人機交互接口技術

第三章人機交互接口技術本章要點：鍵盤接口技術

LED顯示接口技術

LCD顯示接口技術3.1鍵盤接口技術3.1鍵盤接口技術3.1.1鍵盤設計需解決的幾個問題鍵盤是若干按鍵的集合,是向系統(tǒng)提供操作人員干預命令及數據的接口設備.鍵盤可分為編碼鍵盤和非編碼鍵盤.非編碼鍵盤應用廣泛.鍵盤設計時必須解決以下問題:⑴按鍵的確認鍵的閉合與否,取決于機械彈性開關的通,斷狀態(tài).反應在電壓上呈現(xiàn)出高電平或低電平.通過檢測電平狀態(tài),便可確定相應按鍵是否已被按下.

(2)重鍵與連擊的處理若無意中同時或先后按下兩個以上的鍵,系統(tǒng)確認哪個鍵操作是有效的,完全由設計者的意志決定.(3)按鍵防抖動技術由于機械觸點的彈性作用,一個按鍵開關在閉合及斷開的瞬間必然伴隨有一連串的抖動.為使CPU對一次按鍵動作只確認一次,必須排除抖動的影響,有以下方法:

硬件防抖技術:①濾波防抖電路②雙穩(wěn)態(tài)防抖電路軟件防抖方法:

當鍵的個數比較多時,可以采用軟件的方法進行防抖.當第一次檢測到有鍵按下時,先用軟件延時,再確認該鍵電平是否仍維持閉合狀態(tài)電路.3.1.2少量功能鍵的接口技術1獨立式按鍵接口對于具有少量功能鍵的系統(tǒng),多采用相互獨立的接口方法,即每個按鍵接一根輸入線,各鍵的工作方式互不影響.采用硬件中斷或軟件查詢方法均可實現(xiàn)其鍵盤接口.設某系統(tǒng)需用8個功能鍵,采用中斷方式接口的硬件電路圖,如下:2功能開關接口對于一些重要的數據和功能,常采用設定靜態(tài)開關的辦法實現(xiàn)這些功能和數據.功能開關的狀態(tài)決定系統(tǒng)當前的工作環(huán)境.在單片機系統(tǒng)中,常通過設定開關的狀態(tài)執(zhí)行相應的功能模塊,以便完成不同的功能.下為8個拔端開關與單片機的接口電路圖.3.1.3矩陣鍵盤的接口技術矩陣式鍵盤常用在按鍵數目比較多的系統(tǒng)之中.矩陣鍵盤可分為兩大類:非編碼鍵盤和編碼鍵盤.①編碼鍵盤內部設有鍵盤編碼,被按下鍵的鍵號由編碼器直接給出,同時,具有防抖和解決重鍵等功能.②非編碼鍵盤常采用軟件的方法,逐行逐列檢查鍵盤狀態(tài),當發(fā)現(xiàn)有鍵按下時,用計算或查表的方式得到該鍵的鍵值.鍵盤矩陣與計算機的連接,應用最多的方法是采用I/O接口芯片,有時也可用鎖存器.鍵盤處理程序的關鍵是識別鍵碼,計算機對鍵盤控制的方法是“掃描”.根據計算機進行掃描的方法可分為程控掃描法和中斷掃描法.1程控掃描法所謂鍵譯碼就是找出每個鍵的鍵值,在根據鍵值確定是功能鍵還是數字鍵,并分別進行處理.程控掃描法是由程序控制鍵掃描的方法.程控掃描的任務是:(1)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,然后從端口讀入.若沒有鍵按下,則讀入值為FFH,若有鍵按下,則不為FFH.(2)去除鍵抖動.若有鍵按下,則延遲一段時間,之后再一次判斷有無鍵按下.(3)若有鍵閉合,則求出閉合鍵的鍵值.求鍵值的方法是對鍵盤逐行掃描.

鍵盤逐行掃描原理：先使第一行輸出為低電平，然后讀入列值，看其是否等于FFH。若等于FFH，說明該行無鍵按下。再對下行掃描，再讀入列值，若列值不為FFH，則說明有鍵按下，求出其鍵值。

計算鍵值要采用行列兩個寄存器。每掃描一行后，如無鍵按下，則行值寄存器加08H，若有則行值寄存器保持原值，并轉到相應的列值。此時，先將列值讀數右移，每移位一次列值寄存器加1，直到有鍵按下為止。最后，將列值和行值相加，即得鍵值。(4)為保證鍵每閉合一次,CPU只做一次處理,程序中需等閉合鍵釋放后才對其進行處理.下為4×8矩陣組成的32鍵盤與單片機的接口電路.

