單片機(jī)中人機(jī)接口

4.3人機(jī)接口的設(shè)計(jì)

單片機(jī)基礎(chǔ)知識與科技創(chuàng)新

智能裝置通過人機(jī)接口與系統(tǒng)操作者進(jìn)行信息交換和傳輸。人機(jī)接口由輸入、輸出設(shè)備和相應(yīng)的連接與控制硬、軟件組成，在實(shí)現(xiàn)最基本的信息交換功能的同時(shí)，人機(jī)接口在很大程度上也決定了測控儀器的可操作性和外觀性能，其相關(guān)的程序通常是測控儀器監(jiān)控程序的主體。人機(jī)接口的設(shè)計(jì)OUTLINE一、開關(guān)及接口二、按鍵、鍵盤及接口三、LED顯示器及接口四、液晶顯示器(LCD)及其接口

一、開關(guān)及接口

開關(guān)在智能裝置中被用來設(shè)置工作狀態(tài)和命令，以便選擇不同的功能。開關(guān)只有“斷開”與“閉合”兩種穩(wěn)定（由機(jī)械保證）的.下圖為一些常用開關(guān)的例子。1.開關(guān)的基本形式

一、開關(guān)及接口1.開關(guān)的基本形式通過簡單的電路可將這兩種狀態(tài)轉(zhuǎn)換為邏輯電平的“0”與“1”，從而在接口電路的控制下被CPU所檢測。圖1是一個(gè)簡單的開關(guān)接口電路，開關(guān)的狀態(tài)直接與I/O端口連接。圖2的一些開關(guān)的狀態(tài)則通過三態(tài)緩沖器再與微機(jī)的總線相連接。

一、開關(guān)及接口2.互鎖式開關(guān)

互鎖式開關(guān)是多個(gè)開關(guān)的組合，任何時(shí)刻僅僅只有一個(gè)開關(guān)閉合或全部斷開，按動(dòng)某一開關(guān)閉合時(shí)，則互鎖作用將使原處于閉合的開關(guān)斷開?；ユi式開關(guān)的外部結(jié)構(gòu)通常為琴鍵式或波段旋鈕式的結(jié)構(gòu)，前者可自由地從一個(gè)位置切換到另一個(gè)位置;而后者則只能按旋轉(zhuǎn)方向順序選擇，且有暫態(tài)選擇輸出，在軟件處理上應(yīng)加以注意?；ユi式開關(guān)多用于不同功能的選擇。圖3所示的是互鎖式開關(guān)的一個(gè)應(yīng)用實(shí)例。

一、開關(guān)及接口3.數(shù)字撥碼盤數(shù)字撥碼盤是一種數(shù)據(jù)輸入器件，其外型如圖4(a)所示，在圓形輪盤上標(biāo)有0～9十個(gè)數(shù)字;按動(dòng)一次“+”按鈕，輪盤轉(zhuǎn)動(dòng)，數(shù)字加1，按動(dòng)一次“-”按鈕則數(shù)字減1;數(shù)字撥碼盤的內(nèi)部是一個(gè)8、4、2、1碼的四位組合開關(guān)，其電路可等效為圖4(b)所示的四位開關(guān)組合，但開關(guān)的閉合狀態(tài)則以BCD碼對應(yīng)于輪盤所顯示的數(shù)字。BCD撥碼盤在圖4(b)中，若以1表示開關(guān)閉合，0表示斷開，則撥出數(shù)字5所對應(yīng)的開關(guān)S3、S2、S1、S0輸出為0101.二、按鍵、鍵盤及接口按鍵具有“斷開”和“閉合”兩種狀態(tài)，通過接口電路對應(yīng)于0和1兩個(gè)邏輯電平;按鍵的“閉合”是暫態(tài)，無保持作用,當(dāng)操作者停止按壓時(shí)，按鍵即恢復(fù)到“斷開”狀態(tài)，因此，按鍵適用于連續(xù)快速的輸入操作。按鍵通常與輸出顯示配合使用，利用顯示輸出對按鍵操作給予反饋。另外，按鍵則是在操作中輸入的（動(dòng)態(tài)），因此，按鍵需解決抖動(dòng)和單次鍵入的問題，以協(xié)調(diào)操作的機(jī)械過程慢與CPU讀入判斷過程快之間的矛盾。1、按鍵及其接口按鍵鍵盤鍵盤鍵盤二、按鍵、鍵盤及接口⑴.按鍵的去抖動(dòng)

