第三章人機接口

1、第3章人機接口技術(shù)張弘強第3章 人機交互接口技術(shù) 3.1 鍵盤接口技術(shù)鍵盤接口技術(shù)3.2 LED顯示接口技術(shù)顯示接口技術(shù)第3章人機接口技術(shù)第3章 人機交互接口技術(shù) 所謂人機交互接口，是指人與計算機之間建立聯(lián)系、交換信息的輸入/輸出設(shè)備的接口。 輸入/輸出設(shè)備主要有鍵盤、顯示和打印機等。它們是計算機應(yīng)用系統(tǒng)中必不可少的輸入、輸出設(shè)備，是控制系統(tǒng)與操作人員之間交互的窗口。一個安全可靠的控制系統(tǒng)必須具有方便的交互功能。操作人員可以通過系統(tǒng)顯示的內(nèi)容，及時掌握生產(chǎn)情況。并可通過鍵蠱輸入數(shù)據(jù)，傳遞命令，對計算機應(yīng)用系統(tǒng)進行人工干預(yù)，以使其隨時能按照操作人員的意圖工作。微機控制技術(shù)3.1 鍵盤接口技術(shù)鍵盤

2、是若干按鍵的集合，是向系統(tǒng)提供操作人員干預(yù)命令的接口設(shè)備。鍵盤分類：編碼鍵盤，能自動識別按下的鍵并產(chǎn)生相應(yīng)代碼，以并行或串行方式送給CPU。它使用方便，接口簡單，響應(yīng)速度快，但較貴非編碼鍵盤，通過軟件來確定按鍵并計算鍵值。這種方法雖然沒有編碼鍵盤速度快，但它價格便宜，因此得到了廣泛的應(yīng)用。微機控制技術(shù)3.1.1 鍵盤設(shè)計需解決的幾個問題1按鍵的確認按鍵的確認 鍵盤實際上是一組按鍵開關(guān)的集合，其每一個按鍵就是一個開關(guān)量輸入裝置。鍵的閉合與否，通過電平狀態(tài)（高或低）的檢測，便可確定相應(yīng)按鍵是否已被按下。微機控制技術(shù)3.1.1 鍵盤設(shè)計需解決的幾個問題 2重鍵與連擊的處理重鍵與連擊的處理 實際按鍵操

3、作中，若無意中同時或先后按下兩個以上的鍵，系統(tǒng)確認哪個鍵操作是有效的完全由設(shè)計者的意志決定。(1)以按下時間的長短為準(2)以最先按下的鍵為當前按鍵，(3)將最后釋放的鍵看成是輸入鍵。(4)通常總是采用單鍵按下有效，多鍵同時按下無效的原則。（若系統(tǒng)設(shè)有復(fù)合鍵，當然應(yīng)該另當別論）。微機控制技術(shù)3.1.1 鍵盤設(shè)計需解決的幾個問題 3按鍵防抖動技術(shù)按鍵防抖動技術(shù) 多數(shù)鍵盤的按鍵均采用機械彈性開關(guān)。一個電信號通過機械觸點的斷開、閉合過程，完成高、低電平的切換。由于機械觸點的彈性作用，一個按鍵開關(guān)在閉合及斷開的瞬間必然伴隨有一連串的抖動。抖動過程的長短由按鍵的機械特性決定，一般為1020ms。微機控制

4、技術(shù)3.1.1 鍵盤設(shè)計需解決的幾個問題 為了使CPU對一次按鍵動作只確認一次，必須排除抖動的影響?？梢詮挠布败浖煞矫嬷纸鉀Q。（1）硬件防抖技術(shù)）硬件防抖技術(shù) 通過硬件電路消除按鍵過程中抖動的影響是一種廣為采用的措施。這種作法工作可靠，且節(jié)省機時。 濾波防抖電路 利用RC積分電路對于干擾脈沖的吸收作用，只要選擇好時間常數(shù)，就能在按鍵抖動信號通過此濾波電路時，消除抖動的影響。微機控制技術(shù)3.1.1 鍵盤設(shè)計需解決的幾個問題當觸點K斷開時，由于電容C經(jīng)過電阻R2放電，C兩端的放電電壓波動不會超過門的關(guān)閉電壓，因此，門的輸出也不會改變。 濾波防抖電路濾波防抖電路微機控制技術(shù)當鍵K未按下時，電容

