檢測技術與海洋智能儀器：第14章 顯示與接口技術

1、 第14章 顯示與接口技術 鍵盤、顯示器和打印機等是儀表操作人員與智能儀表交換信息的主要手段，它們常被稱作智能儀表中的人機對話通道。打印機 HMI鍵盤顯示器LED顯示器；點陣LED字符；LCD顯示器若干按鍵的集合，完成命令的輸入 非擊打式和擊打式 14.1 鍵盤 PC機多為101/103標準鍵盤，智能儀器鍵盤沒有這么奢侈！智能儀器鍵盤是一組按鈕式開關的集合，在智能儀器中，為節(jié)省硬件開銷，通常只設置必要的按鍵，有時一鍵多義，常采用軟件來識別按鍵，所以在鍵盤的設計中要同時從硬件和軟件兩方面加以考慮。 14.1鍵盤鍵盤接口的主要步驟 識鍵譯鍵 鍵義分析 執(zhí)行 即判斷是否有鍵按下 即確認哪個鍵被按下

2、確定相應的鍵義 根據(jù)輸入鍵的要求，調(diào)用相關的程序。 在該過程中，要處理去抖、串鍵等功能 14.1.1識鍵 1獨立鍵盤 可以用微機的輸入端口直接連接，每個按鍵占用一個輸入端口，當A鍵未按下時，P1.0輸入為高電平，即“1”，當A鍵按下時，P1.0輸入為低電平，即“0”。14.1.1識鍵2.編碼健盤每按下一鍵就在A0，A1，A2輸出相應的按鍵讀數(shù)，這種編碼器稱為靜態(tài)編碼器。 按下B鍵，輸出編碼是什么？14.1.1識鍵3矩陣鍵盤 矩陣式鍵盤也是常用的輸入鍵盤，它可以節(jié)省按鍵的引出線，其識鍵方法有行掃描法和線反轉(zhuǎn)法。 這種鍵盤讀鍵程序長，采用中斷方式和CPU通信，響應速度比較快。 14.1.1 識鍵

3、CPU通過指令使所有的列線（P1.4-P1.7）設置為輸入方式，所有的行線（P1.0-P1.3）輸出為低電平（稱開放所有行）。 當鍵盤上有任一鍵按下時，該行線與列線導通，此時向CPU申請中斷，CPU響應中斷請求后，在中斷服務程序中掃描鍵盤判斷按鍵的行列值以形成鍵號值或執(zhí)行相應的功能子程序。矩陣鍵盤舉例14.1.1識鍵4防抖動處理 目前的按鍵一般都是機械式觸點的鍵盤，當按下或釋放按鍵時，由于機械式觸點的彈性作用，在按鍵閉合及斷開的瞬間會產(chǎn)生抖動現(xiàn)象。抖動時間的長短與按鍵的機械特性有關，一般會5-15ms之間，其結果是計算機會把一次按鍵看成是多次按鍵（因為計算機執(zhí)行的速度比較快），從而產(chǎn)生錯誤，一

4、般可采用軟件延時法來消除按鍵抖動。 14.1.1識鍵5同時輸入問題： 一般單片機系統(tǒng)不考慮兩鍵同時輸入，通過硬件或軟件把鍵的輸入按優(yōu)先級排隊，同時輸入時先響應優(yōu)先級別高的按鍵輸入。 課堂討論：獨立鍵盤也可以采用中斷響應，該如何連接？識鍵時為什么要軟件延時？如何實現(xiàn)？如果8051構成的單片機系統(tǒng)有十個鍵輸入，可以采用什么鍵盤？各占用多少根輸入接口線？14.1.2 譯鍵、鍵義分析 從軟件處理上看，CPU獲取按鍵信息的方法通常有二種：1.查詢法,或稱程序掃描法: 在很多智能儀器工作時，通電后先初始化，接著循環(huán)執(zhí)行程序（檢測，顯示，控制等），查詢法在其循環(huán)程序中插入查詢判斷語句，對按鍵逐個查詢，若有鍵