2定時掃描法定時掃描方式是CPU每隔一定時間對鍵盤掃描一遍.當發(fā)現(xiàn)有鍵被按下時,便進行讀入鍵的操作,以求出鍵值,并分別進行處理.定時時間由單片機內部的定時/計數器產生.當定時時間到期時,定時器自動輸出一脈沖信號,使CPU轉去執(zhí)行掃描程序.注意:采用定時掃描法時,必須在其初始化程序中,對定時器寫入相應的命令,使之能產生中斷,從而完成掃描任務.3中斷掃描法為節(jié)省機時,可以采用中斷掃描法.該法實質:當沒有鍵操作時,CPU不對鍵盤進行掃描,以節(jié)省大量時間對系統(tǒng)進行監(jiān)控和數據處理.一旦有鍵盤輸入,即刻向CPU申請中斷.CPU響應中斷后,立刻轉到相應的中斷服務程序,對鍵盤進行掃描,判別鍵盤閉合鍵的鍵號,并作出相應的處理.掃描方法與程控掃描法相同.不同之處僅在于中斷掃描法僅在有鍵入操作時才對鍵盤掃描.若無鍵按下,CPU執(zhí)行主程序或處理其他事務.這樣可節(jié)省大量的空掃描時間,提高計算機的工作效率.下為用中斷掃描方式硬件接線圖.4串行接口非編碼鍵盤3.1.4鍵盤特殊功能的處理1鍵盤鎖定技術在計算機控制系統(tǒng)或智能化儀器中,有時為了防止無意按鍵給系統(tǒng)帶來破壞性的影響,常常在鍵盤上加鎖.鍵盤鎖定的常用方法:①設置一個標志狀態(tài)位,使鍵盤在進行掃描之前,先對標志狀態(tài)位進行分析.②將“鎖”加在鍵值鎖存器的控制信號上,通過改變控制信號的狀態(tài)來控制鍵盤的“鎖定”或“打開”.下為狀態(tài)鎖定法的原理圖:下圖中僅把74LS244原來由P2.7控制的1G改由“鎖”和P2.7聯(lián)合進行控制.2雙功能鍵和多功能鍵的設計為節(jié)省功能鍵的數目,常采用雙功能鍵或多功能鍵.可以采用設置上/下?lián)蹰_關的措施構成雙功能鍵.雙擋鍵程序設計中有兩種處理方法:一種是根據上,下?lián)醯奈恢?賦予同一個鍵兩個不同的鍵值,根據不同的鍵值轉到相應的功能鍵入口子程序;另一種方法是每個功能鍵只賦予一個鍵值,但在轉到功能鍵處理程序之前,要根據上/下?lián)蹑I標志進行判斷,分別轉到相應的處理程序.使少量鍵有更多功能的另一方法是采用復合鍵,即將兩個或兩個以上的鍵聯(lián)合.下圖所示為雙功能鍵設計原理圖.3.2紅外遙控鍵盤接口技術紅外遙控特點:不易影響臨近的無線電設備和其他設備,也不易受到其他電磁波的干擾.通信可靠性高對環(huán)境影響小,具有很強的隱蔽性和保密性.傳送距離近3.2.1紅外發(fā)射電路(NB9148)1NB9148組成：2NB9148發(fā)射命令格式NB9148發(fā)射命令由12位數據碼組成：C1C2C3HS1S2K1K2K3K4K5K6用戶碼連發(fā)/單發(fā)碼數據碼C1~C3是用戶碼，用來確定不同的模式。C1和C2的組合用于與接收電路NB9149相配合。H、S1和S2是代碼連續(xù)發(fā)送或單次發(fā)送的碼。K1~K6是發(fā)送的數據碼。3時序設計和波形分析3.2.2紅外接收電路（NB9149/9150）1NB9149/9150組成：接收信號輸入電路振蕩電路3.2.3紅外遙控鍵盤系統(tǒng)的設計功能:對輸入控制指令進行編碼,產生遙控編碼脈沖,再驅動紅外發(fā)射管輸出紅外遙控信號.功能:接收紅外遙控指令信號并將其放大、檢波、整形、解調出編碼脈沖。紅外線多路發(fā)射電路紅外接收電路3.2.4簡單紅外遙控鍵盤系統(tǒng)的設計紅外遙控發(fā)射原理電路紅外遙控接收原理電路3.3LED顯示接口設計常用的顯示器件有:顯示和記錄儀表:能連續(xù)進行顯示和記錄.但價格較貴,讀數不便.只適用于企業(yè)的技術改造,在新設計的微型計算機控制系統(tǒng)中不宜采用.CRT顯示終端:直觀靈活,可以顯示數字,也可顯示畫面及報表.是目前微型計算機控制系統(tǒng)中最常用的顯示設備.但隨著技術的發(fā)展,在DDC,SCC,DCS控制系統(tǒng)中,大多采用CRT操作臺進行監(jiān)視和控制.但由于價格較貴,多用于大,中型控制系統(tǒng)中.LED或LCD顯示器:LED數碼管由于結構簡單.體積小,功耗低,響應速度快等優(yōu)點,廣泛應用于微型計算機控制系統(tǒng)及智能化儀表中.LCD以其功耗極低的特點,從袖珍儀表到便攜式微型計算機中廣泛采用.在一些單片機系統(tǒng)中主要采用LED和LCD進行顯示.