人機(jī)接口技術(shù)

第四章人機(jī)接口技術(shù)主要內(nèi)容：鍵盤接口技術(shù)LED顯示器及接口LCD顯示器及接口觸摸屏4.1鍵盤接口技術(shù)

鍵盤，是一種按鈕，與開關(guān)不同的是它只有一個(gè)穩(wěn)定的位置，當(dāng)按下鍵盤時(shí)，改變了開關(guān)的位置，但是一旦放開就會(huì)回到原來的位置。因此在按鍵過程中會(huì)產(chǎn)生抖動(dòng)，從而引起讀鍵誤判斷，需要對(duì)鍵抖動(dòng)進(jìn)行處理。鍵抖動(dòng)處理有硬件和軟件兩種處理方法，軟件處理方法更方便更常用。鍵盤有簡(jiǎn)單鍵和矩陣鍵，應(yīng)該根據(jù)實(shí)際情況來設(shè)計(jì)。在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，鍵盤是人機(jī)對(duì)話的主要設(shè)備，用于向單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)輸入數(shù)據(jù)、程序和操作命令。鍵盤分機(jī)械式鍵盤和觸摸式鍵盤兩大類。4.1.1鍵盤的接口必須解決下列的一些問題（1）決定是否有鍵按下；（2）如有鍵按下，決定是哪一個(gè)鍵被按下；（3）確定被按鍵的讀數(shù)；（4）反彈跳—按鍵抖動(dòng)的消除。（5）處理同時(shí)按鍵既同時(shí)有一個(gè)以上的按鍵。按鍵時(shí)產(chǎn)生抖動(dòng)的波形示意抖動(dòng)時(shí)間＜10ms開關(guān)動(dòng)作時(shí)間＞100ms“1”“0”＜10ms硬件消除抖動(dòng)法

硬件消除抖動(dòng)的原理見圖，是利用R-S觸發(fā)器集成電路來實(shí)現(xiàn)消除抖動(dòng)功能的。當(dāng)鍵按下時(shí)，R-S觸發(fā)器的1端為高電平，2端為低電平，盡管按下的鍵會(huì)產(chǎn)生抖動(dòng)，但由于觸發(fā)器的作用，在3端會(huì)產(chǎn)生一個(gè)穩(wěn)定的低電平。在鍵松開的過程中，由于1端變?yōu)榈碗娖剑?端變?yōu)楦唠娖?，同樣R-S觸發(fā)器的作用，在3端會(huì)產(chǎn)生一個(gè)穩(wěn)定的高電平。＆I/O接口＆+5v+5v消除抖動(dòng)電路開關(guān)單片機(jī)123軟件消除抖動(dòng)法

硬件消除抖動(dòng)法需要增加電子元件，電路復(fù)雜，特別是按鍵比較多的時(shí)候，實(shí)現(xiàn)起來有困難。而用軟件消除抖動(dòng)法，不需要增加電子元件，只要編寫一段延時(shí)的程序,就可以達(dá)到消除抖動(dòng)的作用。在軟件消除抖動(dòng)方法中，若CPU檢測(cè)到有鍵按下，就執(zhí)行一段延時(shí)程序后再檢測(cè)此按鍵，若仍為按下狀態(tài)，CPU則認(rèn)為該鍵確實(shí)按下。同樣，當(dāng)鍵從按下再松開時(shí)，CPU檢測(cè)到有鍵松開，并在延時(shí)一段時(shí)間后仍檢測(cè)到鍵在松開狀態(tài)，則認(rèn)為鍵確實(shí)松開，這樣就消除了抖動(dòng)的影響，實(shí)現(xiàn)了軟件消除抖動(dòng)的功能。下圖所示為軟件去抖動(dòng)判別程序的流程圖。4.1.2非編碼鍵盤的接口電路1）獨(dú)立式鍵盤接口