5、輸入執(zhí)行相應的處理程序。14.1.2譯鍵、鍵義分析1.查詢法右圖的工作過程可能存在什么問題?1.對鍵盤輸入不能及時響應2.影響主程序執(zhí)行速度14.1.2譯鍵、鍵義分析2中斷法中斷法需要占用一個外部中斷口，如圖5.4所示，在主程序中只需設置開放中斷等初始化工作，然后就執(zhí)行其他主程序，按CPU中斷工作原理，一旦有外部中斷申請，就轉(zhuǎn)入中斷子程序，在中斷子程序中進行譯鍵和鍵義分析的工作，判斷在什么情況下，是何鍵輸入，并執(zhí)行相應的子程序。14.1.2 譯鍵、鍵義分析3一鍵多義一鍵多義可以減小鍵盤，節(jié)省硬件電路例如有些儀器只有在參數(shù)設置時才需要用到數(shù)字鍵，在運行時才需要用到一些功能鍵，就可以把數(shù)字健和這些

6、功能鍵合為一個鍵，當該鍵按下時，軟件根據(jù)當前儀器運行的狀態(tài)來確定調(diào)用什么功能，例如軟件通過查詢設置鍵已按過（置內(nèi)部狀態(tài)標志位為1），目前正處在設置參數(shù)的狀態(tài)，就認為是數(shù)字鍵按下，調(diào)用數(shù)字鍵處理子程序。 14.1.2 譯鍵、鍵義分析另一種節(jié)省按鍵的方法是用三個鍵“+”、“ - ”和“確認”鍵，來設置參數(shù)值或命令，通過按“+”（或“ - ”）結合顯示數(shù)字或命令號，當操作者認可時按“確認”鍵，例如在空調(diào)遙控器和智能型微波爐中經(jīng)常采用。14.2 LED顯示器 LED是發(fā)光二極管（Light Emitting Diode）的簡稱，單個的發(fā)光二極管通常用來指示儀器的狀態(tài)， LED數(shù)碼管可以指示數(shù)值，是數(shù)字

7、式儀器儀表中用的較多的器件，此外還有點陣式LED可以顯示文字，簡單圖案等， LED的優(yōu)點是價格低，壽命長，亮度大。 14.2 LED顯示器LED顯示器的基本單元均為LED。儀器儀表中常用的小型LED的一般工作條件為：正向?qū)妷杭s為1.5V,響應時間約為1s，最大工作電流為30mA，發(fā)光強度與通過電流的大小成正比。 14.2.1七段LED數(shù)碼顯示器 七段數(shù)碼管是由七個發(fā)光二極管按段數(shù)碼形式組成的器件，有共陰極（CC，即common cathode）和共陽極（CA,即common anode）兩種 。14.2.1七段LED數(shù)碼顯示器 靜態(tài)顯示電路的最大優(yōu)點是只要送入一次數(shù)據(jù)，則顯示值一直保持不變

8、 。1.靜態(tài)顯示電路 14.2.1七段LED數(shù)碼顯示器2.動態(tài)顯示電路PA口與所有數(shù)碼管都并連，所以PC口的低四位用來選擇控制輸出哪一位。 5.2.1七段LED數(shù)碼顯示器通過8155的A口輸出顯示，而8155的C口輸出相應的位選碼，經(jīng)反相器后該位低電平有效，其余位均為高電平無效，因此該位對應的數(shù)碼管被選中，顯示出相應數(shù)值。若將各位從左到右依次進行顯示，每個數(shù)碼管連續(xù)顯示1ms，顯示完最后一位數(shù)后，再重復這個過程，這樣，由于眼睛的視覺暫留，人們看到的就好像是4位數(shù)據(jù)“同時”顯示一樣。 課堂討論：比較靜態(tài)顯示和動態(tài)顯示，各有什么優(yōu)缺點？硬件？軟件？效果？14.2.2 點陣LED顯示器 點陣LED是