5、C兩端電壓均為0，非門輸出為1。當K按下時，由于C兩端電壓不可能產(chǎn)生突變，盡管在觸點接觸過程中可能出現(xiàn)抖動，只要適當選取R1、R2和C值，即可保證電容C兩端的充電電壓波動不超過非門的開啟電壓（TTL為0.8V），非門的輸出將維持高電平。3.1.1 鍵盤設(shè)計需解決的幾個問題總之，只要R1、R2和C的時間常數(shù)選取得當，確保電容C由穩(wěn)態(tài)電壓充電到開啟電壓，或放電到關(guān)閉電壓的延遲時間等于或大于10ms，該電路就能消除抖動的影響。微機控制技術(shù)3.1.1 鍵盤設(shè)計需解決的幾個問題 雙穩(wěn)態(tài)防抖電路 用兩個與非門構(gòu)成一個RS觸發(fā)器，即可形成雙穩(wěn)態(tài)防抖電路。微機控制技術(shù)設(shè)未按下時，鍵K與A端（ON）接通Q=1

6、=0，此信號引至1 # 與非門的輸入端，使其固定輸出1。Q當開關(guān)K按動時，機械開關(guān)具有彈性，在A端將形成一連串的抖動波形。而 端在K到達B端之前始終為0。這時，無論A處出現(xiàn)怎樣的電壓(0或1)，Q端恒為1。Q3.1.1 鍵盤設(shè)計需解決的幾個問題 只有當K到達B端B=0 RS觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)， =1 Q=0，并鎖住門2，使其輸出恒為1。此時，即使B處出現(xiàn)抖動波形，也不會影響 端的輸出，從而保證Q端恒為0。 QQ微機控制技術(shù)同理，在釋放鍵的過程中，只要一接通A，Q端就升至為1。只要開關(guān)K不再與B端接觸，雙穩(wěn)態(tài)電路的輸出將維持不變。3.1.1 鍵盤設(shè)計需解決的幾個問題 （2）軟件防抖方法）軟件防抖方法 采

7、用硬件防抖電路，則采用硬件防抖電路，則N個鍵就必須配有個鍵就必須配有N個防抖電路。因此，個防抖電路。因此，當鍵的個數(shù)比較多時，硬件防抖將無法勝任。在這種情況下，可當鍵的個數(shù)比較多時，硬件防抖將無法勝任。在這種情況下，可以采用軟件的方法進行防抖。當?shù)谝淮螜z測到有鍵按下時，先用以采用軟件的方法進行防抖。當?shù)谝淮螜z測到有鍵按下時，先用軟件延時（軟件延時（10ms20ms），而后再確認該鍵電平是否仍維持閉合，而后再確認該鍵電平是否仍維持閉合狀態(tài)電平。若保持閉合狀態(tài)電平；則確認此鍵確已按下，從而消狀態(tài)電平。若保持閉合狀態(tài)電平；則確認此鍵確已按下，從而消除了抖動的影響。除了抖動的影響。微機控制技術(shù)3.1.

