第三章人機(jī)接口

第3章人機(jī)接口技術(shù)張弘強(qiáng)第3章人機(jī)交互接口技術(shù) 3.1鍵盤(pán)接口技術(shù)

3.2LED顯示接口技術(shù)

第3章人機(jī)接口技術(shù)第3章人機(jī)交互接口技術(shù)

所謂人機(jī)交互接口，是指人與計(jì)算機(jī)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(pán)、顯示和打印機(jī)等。它們是計(jì)算機(jī)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(gè)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(guò)系統(tǒng)顯示的內(nèi)容，及時(shí)掌握生產(chǎn)情況。并可通過(guò)鍵蠱輸入數(shù)據(jù)，傳遞命令，對(duì)計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)進(jìn)行人工干預(yù)，以使其隨時(shí)能按照操作人員的意圖工作。微機(jī)控制技術(shù)3.1鍵盤(pán)接口技術(shù)鍵盤(pán)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(pán)分類(lèi)：★編碼鍵盤(pán)，能自動(dòng)識(shí)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(jiǎn)單，響應(yīng)速度快，但較貴★非編碼鍵盤(pán)，通過(guò)軟件來(lái)確定按鍵并計(jì)算鍵值。這種方法雖然沒(méi)有編碼鍵盤(pán)速度快，但它價(jià)格便宜，因此得到了廣泛的應(yīng)用。微機(jī)控制技術(shù)3.1.1鍵盤(pán)設(shè)計(jì)需解決的幾個(gè)問(wèn)題1．按鍵的確認(rèn)鍵盤(pán)實(shí)際上是一組按鍵開(kāi)關(guān)的集合，其每一個(gè)按鍵就是一個(gè)開(kāi)關(guān)量輸入裝置。鍵的閉合與否，通過(guò)電平狀態(tài)（高或低）的檢測(cè)，便可確定相應(yīng)按鍵是否已被按下。微機(jī)控制技術(shù)3.1.1鍵盤(pán)設(shè)計(jì)需解決的幾個(gè)問(wèn)題

2．重鍵與連擊的處理實(shí)際按鍵操作中，若無(wú)意中同時(shí)或先后按下兩個(gè)以上的鍵，系統(tǒng)確認(rèn)哪個(gè)鍵操作是有效的完全由設(shè)計(jì)者的意志決定。(1)以按下時(shí)間的長(zhǎng)短為準(zhǔn)(2)以最先按下的鍵為當(dāng)前按鍵，(3)將最后釋放的鍵看成是輸入鍵。(4)通?？偸遣捎脝捂I按下有效，多鍵同時(shí)按下無(wú)效的原則。（若系統(tǒng)設(shè)有復(fù)合鍵，當(dāng)然應(yīng)該另當(dāng)別論）。微機(jī)控制技術(shù)3.1.1鍵盤(pán)設(shè)計(jì)需解決的幾個(gè)問(wèn)題

3．按鍵防抖動(dòng)技術(shù) 多數(shù)鍵盤(pán)的按鍵均采用機(jī)械彈性開(kāi)關(guān)。一個(gè)電信號(hào)通過(guò)機(jī)械觸點(diǎn)的斷開(kāi)、閉合過(guò)程，完成高、低電平的切換。由于機(jī)械觸點(diǎn)的彈性作用，一個(gè)按鍵開(kāi)關(guān)在閉合及斷開(kāi)的瞬間必然伴隨有一連串的抖動(dòng)。抖動(dòng)過(guò)程的長(zhǎng)短由按鍵的機(jī)械特性決定，一般為10~20ms。微機(jī)控制技術(shù)3.1.1鍵盤(pán)設(shè)計(jì)需解決的幾個(gè)問(wèn)題

為了使CPU對(duì)一次按鍵動(dòng)作只確認(rèn)一次，必須排除抖動(dòng)的影響?？梢詮挠布败浖煞矫嬷纸鉀Q。（1）硬件防抖技術(shù)通過(guò)硬件電路消除按鍵過(guò)程中抖動(dòng)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(jī)時(shí)。①濾波防抖電路利用RC積分電路對(duì)于干擾脈沖的吸收作用，只要選擇好時(shí)間常數(shù)，就能在按鍵抖動(dòng)信號(hào)通過(guò)此濾波電路時(shí)，消除抖動(dòng)的影響。微機(jī)控制技術(shù)3.1.1鍵盤(pán)設(shè)計(jì)需解決的幾個(gè)問(wèn)題當(dāng)觸點(diǎn)K斷開(kāi)時(shí)，由于電容C經(jīng)過(guò)電阻R2放電，C兩端的放電電壓波動(dòng)不會(huì)超過(guò)門(mén)的關(guān)閉電壓，因此，門(mén)的輸出也不會(huì)改變。