9、把很多LED組合成點陣模塊 ,點陣的每個發(fā)光二極管為一個像素,以點陣格式顯示文字和圖案。145.2.2 點陣LED顯示器點陣LED因其價格低，亮度高，且能以點陣格式顯示文字和圖案，在火車站、長途汽車站及道路上常用單色點陣LED構成大屏幕，顯示公共信息 14.2.2 點陣LED顯示器電路中的行線接高電平，而列線為低電平，則對應的LED發(fā)光。在使用中需要利用人的視覺暫留效應，按從左到右的順序逐行掃描點陣LED顯示器，而從列線送出的數(shù)據(jù)（高低電平）使相應的LED發(fā)光以顯示內(nèi)容，若要改變顯示內(nèi)容，只要改變列線所送出的數(shù)據(jù)。14.3 LCD顯示器 LCD（Liquid Crystal Display）又

10、稱液晶顯示器，具有耗電低（mW/cm2）,驅(qū)動電壓低（正負幾伏），結構空間小而有效顯示面大、體薄物輕等優(yōu)點。 這里，主要討論在智能儀器儀表中應用的小型LCD。5.3.1 LCD工作原理簡述 常態(tài)下，外界光線通過上偏振片，形成偏振光，該偏振光通過液晶材料轉(zhuǎn)過90度，恰可通過下偏振片并反射因來，該點呈現(xiàn)“亮”的透明狀態(tài)。當給上下電極加上一定電壓后，在電場的作用下液晶的扭曲結構消失，其旋光作用也隨之消失，從上偏振片通過的偏振光就無法通過液晶，因此該點呈現(xiàn)“暗”的黑色。5.3.1 LCD工作原理簡述如果需要在光線不足的環(huán)境中使用液晶顯示器，則要采用背光型的LCD，如手機的顯示屏等，背光型LCD顯示器自

11、帶背景光源，即圖5.11中的反射板改為背景光源，看到的是透射光。 5.3.2 LCD應用舉例 1.段碼型LCD 每片MC14543驅(qū)動一位LCD，BCD碼輸入端與8051的P1.0P1.3相連接，P1.4P1.7則分別與每一片的LD連接，控制輸入BCD碼。 5.3.2 LCD應用舉例LCD4N07的工作電壓為36V，閾值電壓為1.5V，工作頻率為50-200Hz，為簡便，圖5.12直接用8051的P3.7口輸出100Hz的驅(qū)動方波。MC14543是MOTOROLA公司生產(chǎn)的LCD鎖存/BCD譯碼/驅(qū)動接口芯片，可以將BCD碼譯為七段顯示碼，驅(qū)動方波由PH端輸入，LD為內(nèi)部鎖存器的選通端，LD為

12、低電平時，鎖存數(shù)據(jù)，LD為高電平時，寫入數(shù)據(jù)。14.3.2 LCD應用舉例 當LCD的段數(shù)比較多時，可選用把多個段譯碼器集成在一起的芯片，如美國Telcom公司的TC7211A芯片，該芯片的主要功能和特點如下：集成了四個BCD碼輸入/七段顯示碼輸出/鎖存電路可以顯示09，E ，H，L，P，無顯示等16種字符，帶背板驅(qū)動器，可提供背板驅(qū)動信號。14.3.2 LCD應用舉例編碼時從DATA線輸出待顯示的數(shù)據(jù)，并用D1D8送出位控制線選擇顯示的是第幾位 14.3.2 LCD應用舉例2.字符點陣式LCD 字符點陣式LCD模塊集LCD控制電路與驅(qū)動器為一體，對使用者來說相當于一個可編程的顯示模塊，使用時

13、只要根據(jù)要求輸入適當?shù)目刂谱趾惋@示數(shù)據(jù)，就可以顯示內(nèi)容。14.3.2 LCD應用舉例3圖形點陣式LCD圖形點陣式液晶顯示器的整個顯示區(qū)域為統(tǒng)一的點陣，用戶可以隨意地控制每個點的明暗，通過點的組合構成圖案或漢字，字符等。顯示屏上的每一點（像素）通過控制器與顯示數(shù)據(jù)存儲器中的數(shù)據(jù)對應，一個像素對應一個二進制位，通常約定1為顯示，0為不顯示。通常LCD顯示器已集成了控制驅(qū)動電路，只要通過控制線，數(shù)據(jù)線及邏輯時序和指令表進行接口設計和邏輯編程就可以控制顯示。14.4 其它外設 14.4.1 微型打印機 自動化控制過程中需要記錄大量的的信息數(shù)據(jù)以便對生產(chǎn)過程進行分析， 因此往往需要在操作現(xiàn)場把存儲于儀器