8、2 少量功能鍵接口技術(shù)在單片機控制系統(tǒng)中，由于其控制對象比較專一，往往只需要幾個功能鍵，特別是在智能化儀器儀表中更是如此。 對于具有少量功能鍵的系統(tǒng): (1)多采用相互獨立的接口方法 (2)采用硬件中斷或軟件查詢方法均可實現(xiàn)其鍵盤接口。 設(shè)某系統(tǒng)需要8個功能鍵，采用中斷方式接口的硬件電路如圖。微機控制技術(shù)3.1.2 少量功能鍵接口技術(shù)微機控制技術(shù)3.1.2 少量功能鍵接口技術(shù) 按鍵SB7SB0各具一種功能。當其全部打開時，對應(yīng)的各條列線全部為高電平，使8輸入與非門（74LS30）輸出為低電平，反向后為高電平，不產(chǎn)生中斷。當其中某個鍵被按下時， 端變作高電平，向CPU申請中斷。CPU響應(yīng)后，用查

9、詢的方法找出被按下的功能鍵，再通過軟件查找出功能鍵服務(wù)程序的入口地址。由此，可寫出相關(guān)的主程序及中斷服務(wù)程序。0INT微機控制技術(shù)3.1.3 矩陣鍵盤接口技術(shù) 矩陣式鍵盤常應(yīng)用在按鍵數(shù)量比較多的系統(tǒng)之中。這種鍵盤由行線和列線組成，按鍵設(shè)置在行、列結(jié)構(gòu)的交叉點上，行列線分別連在按鍵開關(guān)的兩端。列線通過上拉電阻接至正電源，以使無鍵按下時列線處于高電平狀態(tài)。 鍵盤矩陣與微型機的連接方法是采用I0接口芯片，如8155、8255等。有時為簡單起見，也可采用鎖存器，如74LS273、74LS244，74LS373等。 微機控制技術(shù)3.1.3 矩陣鍵盤接口技術(shù)鍵盤處理程序的關(guān)鍵是如何識別鍵碼，微型機對鍵盤控

10、制的辦法是“掃描”。根據(jù)微型機進行掃描的方法又可分作程控掃描法和中斷掃描法兩種。 微機控制技術(shù)1 程控掃描法程控掃描法 例：例：4 8矩陣組成的矩陣組成的32鍵盤與微型機接口電路。鍵盤與微型機接口電路。 圖圖3 35 5 用用8255A8255A接口的接口的4 48 8鍵盤矩陣鍵盤矩陣微機控制技術(shù)（1）電路分析）電路分析 8255A端口C為行掃描口，工作于輸出方式，端口A工作于輸入方式，用來讀入列值。 在每一個行與列的交叉點均接一個按鍵，故48共32個鍵。為了說明各鍵的具體位置，事先按一定順序給每一個鍵編一個號，如圖中0、1、2、31E、1F等，稱其為鍵值。所謂鍵譯碼就是找出每個鍵的鍵值，然后

11、根據(jù)鍵值確定其是功能鍵還是數(shù)字鍵，并分別進行處理。 微機控制技術(shù)3.1.3 矩陣鍵盤接口技術(shù)（2）程控掃描方法程控掃描方法 首先判斷是否有鍵按下。其方法是使所有的行輸出均為低電平，然后從端口A讀入列值。如果沒有鍵按下，則讀入值為FFH，如果有鍵按下，則不為FFH。 去除鍵抖動。若有鍵按下，則延時1020ms，再一次判斷有無鍵按下，如果此時仍有鍵按下，則認為鍵盤上有一個鍵處于穩(wěn)定閉合期。 微機控制技術(shù)3.1.3 矩陣鍵盤接口技術(shù) 若有鍵閉合，則求出閉合鍵的鍵值。 方法：方法：對鍵盤逐行掃描。先使PC00，然后讀入列值，看其是否等于FFH，若等于FFH，說明該行無鍵按下。再對下一行進行掃描（即令P

