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1、第3章 人机接口技术,在计算机控制系统中，为了实现人机对话或某种操作，需要一个人机接口（HMI-Human Machine Interface或MMI-Man Machine Interface），通过设计一个过程运行操作台（或操作面板）来实现。 由于生产过程各异，要求管理和控制的内容也不尽相同，所以操作台（面板）一般由用户根据工艺要求自行设计。 操作台（面板）的主要功能如下： 输入和修改源程序。 显示和打印中间结果及采集参数。 对某些参数进行声光报警。 启动和停止系统的的运行。 选择工作方式，如自动/手动（A/M）切换。 各种功能键的操作。 显示生产工艺流程。 为了完成上述功能，操作台一般由
2、数字键、功能键、开关、显示器和各种输入输出设备组成。,3.1 独立式键盘接口设计 3.1.1 键盘的特点及确认,键盘是计算机控制系统中不可缺少的输入设备，它是人机对话的纽带，它能实现向计算机输入数据、传送命令。 1键盘的特点 键盘实际上是一组按键开关的组合。通常，按键所用开关为机械弹性开关，均利用了机械触点的合、断作用。一个按键开关通过机械触点的断开、闭合过程，其波形如图3-1所示。,图3-1 按键抖动波形,按键的稳定闭合期长短则是由操作人员的按键动作决定的，一般为零点几秒到几秒的时间。 2按键的确认 一个按键的电路如图3-2所示。当按键S按下时，VA=0，为低电平；当按键S未按下时，VA=1
3、，为高电平。反之，当VA=0时，表示按键S按下；当VA=1时，表示按键S未按下。 键的闭合与否，反应在电压上就是呈现出高电平或低电平，如果高电平表示断开的话，那么低电平则表示闭合，所以对通过电平的高低状态的检测，便可确认按键按下与否。,3消除按键的抖动 消除按键抖动的方法有两种：硬件方法和软件方法。 （1）硬件方法 采用RC滤波消抖电路或RS双稳态消抖电路。 （2）软件方法 如果按键较多，硬件消抖将无法胜任，因此，常采用软件的方法进行消抖。 独立式按键就是各按键相互独立，每个按键各接一根输入线，一根输入线上的按键工作状态不会影响其它输入线上的工作状态。因此，通过检测输入线的电平状态可以很容易判
4、断哪个按键被按下了。 独立式按键电路配置灵活，软件结构简单。但每个按键需占用一根输入口线，在按键数量较多时，输入口浪费大，电路,3.1.2 独立式按键扩展实例,结构显得很复杂，故此种键盘适用于按键较少或操作速度较高的场合。 1采用可编程并行接口 采用8255A可编程并行输入输出接口扩展独立式按键的电路如图3-3所示。,图3-3 采用8255A扩展独立式按键,当某一键按下时，对应位为0，用位检测可以识别按键的工作状态。 2采用三态缓冲器 采用74HC245三态缓冲器扩展独立式按键的电路如图3-4所示。,图3-4 采用74HC245扩展独立式按键,在图3-4中，KEYCS为读键值口地址。按键S1S
5、8的键值为00H07H，如果这八个按键均为功能键，为简化程序设计，可采用散转程序设计方法。 假设背景机为MCS51及其兼容单片微控制器，则程序设计如下：,3.2 矩阵式键盘接口设计,矩阵式键盘适用于按键数量较多的场合，它由行线和列线组成，按键位于行、列的交叉点上。如图3-5所示，一个44的行、列结构可以构成一个含有16个按键的键盘。很明显，在按键数量较多的场合，矩阵键盘与独立式按键键盘相比，要节省很多的I/O口。,图3-5 矩阵式键盘结构,按键设置在行、列线交点上，行、列线分别连接到按键开关的两端，行线通过上拉电阻接到+5V上。平时无按键动作时，行线处于高电平状态，而当有按键按下时，行线电平状