14、中的數(shù)據(jù)打印出來，這時就需要儀器設計打印機接口電路。 14.4.1 微型打印機TPP-TF系列打印機是一種快速通用型點陣式打印機，整體體積小，重量輕，操作簡單，連接方便， 它有三種不同的打印寬度和兩種不同的接口共六種機型。 14.4.1 微型打印機型號接口字符/行（57）字符尺寸（mm）（寬高）打印速度（行/秒）快速走紙速度（行/秒）P-TF24P并口241.72.62.55.0P-TF24S串口P-TF32P并口321.32.61.93.8P-TF32S串口P-TF40P并口401.12.61.53.0P-TF40S串口TPP-TF系列打印機內(nèi)置448個打印字符，備有40條打印命令，可實現(xiàn)如

15、字符圖形放大，打印格式設置，打印方式的選擇等多種功能，并提供了硬漢字庫打印的命令，可以機內(nèi)安裝多達600個1616點陣的漢字 14.4.1 微型打印機其并行的接口符合TTL邏輯電平。 引腳號名稱功能1數(shù)據(jù)選通，上升沿時讀入數(shù)據(jù)。2-9D1-D8數(shù)據(jù)線10回答脈沖，“0”表示已接受數(shù)據(jù)并準備好接受下一數(shù)據(jù)。11BUSY“1”表示打印機正忙，不能接受數(shù)據(jù)12PE接地13SEL經(jīng)電阻接高電平15經(jīng)電阻接高電平14-17NC不接18-25GND接地14.4.1 微型打印機TPP-TF24P打印機與MCS-51單片機接口電路8051對微型打印機的控制采用查詢方式，用P1.0 檢測TPP-TF24P打印機

16、的BUSY端，當BUSY端為低電平時，表示打印機有空，可以接受下一個字符輸入。 輸數(shù)據(jù)給打印機時，打印機的地址為多少？ 14.4.1 微型打印機設待打印的數(shù)據(jù)代碼或打印命令已存放在R0，則執(zhí)行下列程序可將R0中的代碼送入打印機的鎖存器中并打印出來或執(zhí)行該代碼命令。PRINT：MOV DPTR, #7FFFH ；打印機地址LOOP: JB P1.0, LOOP ；查詢打印機是否有空， MOV A， R0 MOVX DPTR， A ；送出打印數(shù)據(jù)或打印 ；命令代碼 RET14.4.2 語音提示 智能儀器有時還利用語音提示操作者，由于數(shù)字式語音提示利用集成芯片儲存語音內(nèi)容，體積小，且調(diào)用方便，需要時

17、可以通過微機控制組合語音內(nèi)容，所以應用范圍很廣，如公共汽車報站，公共信息電話查詢，語音提示操作等。 14.4.2 語音提示語音芯片的種類很多，有放音系列的，如音樂賀年片中用的，還有“倒車請注意”音樂門鈴之類的，因為用量大，往往大批量生產(chǎn)，直接根據(jù)內(nèi)容進行選購，價格非常便宜，控制操作也十分簡單，只是通電播放，停電停止播放而已。有只能一次性燒錄的，購來后根據(jù)需要一次性的錄入所需內(nèi)容，然后就反復播放的。還有錄放音系列的，可以進行多次錄音和放音。14.4.2 語音提示以Winbond的ISD2560/75/90/120系列語音芯片為例，對錄放音語音芯片作一介紹，這個系列按錄音時間的長短分為四種，以IS