12、C10），如果列值不等于FFH，則說明該行有鍵按下，求出其鍵值。求鍵值時，要采用行值、列值兩個寄存器（或存儲器）。每掃描一行后，如無鍵按下，則行值寄存器加08H；若有鍵按下，行值寄存器保持原值，并轉(zhuǎn)至求相應(yīng)的列值。此時，首先將列值讀數(shù)右移，每移位一次列值寄存器加1，直到有鍵按下（低電平）為止。最后將行值和列值相加，即得到鍵值（十六進制數(shù)）。例如，X2行Y3列鍵被按下，求其鍵值。 微機控制技術(shù) 掃描X0行（PC00），無鍵按下，行值寄存器00H十08H； 掃描Xl行，仍無鍵按下，再加08H，即行值寄存器08H十08H10H； 掃描X2行，此時發(fā)現(xiàn)有鍵按下（列值不等于FFH），則行值寄存器10H，

13、不變，轉(zhuǎn)向求列值。具體作法是，將列值讀數(shù)逐位右移，第一次移位，無鍵按下，列值寄存器00H十01H01H；第二次移位，無鍵按下；第三次移位仍無鍵按下，列值寄存器01H十01H十01H03H；當?shù)谒拇我莆粫r，發(fā)現(xiàn)有鍵按下（低電平），列值寄存器03H，不變。 將行值與列值相加，即行值寄存器十列值寄存器10H十03H13H，故該鍵值為13H。 微機控制技術(shù)3.1.3 矩陣鍵盤接口技術(shù) 若想得到十進制鍵值，可在每次相加之后進行DAA修正。為保證鍵每閉合一次，CPU只作一次處理，程序中需等閉合鍵釋放后才對其進行處理。 完成上述任務(wù)的程控掃描程序流程圖： 微機控制技術(shù) 圖圖3 36 6 程控掃描法程序流程圖

14、程控掃描法程序流程圖微機控制技術(shù)3.1.3 矩陣鍵盤接口技術(shù)2. 定時掃描法定時掃描法方式是CPU每隔一定的時間（如10ms）對鍵盤掃描一遍。當發(fā)現(xiàn)有鍵被按下時，便進行讀入鍵盤操作，以求出鍵值，并分別進行處理。定時時間間隔由單片機內(nèi)部定時/計數(shù)器產(chǎn)生。這樣可以減少計算機掃描鍵盤的時間，以減少CPU開銷。具體做法是，當定時時間到期時，定時器自動輸出一脈沖信號，使CPU轉(zhuǎn)去執(zhí)行掃描程序。微機控制技術(shù)3.1.3 矩陣鍵盤接口技術(shù)這種方法掃描和求鍵值，以及區(qū)別功能鍵與數(shù)字鍵的方法與程序掃描法類似。但有一點需指出，即采用定時掃描法時，必須在其初始化程序中，對定時器寫入相應(yīng)的命令，使之能定時產(chǎn)生中斷，從而

15、定時完成掃描任務(wù)。為簡化設(shè)計，在比較大的系統(tǒng)中，也可以每隔一定長度的程序設(shè)置一次鍵盤查詢程序。微機控制技術(shù)3.1.3 矩陣鍵盤接口技術(shù)3中斷掃描法中斷掃描法 在程控掃描法中，無論有沒有鍵入操作，CPU總要在一定的時間進行掃描，無疑將占用CPU的大量時間，這對于微型機控制系統(tǒng)和智能化儀器都是很不利的。為了更進一步節(jié)省CPU的時間，可采用中斷掃描法。這種方法的實質(zhì)是，當沒有鍵入操作時，CPU不對鍵盤進行掃描，以節(jié)省出大量的時間對系統(tǒng)進行監(jiān)控和數(shù)據(jù)處理。一旦鍵盤輸入，則向CPU申請中斷。CPU響應(yīng)中斷后，即轉(zhuǎn)到相應(yīng)的中斷服務(wù)程序，對鍵進行掃描，以便判別鍵盤上閉合鍵的鍵號，并作相應(yīng)的處理。 微機控制技