濾波防抖電路微機(jī)控制技術(shù)當(dāng)鍵K未按下時(shí)，電容C兩端電壓均為0，非門(mén)輸出為1。當(dāng)K按下時(shí)，由于C兩端電壓不可能產(chǎn)生突變，盡管在觸點(diǎn)接觸過(guò)程中可能出現(xiàn)抖動(dòng)，只要適當(dāng)選取R1、R2和C值，即可保證電容C兩端的充電電壓波動(dòng)不超過(guò)非門(mén)的開(kāi)啟電壓（TTL為0.8V），非門(mén)的輸出將維持高電平。3.1.1鍵盤(pán)設(shè)計(jì)需解決的幾個(gè)問(wèn)題

總之，只要R1、R2和C的時(shí)間常數(shù)選取得當(dāng)，確保電容C由穩(wěn)態(tài)電壓充電到開(kāi)啟電壓，或放電到關(guān)閉電壓的延遲時(shí)間等于或大于10ms，該電路就能消除抖動(dòng)的影響。微機(jī)控制技術(shù)3.1.1鍵盤(pán)設(shè)計(jì)需解決的幾個(gè)問(wèn)題②雙穩(wěn)態(tài)防抖電路用兩個(gè)與非門(mén)構(gòu)成一個(gè)RS觸發(fā)器，即可形成雙穩(wěn)態(tài)防抖電路。微機(jī)控制技術(shù)設(shè)未按下時(shí)，鍵K與A端（ON）接通→Q=1→=0，此信號(hào)引至1#與非門(mén)的輸入端，使其固定輸出1。當(dāng)開(kāi)關(guān)K按動(dòng)時(shí)，機(jī)械開(kāi)關(guān)具有彈性，在A端將形成一連串的抖動(dòng)波形。而端在K到達(dá)B端之前始終為0。這時(shí)，無(wú)論A處出現(xiàn)怎樣的電壓(0或1)，Q端恒為1。3.1.1鍵盤(pán)設(shè)計(jì)需解決的幾個(gè)問(wèn)題

只有當(dāng)K到達(dá)B端→B=0→RS觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)，=1→

Q=0，并鎖住門(mén)2，使其輸出恒為1。此時(shí)，即使B處出現(xiàn)抖動(dòng)波形，也不會(huì)影響端的輸出，從而保證Q端恒為0。

微機(jī)控制技術(shù)同理，在釋放鍵的過(guò)程中，只要一接通A，Q端就升至為1。只要開(kāi)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(pán)設(shè)計(jì)需解決的幾個(gè)問(wèn)題

（2）軟件防抖方法采用硬件防抖電路，則N個(gè)鍵就必須配有N個(gè)防抖電路。因此，當(dāng)鍵的個(gè)數(shù)比較多時(shí)，硬件防抖將無(wú)法勝任。在這種情況下，可以采用軟件的方法進(jìn)行防抖。當(dāng)?shù)谝淮螜z測(cè)到有鍵按下時(shí)，先用軟件延時(shí)（10ms~20ms），而后再確認(rèn)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(rèn)此鍵確已按下，從而消除了抖動(dòng)的影響。微機(jī)控制技術(shù)3.1.2

少量功能鍵接口技術(shù)

在單片機(jī)控制系統(tǒng)中，由于其控制對(duì)象比較專(zhuān)一，往往只需要幾個(gè)功能鍵，特別是在智能化儀器儀表中更是如此。

對(duì)于具有少量功能鍵的系統(tǒng):

(1)多采用相互獨(dú)立的接口方法

(2)采用硬件中斷或軟件查詢方法均可實(shí)現(xiàn)其鍵盤(pán)接口。設(shè)某系統(tǒng)需要8個(gè)功能鍵，采用中斷方式接口的硬件電路如圖。微機(jī)控制技術(shù)3.1.2

少量功能鍵接口技術(shù)微機(jī)控制技術(shù)3.1.2

少量功能鍵接口技術(shù)按鍵SB7~SB0各具一種功能。當(dāng)其全部打開(kāi)時(shí)，對(duì)應(yīng)的各條列線全部為高電平，使8輸入與非門(mén)（74LS30）輸出為低電平，反向后為高電平，不產(chǎn)生中斷。當(dāng)其中某個(gè)鍵被按下時(shí)，端變作高電平，向CPU申請(qǐng)中斷。CPU響應(yīng)后，用查詢的方法找出被按下的功能鍵，再通過(guò)軟件查找出功能鍵服務(wù)程序的入口地址。由此，可寫(xiě)出相關(guān)的主程序及中斷服務(wù)程序。微機(jī)控制技術(shù)3.1.3