18、D2560為例，其最長錄音時間為60秒。只需外接很少的電路就可以構成一個完整的錄放音系統(tǒng)。ISD2560內(nèi)部結構框圖 14.4.2 語音提示ISD2500系列芯片有兩種控制錄放的方式 :1.地址控制錄放錄音時， =0，A0-A9送出地址（因A8A9不能全為1，所以地址范圍為000H-2FFH）并使 =0（選取該芯片），其下降沿鎖存起始地址，接著在PD端送入高電平，芯片開始錄音，錄音結束，使 =1，結束地址即被鎖存起來。放音時，則 =1，其余同上，當一段放音結束，會輸出一個低電平脈沖，可以作為工作狀態(tài)指示。ISD2500系列芯片有兩種控制錄放的方式 :1.地址控制錄放錄音時， =0，A0-A9送

19、出地址（因A8A9不能全為1，所以地址范圍為000H-2FFH）并使 =0（選取該芯片），其下降沿鎖存起始地址，接著在PD端送入高電平，芯片開始錄音，錄音結束，使 =1，結束地址即被鎖存起來。放音時，則 =1，其余同上，當一段放音結束，會輸出一個低電平脈沖，可以作為工作狀態(tài)指示。14.4.2 語音提示2.段控制錄放： 根據(jù)錄音的段數(shù)自動編號，每次從錄到放或從放到錄進行切換時指向第0段，A8A9全為1時進行段控制，這時A0-A6具有段控制功能，表5.5給出了這些功能的說明。功能兼容（可同時使用）A0=1快進搜索，禁止喇叭發(fā)聲A4，A5，A6A1=1在放音結束時清除上段 標志A3，A4，A5，A6

20、A2=0無定義，在段功能模式時，必須=0A3=1循環(huán)播放A1，A5，A6A4=1放一個 標志，當錄/放切換時能使指針復位。A0，A5，A6A5=1使 放音成為低電平控制， =1放音暫停A0，A1，A3，A4A6=1按鍵控制，簡化器件的接口A0，A1，A3，14.4.2 語音提示ISD2500系列芯片可以按4.0、5.3、6.4、8.0四種采樣頻率儲存語音，減小采樣頻率可以增加語音的儲存量，但影響聲音的質(zhì)量。采樣后的數(shù)據(jù)直接儲存，不再進行壓縮和數(shù)字化等處理，這種直接儲存模擬語音信息的方法，使得該芯片在放音時聲音十分逼真，可以儲存音樂，音調(diào)等，這是其他用數(shù)字格式儲存的芯片所沒有的。ISD2560與

21、8051的接口電路 14.4.3 觸摸屏 1電阻式觸摸屏 電阻式觸摸屏是在強化玻璃表面分別涂上兩層OTI 透明氧化金屬電層，兩層之間用細小的透明隔離點隔開。外層OTI涂層作導電體，內(nèi)層OTI涂層經(jīng)過OTI涂層經(jīng)過精密網(wǎng)絡附上橫直兩個方向的5V電壓場。當手指接觸到觸摸屏的屏幕，兩層OTI導電層之間形成一個接觸點，控制器同時監(jiān)督測電壓和電容，計算出觸摸的位置。 14.4.3 觸摸屏2.電容式觸摸屏 電容式觸控技術主要是應用人力的電流感應技術進行工作。手指觸摸到金屬層上時，人體電場、用戶和觸控屏表面形成一個耦合電容，于是手指從接觸點吸走一個很小的電流，這個電流從觸控屏四角上的電極中流出，控制器通過對這四個電流比例的精確計算，得出觸摸點的位置信息。 14.4.3 觸摸屏與電阻式觸控屏相比，電容式觸控屏表現(xiàn)出了更加良好的性能，由于輕觸就能感應，使用方便.而且手指與觸控屏的接觸幾乎沒有磨損，性能穩(wěn)定，經(jīng)機械測試使用壽命可以長達30年。多點電容式觸摸屏技術在手機、MP3、MP4播放器和汽車GPS等領域應用很廣。多點電容觸摸屏14.4.3 觸摸屏3.表面聲波觸摸屏 聲波觸摸屏可以是一塊平面、球面、柱面的玻璃平板，安裝在CRT、液晶顯示器或等離子顯示器屏幕的前面。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相應的超聲波接收換能器。玻璃屏的四個周邊則