6、态将由与此行线相连的列线电平决定。列线电平如果为低，则行线电平为低；列线电平如果为高，则行线电平亦为高。 矩阵式键盘结构如图3-5所示。 矩阵键盘按键的识别方法，此方法分两步进行： 第一步，识别键盘有无键被按下； 第二步，如果有键被按下，识别出具体的按键。 识别键盘有无键被按下的方法是：让所有行线均置为0电平，检查各列线电平是否有变化，如果有变化，则说明有键被按下，如果没有变化，则说明无键被按下。（实际编程时应考虑按键抖动的影响，通常总是采用软件延时的方法进行消抖处理。）,3.2.1 矩阵键盘工作原理,3.2.2 按键的识别方法,识别具体按键的方法是（亦称之为扫描法）：逐行置零电平，其余各行置
7、为高电平，检查各列线电平的变化，如某列电平由高电平变为零电平，则可确定此行此列交叉点处的按键被按下。 对于独立式按键键盘，由于按键的数目较少，可根据实际需要灵活编码。 对于矩阵式键盘，按键的位置由行号和列号唯一确定，所以分别对行号和列号进行二进制编码，然后将两值合成一个字符，高4位是行号，低4位是列号，这将是非常直观的。如12H表示第1行第2列的按键，而A3H则表示第10行第3列的按键等等。,3.2.3 键盘的编码,3.3 显示技术的发展及其特点 3.3.1 显示技术的发展 20世纪是信息大爆炸的时代。19601990年信息的平均年增长率为20%，到2020年将达到每两个半月翻一番的惊人速度。
8、大量的信息通过“信息高速公路”传送着，要将这些信息传送给人们必然要有一个下载的工具，即接口的终端。 研究表明，在人们经各种感觉器官从外界获得的信息中，视觉占60%，听觉占20%，触觉占15%，味觉占3%，嗅觉占2%。可见，近2/3的信息是通过眼睛获得的。所以图像显示成为信息显示中的最重要的方式。 进入20世纪以来，显示技术作为人机联系和信息展示的窗口已应用于娱乐、工业、军事、交通、教育、航空航天、卫星遥感和医疗等各个方面，显示产业已经成为电子信息工业的一大支柱产业。在我国，显示技术及相关产业的产品占信息产业总产值的45%左右。,电子显示器可分为主动发光型和非主动发光型两大类。前者是利用信息来调
9、制各像素的发光亮度和颜色，进行直接显示；后者本身不发光，而是利用信息调制外光源而使其达到显示的目的。 显示器件的分类有各种方式，按显示内容、形状可分为数码、字符、轨迹、图表、图形和图像显示器；按所用显示材料可分为固体（晶体和非晶体）、液体、气体、等离子体和液晶体显示器。 但是最常见的是按显示原理分类，其主要类型有： 发光二极管（LED）显示 液晶显示（LCD） 阴极射线管（CRT）显示 等离子显示板（PDP）显示 电致发光显示（ELD）,有机发光二极管（OLED）显示 真空荧光管显示（VFD） 场发射显示（FED） 只有LCD是非主动发光显示，其它皆为主动发光显示。 3.3.2 显示器件的主要
10、参数 1亮度 亮度（L）的单位是坎德拉每平方米（cd/m2）。对画面亮度的要求与环境光强度有关，例如，在电影院中，电影亮度有3045cd/m2就可以了；在室内看电视，要求显示器画面亮度应大于70cd/m2；在室外观看则要求画面亮度达到300cd/m2。所以对高质量显示器亮度的要求应为300 cd/m2左右。 2对比度和灰度 对比度（C）是指画面上最大亮度（Lmax）和最小亮度,（Lmin）之比，即： 3分辨力 分辨力是指能够分辨出电视图像的最小细节的能力，是人眼观察图像清晰程度的标志，通常用屏面上能够分辨出的明暗交替线条的总数来表示，而对于用矩阵显示的平板显示器常用电极线数目表示其分辨力。 4
11、响应时间和余辉时间 响应时间是指从施加电压到出现图像显示的时间，又称上升时间。从切断电源到图像显示消失的时间称为下降时间，又称余辉时间。 5显示色 发光型显示器件发光的颜色和非发光型显示器件透射或反射光的颜色称作显示色。显示色分为黑白、单色、多色和全色四大类。,6发光效率 发光效率是发光型显示器件所发出的光通量与器件所消耗功率之比，单位为流明每瓦（lm/W）。 7工作电压与消耗电流 驱动显示器件所施加的电压为工作电压（V），流过的电流称为消耗电流（A）。工作电压与消耗电流的乘积就是显示器件的消耗功率。外加电压有交流电压与直流电压之分，如LCD必须用交流供电，而OLED、LED等则用直流供电。