矩陣鍵盤(pán)接口技術(shù)

矩陣式鍵盤(pán)常應(yīng)用在按鍵數(shù)量比較多的系統(tǒng)之中。這種鍵盤(pán)由行線和列線組成，按鍵設(shè)置在行、列結(jié)構(gòu)的交叉點(diǎn)上，行列線分別連在按鍵開(kāi)關(guān)的兩端。列線通過(guò)上拉電阻接至正電源，以使無(wú)鍵按下時(shí)列線處于高電平狀態(tài)。 鍵盤(pán)矩陣與微型機(jī)的連接方法是采用I／0接口芯片，如8155、8255等。有時(shí)為簡(jiǎn)單起見(jiàn)，也可采用鎖存器，如74LS273、74LS244，74LS373等。

微機(jī)控制技術(shù)3.1.3

矩陣鍵盤(pán)接口技術(shù)

鍵盤(pán)處理程序的關(guān)鍵是如何識(shí)別鍵碼，微型機(jī)對(duì)鍵盤(pán)控制的辦法是“掃描”。根據(jù)微型機(jī)進(jìn)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(jī)控制技術(shù)1．程控掃描法例：4×8矩陣組成的32鍵盤(pán)與微型機(jī)接口電路。

圖3—5用8255A接口的4×8鍵盤(pán)矩陣微機(jī)控制技術(shù)（1）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(lái)讀入列值。

★在每一個(gè)行與列的交叉點(diǎn)均接一個(gè)按鍵，故4×8共32個(gè)鍵。為了說(shuō)明各鍵的具體位置，事先按一定順序給每一個(gè)鍵編一個(gè)號(hào)，如圖中0、1、2、3…1E、1F等，稱(chēng)其為鍵值。所謂鍵譯碼就是找出每個(gè)鍵的鍵值，然后根據(jù)鍵值確定其是功能鍵還是數(shù)字鍵，并分別進(jìn)行處理。微機(jī)控制技術(shù)3.1.3

矩陣鍵盤(pán)接口技術(shù)（2）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(méi)有鍵按下，則讀入值為FFH，如果有鍵按下，則不為FFH?！?/p>

去除鍵抖動(dòng)。若有鍵按下，則延時(shí)10~20ms，再一次判斷有無(wú)鍵按下，如果此時(shí)仍有鍵按下，則認(rèn)為鍵盤(pán)上有一個(gè)鍵處于穩(wěn)定閉合期。微機(jī)控制技術(shù)3.1.3

矩陣鍵盤(pán)接口技術(shù)★

若有鍵閉合，則求出閉合鍵的鍵值。

方法：對(duì)鍵盤(pán)逐行掃描。先使PC0＝0，然后讀入列值，看其是否等于FFH，若等于FFH，說(shuō)明該行無(wú)鍵按下。再對(duì)下一行進(jìn)行掃描（即令PC1＝0），如果列值不等于FFH，則說(shuō)明該行有鍵按下，求出其鍵值。求鍵值時(shí)，要采用行值、列值兩個(gè)寄存器（或存儲(chǔ)器）。每掃描一行后，如無(wú)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(shí)，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(jìn)制數(shù)）。例如，X2行Y3列鍵被按下，求其鍵值。微機(jī)控制技術(shù)

★

掃描X0行（PC0＝0），無(wú)鍵按下，行值寄存器＝00H十08H；★掃描Xl行，仍無(wú)鍵按下，再加08H，即行值寄存器＝08H十08H＝10H；★掃描X2行，此時(shí)發(fā)現(xiàn)有鍵按下（列值不等于FFH），則行值寄存器＝10H，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(wú)鍵按下，列值寄存器＝00H十01H＝01H；第二次移位，無(wú)鍵按下；第三次移位仍無(wú)鍵按下，列值寄存器＝01H十01H十01H＝03H；當(dāng)?shù)谒拇我莆粫r(shí)，發(fā)現(xiàn)有鍵按下（低電平），列值寄存器＝03H，不變?！飳⑿兄蹬c列值相加，即行值寄存器十列值寄存器＝10H十03H＝13H，故該鍵值為13H。

微機(jī)控制技術(shù)3.1.3

矩陣鍵盤(pán)接口技術(shù)

若想得到十進(jìn)制鍵值，可在每次相加之后進(jìn)行DAA修正?！餅楸ＷC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(duì)其進(jìn)行處理。完成上述任務(wù)的程控掃描程序流程圖：微機(jī)控制技術(shù)