按鍵從最初按下到穩(wěn)定接觸要經(jīng)過數(shù)毫秒的抖動(dòng)過程，按鍵松開時(shí)也存在同樣的問題，如圖5所示。對于高速運(yùn)行的微機(jī)系統(tǒng)，這數(shù)毫秒的抖動(dòng)將引起多次讀數(shù)的誤動(dòng)作，因此，按鍵必須進(jìn)行去抖動(dòng)處理，去抖動(dòng)通常有硬件（互鎖）和軟件（延時(shí)）兩種方案?，F(xiàn)在基本都用軟件方法。1、按鍵及其接口二、按鍵、鍵盤及接口⑵.按鍵的單次鍵入:

操作者按下鍵、觀察到系統(tǒng)響應(yīng)、再松開按鍵的一次按鍵操作過程的時(shí)間量為秒級，會造成按鍵單次鍵入而CPU卻多次響應(yīng)的問題。通常仍采用軟件的方法來解決按鍵單次鍵入的問題，即當(dāng)CPU測得按鍵按下的信號時(shí)，不立即轉(zhuǎn)入處理程序，而是反復(fù)檢測按鍵的狀態(tài)，直到按鍵被松開才認(rèn)為一次按鍵操作有效。圖7和圖8分別為軟件方式去抖動(dòng)示意圖和按鍵單次鍵入的程序流程圖。1、按鍵及其接口二、按鍵、鍵盤及接口⑶.串鍵處理當(dāng)多個(gè)按鍵并列使用時(shí)，因操作因素可能將雙鍵或多鍵同時(shí)按下，此時(shí)程序應(yīng)考慮對串鍵的處理。方法:采用雙鍵鎖定的原則，即串鍵時(shí)不判斷鍵值，只到按著僅剩的一個(gè)鍵時(shí)，才判斷鍵值。⑷.按鍵接口的工作形式

對按鍵的處理應(yīng)具有實(shí)時(shí)性，CPU處理按鍵的方式可采用中斷或定時(shí)查詢的方式。1、按鍵及其接口二、按鍵、鍵盤及接口⑴.矩陣式鍵盤矩陣式鍵盤又稱行列式鍵盤，在結(jié)構(gòu)上由m行n列的線構(gòu)成矩陣，在每個(gè)行、列線的空間交叉接點(diǎn)上可跨接一個(gè)按鍵，則構(gòu)成m×n個(gè)按鍵的鍵盤。按壓鍵判斷是矩陣式鍵盤的中心問題，通?？刹捎弥鹦袙呙璺ㄐ邪磯烘I的判斷。1、按鍵及其接口

⑵.逐行掃描法右上圖所示的是4×4鍵盤與MCS-51單片機(jī)P1口的接口電路，設(shè)P1.0～P1.3為行輸出口線，P1.4～P1.7為列輸入口線(說明:對于矩陣式鍵盤，行、列只是個(gè)相對概念，但為了與“逐行掃描法”的名稱對應(yīng)，我們固定稱掃描輸出為行、狀態(tài)輸入為列)三、LED顯示器及接口

下圖為最常見的七段數(shù)碼顯示器的示意圖，顯示器主體由七個(gè)條形LED（發(fā)光二極管）組成，分別被稱做a、b、c、d、e、f、g七段，點(diǎn)亮不同的段，可組成數(shù)字0～9和一些英文字母及特殊的符號。一般在右下角還有一圓形LED用于顯示小數(shù)點(diǎn)，稱做dp段（共8段）。在實(shí)際應(yīng)用中，顯示器的每一段都應(yīng)接一限流電阻，以保護(hù)各段對應(yīng)的LED，限流電阻阻值R可按如下公式計(jì)算:Vcc為接入顯示器的驅(qū)動(dòng)電壓；Vd、Id分別是段LED的壓降和工作電流。R取值以適中最好，過大則顯示器亮度不足;過小則Id過大，LED進(jìn)入發(fā)光的飽和區(qū)，亮度提高不大卻降低了器件的使用壽命。一般每段10mA左右。