16、術(shù)圖圖3 37 7 中斷掃描方式原理圖中斷掃描方式原理圖微機控制技術(shù)3.1.3 矩陣鍵盤接口技術(shù) 當沒有鍵按下時，所有列線均為1，經(jīng)8與非門輸出一低電平到 中斷申請線，此時沒有中斷申請。一旦某一個鍵按下以后，則高電平經(jīng)過按鍵加到該鍵所在行的二極管正端，使二極管導(dǎo)通，同時，該列線輸出為低電乎，使與非門74LS30輸出為高電平，從而使 發(fā)生跳變，向CPU申請中斷。CPU響應(yīng)后，即轉(zhuǎn)到中斷掃描程序，查出鍵號，且作相應(yīng)處理。其掃描方法與程控法相同，不同的只是當有鍵按下時，才進行掃描。若無鍵按下，CPU執(zhí)行主程序或處理其它事情。這樣可節(jié)省大量的空掃描時問，從而提高了計算機的工作效率。IRQ2IRQ2微機

17、控制技術(shù)3.2 LED顯示接口技術(shù)常用的顯示器件有： 顯示和記錄儀表 顯示記錄儀表能連續(xù)進行顯示和記錄，但價錢比較貴，且為模擬顯示，讀數(shù)不方便，有一定的誤差， CRT顯示終端 CRT終端是目前微型機控制系統(tǒng)中最常用的顯示設(shè)備。它直觀、靈活，不但可顯示數(shù)字，而且可以顯示畫面及報表，如生產(chǎn)流程圖、報警畫面、動態(tài)趨勢圖、棒狀圖，以及狀態(tài)和回路查詢畫面等。 微機控制技術(shù)3.2 LED顯示接口技術(shù) LED或LCD顯示 LED數(shù)碼管由于結(jié)構(gòu)簡單、體積小、功率低、響應(yīng)速度快 、易于匹配、壽命長、可靠性高等優(yōu)點，目前已被微機控制系統(tǒng)及智能化儀表廣泛采用。 大屏幕顯示； 大屏幕顯示具有顯示清晰、視覺范圍寬廣等優(yōu)

18、點，主要用于車站、碼頭、體育場館、大型生產(chǎn)裝置的現(xiàn)場顯示 在這一節(jié)里，主要介紹LED數(shù)碼管顯示。 微機控制技術(shù)3.2.1 LED數(shù)碼管的結(jié)構(gòu)及顯示原理 發(fā)光LED顯示器是微型機應(yīng)用系統(tǒng)中的廉價輸出設(shè)備，它由若干個發(fā)光二極管組成，能顯示出各種字符、常用的器件有七段及米字型顯示器。 1LED顯示器的結(jié)構(gòu)及原理顯示器的結(jié)構(gòu)及原理 LED顯示器是由發(fā)光二極管顯示字段組成的，由于制造材料的不同，可相應(yīng)發(fā)出紅、黃、蘭、紫等各種單色光。 微機控制技術(shù)3.2.1 LED數(shù)碼管的結(jié)構(gòu)及顯示原理(1)結(jié)構(gòu) 發(fā)光二極管可以有多種組成形式，其中七段顯示器應(yīng)用最多，其次為“米”字形顯示器。(2) 接線方法 共陰極 共陽極(3) 特點 體積小，功耗低，可靠，壽命長，使用方便。 微機控制技術(shù)圖圖3 310 LED10 LED顯示器件的結(jié)構(gòu)及外型圖顯示器件的結(jié)構(gòu)及外型圖微機控制技術(shù)2LED數(shù)碼管的顯示方法數(shù)碼管的顯示方法 在微型機控制系統(tǒng)中，常用的顯示方法有兩種，一種為動態(tài)顯示，一種為靜態(tài)顯示。微機控制技術(shù)（1 1）動態(tài)顯示動態(tài)顯示 微型機定時對顯示器件掃描，在這種方法中，顯示器件分時工作，每次只能有一個器件顯示。但由于人視覺的暫留現(xiàn)象，所以，仍感覺所有的