是指直接用I/O口線構(gòu)成的單個(gè)按鍵電路。每根I/O口線上按鍵的工作狀態(tài)不會(huì)影響其他I/O口線的工作狀態(tài)。

P1.0P1.1P1.7+5v（a）中斷方式（b）查詢方式

通過8255擴(kuò)展的獨(dú)立式按鍵接口電路

2）矩陣式非編碼鍵盤

0

1+5vP1.0P1.1P1.4P1.5鍵盤I/O接口（1）掃描法列線輸出，行線輸入。列線逐行輸出0，某行有按鍵，行線輸入有0，若無按鍵，行線輸入全部為1。鍵的輸入方法（2）反轉(zhuǎn)法行列線交換輸入、輸出，兩步獲取按鍵鍵號(hào)。（3）中斷掃描方式有按鍵按下時(shí)發(fā)出中斷請(qǐng)求信號(hào),提高CPU的效率。等待鍵釋放后再進(jìn)行進(jìn)一步處理。鍵掃描程序框圖①入口有鍵按下？延時(shí)12ms有鍵按下？①NYNY鍵號(hào)入棧保存按鍵抬起？NY鍵號(hào)送A返回4.1.3編碼鍵盤的接口電路4.2LED顯示器及接口技術(shù)

發(fā)光二極管在儀器儀表中，可以用于各種信號(hào)指示、紅外發(fā)光源，可用于光電測(cè)量和控制，還可做成光電隔離器，增加抗干擾能力，可以用于文字、圖形顯示。發(fā)光二極管的基本驅(qū)動(dòng)電路如下圖：

一般選取I=4～15mA，當(dāng)取I=10mA，亮度已夠，但使用壽命可以大大延長(zhǎng)公共陽極hgfedcbaabcdgefh公共陰極hgfedcbaabcdgefhhgf……ahgf……a高電平點(diǎn)亮低電平點(diǎn)亮接高電平接地4.2.1LED數(shù)碼顯示器的結(jié)構(gòu)＠單片機(jī)系統(tǒng)擴(kuò)展LED數(shù)碼管時(shí)多用共陽LED:共陽數(shù)碼管每個(gè)段筆畫是用低電平(“0”)點(diǎn)亮的,要求驅(qū)動(dòng)功率很??；而共陰數(shù)碼管段筆畫是用高電平(“0”)點(diǎn)亮的，要求驅(qū)動(dòng)功率較大。＠通常每個(gè)段筆畫要串一個(gè)數(shù)百歐姆的降壓電阻。4.2.2LED顯示器譯碼1）硬件譯碼與軟件譯碼硬件譯碼特點(diǎn):采用專用的譯碼/驅(qū)動(dòng)器件,驅(qū)動(dòng)功率較大;增加了硬件的開銷;軟件編程簡(jiǎn)單;字型固定(比如:只有七段,只可譯數(shù)字,字型不好看…)。共陰LEDabcdgefhgfedcbaDCBAP1.3P1.2P1.1P1.0CD4511AT89C5174LS48/CD4511是“BCD碼→七段共陰譯碼/驅(qū)動(dòng)”IC;74LS47是“BCD碼→七段共陽譯碼/驅(qū)動(dòng)”IC4511BCD-7段鎖存/譯碼/驅(qū)動(dòng)器引腳及真值表/LT：測(cè)試輸入端。為低電平時(shí)，與輸入無關(guān)、各段全亮。LE：鎖存允許端。為高電平時(shí)，鎖存輸入的BCD碼。/BI：滅燈輸入端。為低電平時(shí)，各段全滅。RBI：高位零消隱輸入端。當(dāng)其有效時(shí)，如果BCD碼為0，則產(chǎn)生消隱，即高位零不顯。RBO：高位零消除輸出端。當(dāng)高位軍發(fā)生消隱時(shí)，產(chǎn)生此信號(hào)，作多位顯示消隱之用。

2）軟件譯碼共陽LEDabcdgefhP1.0P1.1P1.2P1.3P1.4P1.5P1.6P1.7軟件譯碼特點(diǎn):