1.LED數(shù)碼顯示器三、LED顯示器及接口

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分類：一般，高亮，超高亮；（現(xiàn)用得較多的是高亮。）

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在選用LED數(shù)碼顯示器時(shí)，有共陰、共陽的極性選擇；（如下圖）

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還有器件幾何尺寸的選擇，如0.5”、0.3”、1”等；不同尺寸器件的引腳排列區(qū)別很大；如下圖

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超大尺寸顯示器內(nèi)的一段是由多個(gè)LED共同組成的，要求的驅(qū)動(dòng)電壓較高。

1.LED顯示器公共陽極hgfedcbaabcdgefh公共陰極hgfedcbaabcdgefhhgf……ahgf……a高電平點(diǎn)亮低電平點(diǎn)亮接高電平接地三、LED顯示器及接口

①.數(shù)碼顯示器的段譯碼為了在七段顯示器上顯示數(shù)字或字符，需要將數(shù)字或符號轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的顯示器的LED段碼，這一過程稱段譯碼。段譯碼有硬件譯碼和軟件譯碼兩種方法。

●硬件譯碼:例如CD4511：輸入BCD碼，輸出段碼；

●軟件譯碼:查表：數(shù)字\符號——段碼字；（PC機(jī)字庫）2、LED數(shù)碼顯示器與CPU的接口字形0123456789黑共陽0C00F90A40B09992820F880900FF共陰3F065B4F666D7D077F6F00軟件譯碼三、LED顯示器及接口

②.顯示器的驅(qū)動(dòng)形式分為靜態(tài)驅(qū)動(dòng)和動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)兩種形式?！耢o態(tài)驅(qū)動(dòng)：見圖16,是一個(gè)鎖存器（可硬譯碼、也可軟譯碼）對應(yīng)一位顯示器的接口形式.只要將顯示信息送入鎖存器中，顯示器就將持續(xù)顯示該信息，顯示亮度易于保證，軟件編程也只是外設(shè)的寫操作。2、LED數(shù)碼顯示器與CPU的接口缺點(diǎn):當(dāng)顯示器位數(shù)較多時(shí)，需要較多的鎖存器、限流電阻等硬件，不但成本高，功耗也大。三、LED顯示器及接口●

動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)：當(dāng)顯示器位數(shù)較多時(shí)，宜采用動(dòng)態(tài)顯示驅(qū)動(dòng)方式。動(dòng)態(tài)顯示的原理是利用人生理上的視覺殘留現(xiàn)象，使各顯示器輪流通電點(diǎn)亮，當(dāng)每個(gè)顯示器點(diǎn)亮的通電頻率在50Hz以上時(shí)，人眼就不會感到顯示器的閃動(dòng)了。如圖:通過控制兩鎖存器的內(nèi)容按一定時(shí)序循環(huán)，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)顯示。2、LED數(shù)碼顯示器與CPU的接口上拉電阻×14+5V共陰數(shù)碼管P1.5P1.4P1.3P1.2P1.2P1.0P0.7P0.6P0.5P0.4P0.3P0.2P0.1P0.07406OC門X3AT89C51位選線段代碼四、液晶顯示器(LCD)及其接口

液晶顯示器(LCD)是一種功耗極低、體積小、重量輕的顯示器件，是袖珍儀表和低功耗系統(tǒng)中的首選器件。隨著制造技術(shù)的發(fā)展，液晶顯示器的性能價(jià)格比不斷提高，在智能儀表中的應(yīng)用日益廣泛。

四、液晶顯示器(LCD)及其接口

平板型LCD是將液晶材料封裝在上、下導(dǎo)電玻璃之間，液晶分子平行排列，上、下扭90°。當(dāng)外部入射光線通過上偏振片向后形成偏振光，該偏振光通過平行排列的液晶材料后被旋轉(zhuǎn)90°，再通過與上偏振片垂直的下偏振片，被反射板反射回來，呈透明狀態(tài)；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