12、在计算机控制系统中，常用的显示器有：发光二极管（LED）显示器，液晶显示器（LCD），阴极射线管（CRT）显示器。根据不同的应用场合及需要，选择不同的显示器。,3.4 LED显示器接口设计,发光二极管（Light Emitting Diode, LED）是一种电光转换型器件，是PN结结构。在PN结上加正向电压，产生少子注入，少子在传输过程中不断扩散，不断复合而发光。改变所采用的半导体材料，就能得到不同波长的发光颜色。 Losev于1923年发现了SiC中偶然形成的PN结中的发光现象。 早期开发的为普通型LED，是中、低亮度的红、橙、黄、绿LED，已获广泛使用。近期开发的为新型LED是指蓝光LE
13、D和高亮度、超高亮度LED。 LED的主要优点： 主动发光，一般产品亮度1cd/m2，高的可达10cd/m2； 工作电压低，约为2V；,由于是正向偏置工作，因此性能稳定，工作温度范围宽，寿命长(105h)； 响应速度快。对于直接复合型材料为16160MHz；对于间接复合材料为105106Hz； 尺寸小。一般LED的PN结芯片面积为0.3mm2。用于通信的LED芯片面积只有发可见光的LED芯片面积的1/50。 LED的主要缺点是电流大，功耗大。 LED数码显示器是由发光二极管组成的，分为共阴极和共阳极两种，其结构如图3-7所示。 图3-7a为共阴极接法，图3-7b为共阳极接法。 LED数码显示器
14、的外形图如图3-8所示。,3.4.1 LED显示器的结构,COM,COM,图3-7 LED显示器结构图,g,a,b,c,d,e,f,dp,图3-8 LED显示器外形图,在图3-8中，每一段与数据线的对应关系如下。 共阴极和共阳极LED数码显示器的字模如表3-2所示。,表3-2 LED显示器字模表,3.4.2 LED显示器的扫描方式 LED显示器为电流型器件，有两种显示扫描方式。 1静态显示扫描方式 （1）显示电路 每一位LED显示器占用一个控制电路，如图3-9所示。,图3-9 静态扫描显示,（2）程序设计 被显示的数据（一位BCD码或字模）写入相应口地址（CS0CSn）。 2动态显示扫描方式
15、（1）显示电路 所有LED显示器共用ag、dp段，如图3-10所示。,图3-10 动态扫描显示,（2）程序设计 以六位LED显示器为例，设计方法如下。 设置显示缓冲区，被显示的数放于对应单元。 设置显示位数计数器DISPCNT，表示现在显示哪一位。 DISPCNT初值为00H，表示在最低位。每更新一位显示其内容加1，当加到06H时，回到初值00H。 设置位驱动计数器DRVCNT 初值为01H，对应最低位。 某位为0，禁止显示；某位为1，允许显示。, 确定口地址 段驱动口地址：CS0 位驱动口地址：CS1 建立字模表, 显示程序流程图 显示程序流程图如图3-11所示。,关显示,根据DISPCNT
16、的内容从DISPBF 开始的单元中取被显示的数,从SEGTB中查表取字模,送CS0口,位驱动计数器DRVCNT 内容送CS1口,位驱动计数器DRVCNT内容左移一位,显示位数计数器DISPCNT内容加1,(DISPCNT)=00H (DRVCNT)=01H,RET,Y,N,（DISPCNT）=06H?,图3-11 显示程序流程图,3.5 段型LCD显示器接口设计 3.5.1 LCD的发展过程,1888年奥地利植物学家F.Reinetzer首先观察到液晶现象。 它在测定有机物熔点时，发现某些有机物熔化后会经历一个不透明浑浊的液态阶段，继续加热，才成为透明的各向异性液态。 1889年，德国物理学家O.Lehmann观察到同样的现象，并发现呈浑浊状液体的中间具有和晶体相似的性质，故称为“液晶”。这是世界上首次被发现的一种热致液晶：胆甾醇苯甲酸脂，在6015的温度下呈乳白色粘状液体。由于历史条件所限，当时并没有引起很大重视，只是把液晶用在压力和温度的指示器上。 现在，液晶已形成