不用專用的譯碼/驅(qū)動(dòng)器件，驅(qū)動(dòng)功率較小；不增加硬件的開銷；軟件編程較復(fù)雜；字型靈活(比如：有八段，只可譯多種字符，字型好看……)。4.2.3LED顯示器顯示方式1）靜態(tài)顯示方式

多位靜態(tài)顯示方式及其接口電路

2）動(dòng)態(tài)顯示方式P1.5P1.4P1.3P1.2P1.2P1.0P0.7P0.6P0.5P0.4P0.3P0.2P0.1P0.07406OC門X3上拉電阻×14+5VAT89C51共陰數(shù)碼管位選線段代碼多位動(dòng)態(tài)顯示方式及其接口電路

靜態(tài)、動(dòng)態(tài)顯示方式的比較動(dòng)態(tài)顯示特點(diǎn)：有閃爍，用元器件少，占I/O線少，必須掃描，花費(fèi)CPU時(shí)間，編程復(fù)雜。(有多個(gè)LED時(shí)尤為突出）靜態(tài)顯示特點(diǎn)：無閃爍，用元器件多，占I/O線多，無須掃描，節(jié)省CPU時(shí)間，編程簡(jiǎn)單。靜態(tài)顯示：各數(shù)碼管在顯示過程中持續(xù)得到送顯信號(hào)，與各數(shù)碼管接口的I/O口線是專用的。動(dòng)態(tài)顯示：各數(shù)碼管在顯示過程中輪流得到送顯信號(hào)，與各數(shù)碼管接口的I/O口線是共用的。五、直接訪問方式接口電路80C3137310KΩP0.0~P0.7DB0~DB7

RDWRP2.7P2.6-5VD/IR/WVCCV0E/CSA/CSBA0A14.3LCD顯示及接口1）LCD顯示器的結(jié)構(gòu)和工作原理結(jié)構(gòu)圖當(dāng)上、下電極加上一定的電壓，電極部分的液晶分子轉(zhuǎn)成垂直排列，失去旋光性，從上偏振片入射的偏振光不被旋轉(zhuǎn)，光無法通過下偏振片返回，因而呈黑色。LCD顯示器可分為段式、字符型與圖形LCD三種。2）筆段式LCD顯示器（1）LCD顯示器對(duì)驅(qū)動(dòng)電路的要求

LCD驅(qū)動(dòng)電路

LCD驅(qū)動(dòng)電路工作電壓波形

七段LCD數(shù)碼顯示器（2）筆段式LCD顯示器的接口MC14543的引腳303)點(diǎn)陣式液晶顯示器

HS12864與MCS-51單片機(jī)接口電路

MCS-51單片機(jī)與HS12864的接口有多種方式可供選擇，根據(jù)實(shí)際的系統(tǒng)可用單片機(jī)直接與HS12864相連，也可通過擴(kuò)展I/O與HS12864相連。HS12864的編程

由于點(diǎn)陣式液晶顯示器可顯示漢字、各種圖形。要由單片機(jī)將這些漢字、圖形送到LCD中的工作有兩個(gè)難度，一是漢字取模，另一個(gè)就是要編寫寫漢字程序或?qū)憟D片程序。

漢字取模

所謂漢字取模，就將漢字按點(diǎn)描述出來。按大小分常用的有16×16、24×24、48×48等，也可采用其他點(diǎn)陣，但最好是8的倍數(shù)。按取模方式分有橫向取模和縱向取模，橫向取模就是在一個(gè)漢字點(diǎn)陣中從左到右取一個(gè)字節(jié)，如16×16點(diǎn)陣漢字從左到右可取2個(gè)字節(jié)，一共有32個(gè)字節(jié)。縱向取模是從上到下取一個(gè)字節(jié)，16×16點(diǎn)陣的漢字從上到下可取2個(gè)字節(jié)，一共有32個(gè)字節(jié)?！簼h”字字模圖4.4觸摸屏簡(jiǎn)介觸摸屏的類型（檢測(cè)方法分類）電阻式紅外式電容式表面聲波式1）電阻觸摸屏電阻觸摸屏的主要部分是一塊多層的復(fù)合電阻薄膜，它最大的特點(diǎn)是不怕油污，灰塵，水。電阻觸摸屏共同的缺點(diǎn)是因?yàn)閺?fù)合薄膜的外層采用塑膠材料,不知道的人太用力或使用銳器觸摸可能劃傷整個(gè)觸摸屏而導(dǎo)致報(bào)廢。觸摸屏的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖觸摸屏的工作原理2）紅外線觸摸屏

