=temp&0x0f;while(temp!=0x0f){temp=P3;temp=temp&0x0f;}}}P3=0xff;P3_7=0;temp=P3;temp=temp&0x0f;if(temp!=0x0f){delay();temp=P3;

temp=temp&0x0f;if(temp!=0x0f){switch(temp){case0x0e:key=12;break;case0x0d:key=13;break;case0x0b:key=14;break;case0x07:key=15;break;}temp=P3;P0=table[key];temp=temp&0x0f;while(temp!=0x0f){temp=P3;temp=temp&0x0f;}}}}}行掃描法的缺點(diǎn)是速度慢，且隨著鍵數(shù)的增加掃描時(shí)間也相應(yīng)加長(zhǎng)，當(dāng)行數(shù)或列數(shù)超過CPU的數(shù)據(jù)寬度時(shí)，那么掃描還要費(fèi)事。假設(shè)掃描時(shí)間超過了鍵接觸的時(shí)間，有可能還未來(lái)得及掃描到按下的鍵，被按鍵就已釋放，也可能造成漏鍵失誤。2.線路反轉(zhuǎn)法表3-2鍵碼轉(zhuǎn)換表【例3-6】采用線路反轉(zhuǎn)法實(shí)現(xiàn)4×4矩陣式鍵盤的鍵值讀取，并將鍵值顯示在數(shù)碼管上，電路如圖3-18所示。#include<AT89x51.h>#include<stdio.h>#defineKEY_PORTP3#defineKV_FALSE0Xff typedefunsignedcharuchar;typedefunsignedintuint;ucharcodetable[]={0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f,0x77,0x7c,0x39,0x5e,0x79,0x71,#0x00};ucharkey;voiddelayms(uchari){uchartemp1,j;for(temp1=i;temp1>0;temp1--)for(j=200;j>0;j--);}ucharkeyscan(void){ucharkeyValue; KEY_PORT=0x0F;if(~(KEY_PORT|0xF0)==0)returnKV_FALSE;else{delayms(5); KEY_PORT=0x0F; keyValue=KEY_PORT; if(keyValue==0x0f)returnKV_FALSE; else {KEY_PORT=0xF0; keyValue|=KEY_PORT; do{/*等待按鍵釋放*/KEY_PORT=0x0F;if(~(KEY_PORT|0xF0)!=0)continue; delayms(5); if(~(KEY_PORT|0xF0)!=0)continue; break;}while(1);returnkeyValue;}}}voidkeyserve(ucharkeyvalue){ switch(keyvalue) {case0xe7:key=0;break;case0xeb:key=1; break; case0xed:key=2; break;case0xee:key=3;break;case0xd7:key=4;break;voidmain(void){while(1){uchartemp;temp=keyscan();keyserve(temp);P0=table[key];}}case0xdb:key=5;break; case0xdd:key=6;break;case0xde:key=7; break; case0xb7:key=8;break;case0xbb:key=9;break; case0xbd:key=10;break;case0xbe:key=11;break; case0x77:key=12;break;case0x7b:key=13;bre