大屏幕顯示器:顯示清晰,視覺范圍廣等優(yōu)點,廣泛用在車站,碼頭,大型生產裝置的現(xiàn)場顯示.3.3.1LED數碼管的結構及顯示原理1LED顯示器的結構及原理LED數碼管是由發(fā)光二極管組成,由于材料的不同,可發(fā)出各種單色光.發(fā)光二極管有多種組成形式,其中以7段數碼管應用最多.其次為“米”字型數碼管.根據顯示塊內部發(fā)光二極管的連接形式不同,又有共陰極和共陽極兩種形式.由微型計算機發(fā)出的顯示控制信號必須經過驅動電路才能使顯示器正常工作.現(xiàn)已經生產出集成電路驅動器,以及帶有譯碼功能的多功能芯片.使用不同“段”的二極管發(fā)光即可構成不同的字母或數字.2LED數碼管的顯示方法①動態(tài)顯示動態(tài)顯示就是微型計算機定時地對顯示器掃描.在這種顯示方法中,顯示器分時工作,每次只能有一個器件顯示.但由于人的視覺有暫留現(xiàn)象,所以仍感覺所有器件都在顯示.特點:硬件少,價格低,線路簡單.但占用機時長,只要微型計算機不執(zhí)行程序,就立刻停止顯示.②靜態(tài)顯示靜態(tài)顯示,是由微型計算機一次輸出顯示模型后,就能保持該顯示結果,直到下次發(fā)送新的顯示模型為止.特點:顯示占用機時少,顯示可靠,在工業(yè)過程控制中得到廣泛的應用.但使用元件多,且線路較復雜.但隨著大規(guī)模集成電路的發(fā)展,目前已經研制出具有多種功能的顯示器件.3.3.2LED動態(tài)顯示接口技術動態(tài)顯示法按單片機輸出數據的方式有并行和串行兩種接口方式.1并行接口動態(tài)顯示電路及程序設計圖中用8155的PA口輸出顯示碼,PB口輸出位選碼.利用軟件譯碼的方法求出待顯示的數所對應的7段顯示碼,由PA口輸出.到底哪一位數碼管顯示,主要取決于位選碼.當位選信號PBi=1時,對應位上的選中段才發(fā)光.74LS07為6位驅動器,它為LED提供一定的驅動電流.74LS52內部包含兩個緩沖器/驅動器,它們各有兩個輸入端.根據上圖可寫出動態(tài)顯示子程序:ORG3000HDISPLY:MOVR0,#30HMOVR2,#20HDISPY1:MOVA,@R0MOVDPTR,#SEGTBLMOVCA,@A+DPTRMOVDPTR,#0FD01HMOV@DPTR,AMOVA,R2INCDPTRMOV@DPTR,AACALLD1MSMOVA,R2JNBACC.0,DISPY2RETDISPY2:INCR0MOVA,R2RRAMOVR2,AAJMPDISPY1DIMS:MOVR3,#7DHDL1:NOPNOPDJNZR3,DL1RETSEGTBL:DB3FHDB06HDB5BH……2串行接口的動態(tài)顯示電路及程序設計利用單片機內部的串行接口實現(xiàn)動態(tài)顯示及鍵盤處理,可節(jié)省單片機的并行接口資源,且在大多數不使用串行接口的情況下,可免去(或減少)擴展接口.在這種設計方法中,串行口工作于方式0,數據的輸入輸出都通過引腳RXD實現(xiàn),移位脈沖則由TXD發(fā)出.每次傳送一個字節(jié)數據.每輸出一個字節(jié)數據,單片機自動使串行中斷請求標志TI置位.該方法的最大缺點是一旦計算機不執(zhí)行顯示程序,則顯示立即停止.因此,為維持顯示,要占用計算機很多時間.下圖為串行接口的動態(tài)顯示電路74LS164是串行輸入并行輸出的移位寄存器.具有兩個串行輸入端和8位并行輸出端.兩個串行輸入端具有允許和禁止的功能.當被顯示數據從RXD端輸出到移位寄存器74LS164的輸入端時,74LS164將串行數據轉換成8位輸出碼QA~QH,然后由驅動器74LS07加到6位共陰極LED數碼管顯示器上.設顯示緩沖區(qū)地址為50H~55H,根據上述顯示原理,寫出6位串行動態(tài)顯示程序:ORG8000HDISPLY:MOVR0,#50HMOVR1,#01HLOOP:MOVP1,R1MOVA,@R0ADDA,#12HMOVCA,@A+PCMOVSBUF,AMOVR3,#02HDL0:MOVR4,#0FFHDL1:DJNZR4,DL1DJNZR3,DL0INCR0MOVA,R1RLAMOVR1,AJNBACC.6,LOOPRETSEGTABDB3FH,06H,5BHDB3FH,66H,6DH……3.3.3LED靜態(tài)顯示接口技術