紅外線觸摸屏原理紅外觸摸屏是利用X、Y方向上密布的紅外線矩陣來檢測(cè)并定位用戶的觸摸。

原理：兩個(gè)帶點(diǎn)的導(dǎo)體相互靠近會(huì)形成電容。定義：平行板電容C:正比于兩平行班相對(duì)的面積A,正比于兩導(dǎo)體之間介質(zhì)的介電常數(shù)K,反比于兩導(dǎo)體之間的相對(duì)距離D;3）電容式觸摸屏

（1）平板電容器基本原理真空介電常數(shù)（2）電容觸摸屏檢測(cè)原理當(dāng)手指觸摸在金屬層上時(shí)，由于人體電場(chǎng)，用戶和觸摸屏表面形成以一個(gè)耦合電容，對(duì)于高頻電流來說，電容是直接導(dǎo)體，會(huì)影響電路整體電容特性。簡(jiǎn)單的說就是利用人體的電流感應(yīng)進(jìn)行工作；（3）電容觸摸屏分類根據(jù)其掃描分類：自電容、互電容兩種。自電容：掃描X/Y電極與地構(gòu)成的電容。互電容：掃描X/Y電極之間的電容。（4）電容觸摸屏原理一塊四層復(fù)合玻璃屏，玻璃屏的內(nèi)表面和夾層各涂有一層ITO，最外層是一薄層矽土玻璃保護(hù)層,夾層ITO涂層作為工作面,四個(gè)角上引出四個(gè)電極，內(nèi)層ITO為屏蔽層以保證良好的工作環(huán)境。A.表面電容式-結(jié)構(gòu)當(dāng)手指觸摸在金屬層上時(shí)，由于人體電場(chǎng)，用戶和觸摸屏表面形成以一個(gè)耦合電容，對(duì)于高頻電流來說，電容是直接導(dǎo)體，于是手指從接觸點(diǎn)吸走一個(gè)很小的電流。這個(gè)電流分從觸摸屏的四角上的電極中流出并且流經(jīng)這四個(gè)電極的電流與手指到四角的距離成正比，控制器通過對(duì)這四個(gè)電流比例的精確計(jì)算，得出觸摸點(diǎn)的位置。4）表面聲波觸摸屏玻璃屏的左上角和右下角各固定了豎直和水平方向的超聲波發(fā)射換能器，右上角則固定了兩個(gè)相應(yīng)的超聲波接收換能器。玻璃屏的四個(gè)周邊則刻有呈45°角由疏到密間隔非常精密的反射條紋。當(dāng)發(fā)射換能器發(fā)射一個(gè)窄脈沖后，聲波能量歷經(jīng)不同途徑到達(dá)接收換能器，走最右邊的最早到達(dá)，走最左邊的最晚到達(dá)，早到達(dá)的和晚到達(dá)的這些聲波能量疊加成一個(gè)較寬的波形信號(hào)。電阻式觸摸屏的控制ADS7843是一個(gè)內(nèi)置12位模數(shù)轉(zhuǎn)換、低導(dǎo)通電阻模擬開關(guān)的串行接口芯片。

ADS7843控制字Bit7(MSB)Bit6Bit5Bit4Bit3Bit2Bit1Bit0SA2A1A0MODEPD1PD0S：數(shù)據(jù)傳輸起始標(biāo)志位，該位必為“1”。A2～A0通道選擇，當(dāng)A2～A0為001時(shí)，選擇Y坐標(biāo)輸入；A2～A0為101時(shí)選擇X坐標(biāo)輸入；A2～A0為010或11