圖3—6程控掃描法程序流程圖微機(jī)控制技術(shù)3.1.3

矩陣鍵盤(pán)接口技術(shù)2.定時(shí)掃描法 定時(shí)掃描法方式是CPU每隔一定的時(shí)間（如10ms）對(duì)鍵盤(pán)掃描一遍。當(dāng)發(fā)現(xiàn)有鍵被按下時(shí)，便進(jìn)行讀入鍵盤(pán)操作，以求出鍵值，并分別進(jìn)行處理。定時(shí)時(shí)間間隔由單片機(jī)內(nèi)部定時(shí)/計(jì)數(shù)器產(chǎn)生。這樣可以減少計(jì)算機(jī)掃描鍵盤(pán)的時(shí)間，以減少CPU開(kāi)銷(xiāo)。具體做法是，當(dāng)定時(shí)時(shí)間到期時(shí)，定時(shí)器自動(dòng)輸出一脈沖信號(hào)，使CPU轉(zhuǎn)去執(zhí)行掃描程序。微機(jī)控制技術(shù)3.1.3

矩陣鍵盤(pán)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(lèi)似。但有一點(diǎn)需指出，即采用定時(shí)掃描法時(shí)，必須在其初始化程序中，對(duì)定時(shí)器寫(xiě)入相應(yīng)的命令，使之能定時(shí)產(chǎn)生中斷，從而定時(shí)完成掃描任務(wù)。為簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，在比較大的系統(tǒng)中，也可以每隔一定長(zhǎng)度的程序設(shè)置一次鍵盤(pán)查詢程序。微機(jī)控制技術(shù)3.1.3

矩陣鍵盤(pán)接口技術(shù)3．中斷掃描法 在程控掃描法中，無(wú)論有沒(méi)有鍵入操作，CPU總要在一定的時(shí)間進(jìn)行掃描，無(wú)疑將占用CPU的大量時(shí)間，這對(duì)于微型機(jī)控制系統(tǒng)和智能化儀器都是很不利的。為了更進(jìn)一步節(jié)省CPU的時(shí)間，可采用中斷掃描法。這種方法的實(shí)質(zhì)是，當(dāng)沒(méi)有鍵入操作時(shí)，CPU不對(duì)鍵盤(pán)進(jìn)行掃描，以節(jié)省出大量的時(shí)間對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控和數(shù)據(jù)處理。一旦鍵盤(pán)輸入，則向CPU申請(qǐng)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(duì)鍵進(jìn)行掃描，以便判別鍵盤(pán)上閉合鍵的鍵號(hào)，并作相應(yīng)的處理。

微機(jī)控制技術(shù)圖3—7中斷掃描方式原理圖微機(jī)控制技術(shù)3.1.3

矩陣鍵盤(pán)接口技術(shù)當(dāng)沒(méi)有鍵按下時(shí)，所有列線均為1，經(jīng)8與非門(mén)輸出一低電平到中斷申請(qǐng)線，此時(shí)沒(méi)有中斷申請(qǐng)。一旦某一個(gè)鍵按下以后，則高電平經(jīng)過(guò)按鍵加到該鍵所在行的二極管正端，使二極管導(dǎo)通，同時(shí)，該列線輸出為低電乎，使與非門(mén)74LS30輸出為高電平，從而使發(fā)生跳變，向CPU申請(qǐng)中斷。CPU響應(yīng)后，即轉(zhuǎn)到中斷掃描程序，查出鍵號(hào)，且作相應(yīng)處理。其掃描方法與程控法相同，不同的只是當(dāng)有鍵按下時(shí)，才進(jìn)行掃描。若無(wú)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(shí)問(wèn)，從而提高了計(jì)算機(jī)的工作效率。微機(jī)控制技術(shù)3.2LED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(jìn)行顯示和記錄，但價(jià)錢(qián)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(jī)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(huà)面及報(bào)表，如生產(chǎn)流程圖、報(bào)警畫(huà)面、動(dòng)態(tài)趨勢(shì)圖、棒狀圖，以及狀態(tài)和回路查詢畫(huà)面等。微機(jī)控制技術(shù)3.2LED顯示接口技術(shù)

★

LED或LCD顯示LED數(shù)碼管由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、功率低、響應(yīng)速度快

、易于匹配、壽命長(zhǎng)、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，目前已被微機(jī)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(jué)范圍寬廣等優(yōu)點(diǎn)，主要用于車(chē)站、碼頭、體育場(chǎng)館、大型生產(chǎn)裝置的現(xiàn)場(chǎng)顯示在這一節(jié)里，主要介紹LED數(shù)碼管顯示。微機(jī)控制技術(shù)3.2.1LED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(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中的廉價(jià)輸出設(shè)備，它由若干個(gè)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。

1．LED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(jī)控制技術(shù)3.2.1LED數(shù)碼管的結(jié)構(gòu)及顯示原理結(jié)構(gòu)發(fā)光二極管可以有