1并行接口靜態(tài)顯示電路及程序設計

該顯示電路中的74LS244為總線驅動器.6位數字共用同一組總線.每個LED顯示器均配有一個鎖存器(74LS377).當被顯示的數據由MOVX指令從P0口經74LS244傳送到各鎖存器的輸入端后,由地址譯碼器74LS138各輸出位的狀態(tài)決定哪一個鎖存器被選通.2串行口靜態(tài)顯示電路及程序設計3.3.4硬件譯碼顯示電路硬件譯碼是用硬件譯碼器代替軟件求得顯示代碼.特點:節(jié)省機時,程序設計簡單.只要把BCD碼從相應的端口輸出即可完成.許多專用顯示芯片同時具有譯碼、鎖存、顯示和驅動等功能.下圖為動態(tài)硬件譯碼顯示電路.P1口的低4位輸出BCD碼,經74LS49(共陰極)轉換成7段顯示碼輸出.用74LS138來輸出位選信號,改變A,B,C的輸入狀態(tài),可輸出不同的位選信號,使被選中的位顯示.并延時一段時間.如此不斷循環(huán),輸出另一位數據下圖為靜態(tài)硬件譯碼電路:8255為擴展口,利用8255的A口,B口作為輸出口和鎖存器.由于BCD碼為4位二進制數,故每個端口控制兩位LED顯示器,每位顯示器與8255口之間接一片74LS47,用來完成BCD碼-7段顯示碼的轉換.-------4位靜態(tài)硬件譯碼顯示電路.3.4LED電子顯示屏技術LED顯示屏是由幾萬到幾十萬個半導體發(fā)光二極管像素點均勻排列組成.分為圖文顯示屏和視頻顯示屏,均由LED矩陣塊組成.LED顯示屏優(yōu)點:亮度高、工作電壓低、功耗小、小型化、壽命長、耐沖擊和性能穩(wěn)定。LED顯示屏的分類按顏色基色分類：單基色顯示屏、雙基色顯示屏、全彩色顯示屏按顯示器件分類：LED數碼顯示屏、LED點陣圖文顯示屏按使用場合分類：室內顯示屏、室外顯示屏按發(fā)光點直徑分類LED顯示屏的結構市面上廣泛采用的是封裝好的8×8點陣單元。16只引腳，分為段數據（列）和位數據（行）。8位段數據復用，某一時刻只能點亮1行，8行輪流點亮。中國漢字常為16×16點陣，用4片8×8LED點陣單元。LED顯示屏的設計1.8×8LED點陣顯示器的設計2.16×16LED點陣顯示器的設計

3采用MAX7219的LED點陣顯示器的設計MAX7219是多位LED顯示驅動器,采用3線串行接口傳送數據,可直接與單片機接口.外圍接口電路簡單.MAX7219芯片MAX