人机界面系统毕业设计

1、 第1章 绪论1.1 人机界面简介由于受传统观念的影响，很长一段时间里，人机界面一直不为软件开发人员所重视，认为这纯粹是为了取悦用户而进行的低级活动，没有任何实用价值。评价一个应用软件质量高低的唯一标准，就是看它是否具有强大的功能，能否顺利的帮助用户完成他们的任务。近年来，随着计算机硬件技术的迅猛发展，计算机及的存储容量、运行速度和可靠性等技术性能指标有了显著的提高，计算机硬件的生产成本却大幅度下跌，个人计算机日益普及。新一代的计算机用户，在应用软件的可操作性以及软件操作的舒适性等方面对应用软件提出了更高的要求除期望所用的软件拥有强大的功能外，更期望应用软件能尽可能的为他们提供一个轻松、愉快、

2、感觉良好的操作环境。这表明，人机界面的质量已成为一个大问题，友好的人机界面设计已经成为应用软件开发的一个重要组成部分。 “人机界面”是指人机间相互施加影响的区域，凡参与人机信息交流的一切领域都属于人机界面。而设计艺术是研究人与物关系的学科，对象物所代表的不是简单的机器与设备，而是有广度与深度的物；这里的人也不是“生物人”，不能单纯地以人的生理特征进行分析。“人的尺度，既应有作为自然人的尺度，还应有作为社会人的尺度；既研究生理、心理、环境等对人的影响和效能，也研究人的文化、审美、价值观念等方面的要求和变化”。1.1.1 设计界面的分析按照设计界面的三类划分，有助于考察设计界面的多种因素。当然，应

3、该说设计界面的划分是不可能完全绝对的，三类界面之间在涵义上也可能交互、重叠，如宗教文化是一种环境性因素，但它带给信仰者的往往更多的却是宗教的情感因素。在这里环境性和情感性是不好区分的，但这并不妨碍不同分类之间所存在的实质性的差异。(1)功能性界面对功能性界面来说，它实现的是使用性内容，任何'件产品或内外环境或平面视觉传达作品，其存在的价值首要的是在于使用性，由使用性牵涉到多种功能因素的分析及实现功能的技术方法与材料运用。在这一方面，分析思维作为一种理性思维而存在。如果作为一种处理方式来设计产品，则这种产品会使多种特征性(如民族性、纯粹性)因素中性化，如果去除产品商标，就很难认出是哪国的

4、或哪个公司的产品。功能性界面设计要建立在符号学的基础上。国际符号学会对符号学所下定义是：符号是关于信号标志系统(即通过某种渠道传递信息的系统)的理论，它研究自然符号系统和人造符号系统的特征。广义的说，能够代表其他事物的东西都是符号，如字母、数字、仪式、意识、动作等，最复杂的一种符号系统可能就是语言。设计功能界面，不可避免地要让使用者明白功能操作。每一操作对人来说应是符合思维逻辑的，是人性的，而对机械、电子来说则应是准确的、确定无疑的，双方的信息传递是功能界面的核心内涵。 (2)情感性界面一个家庭装饰要赋予家居的温馨，一幅平面作品要以情动人，一件宗教器具要体现信仰者的虔诚。其实任何一件产品或作品

5、只有与人的情感产生共鸣才能为人所接受，“敝帚自珍”正体现着人的感情寄托，也体现着设计作品的魅力所在。现代符号学的发展也日益在这一领域开拓，以使这种不确定性得到压缩，部分加强理性化成分。符号学逐渐应用于民俗学、神话学、宗教学、广告学等领域，如日本符号学界把符号学用于认识论研究，考察认识知觉、认识过程的符号学问题。同时，符号学还用于分析利用人体感官进行的交际，并将音乐、舞蹈、服装、装饰等都作为符号系统加以分析研究，这都为设计艺术提供了宝贵与有借鉴价值的情感界面设计方法与技术手段。(3)环境性界面任何的设计都要与环境因素相联系，它包括社会、政治和文化等综合领域。处于外界环境之中，“是以社会群体而不是

6、以个体为基础的”，所以环境性因素一般处于非受控与难以预见的变化状态。联系到设计的历史，我们可以利用艺术社会学的观点去认识各时期的设计潮流。18世纪起，西方一批美学家已注意到艺术创造与审美趣味深受地理、气候、民族、历史条件等环境因素的影响。法国实证主义哲学家孔德指出：文学艺术是人的创造物，原则上是由创造它的人所处的环境条件决定。环境性界面设计所涵盖的因素是极为广泛的，它包括有政治、历史、经济、文化、科技、民族等，这方面的界面设计正体现了设计艺术的社会性。 以上说明了设计艺术界面存在的特征因素，说明在理性与非理性上都存在明确、合理、有规则、有根据的认识方法与手段。1.1.2 设计界面的运用原则1.

7、合理性原则，即保证在系统设计基础上的合理与明确。任何的设计都既要有定性也要有定量的分析，是理性与感性思维相结合。努力减少非理性因素，而以定量优化、提高为基础。设计不应人云亦云，一定要在正确、系统的事实和数据的基础上，进行严密地理论分析，能以理服人、以情感人。2.动态性原则，即要有四维空间或五维空间的运作观念。一件作品不仅是二维的平面或三维的立体，也要有时间与空间的变换，情感与思维认识的演变等多维因素。3.多样化原则，即设计因素多样化考虑。当前越来越多的专业调查人员与公司出现，为设计带来丰富的资料和依据。但是，如何获取有效信息，如何分析设计信息实际上是一个要有创造性思维与方法的过程体系。4.交互

8、性原则，即界面设计强调交互过程。一方面是物的信息传达，另一方面是人的接受与反馈，对任何物的信息都能动地认识与把握。5.共通性原则，即把握三类界面的协调统一，功能、情感、环境不能孤立而存在。1.1.3 设计界面的应用方法设计界面所包含的因素是极为广泛的，但在运用中却只能有侧重、有强调的把握。设计因素虽多，但它仍是一个不可分割的整体。设计界面的运用，核心是设计分析。在一些国际性的大公司，如索尼、松下、柯尼卡等，都有许多的成功案例可为借鉴。如柯尼卡公司设计其相机时，首先不是去绘制“美”和考虑技术的进步，而是进行对象人的日常行为分析，做出故事版(story)。它先假定对象人的年龄为35岁，名：xxx，

9、从而分析他的家庭、喜好与憎恶，分析他的日常行为，进而考察其人在什么场合需要什么功能，从而为设计提供概念(concept)与目标(target)，进行设计。经过分析，设计师有了明确的概念与目标，并随着信息的交互产生了创造力。另一方面，设计师自身对社会环境也要进行深入的认识与考察，对设计的作品取向有明晰的认识：是否符合人们的消费预期?是否能感受到人们的审美知觉?日本设计师佐野邦雄先生曾作一图是生活的变迁与设计师的课题，将日本及世界上某些非常有影响性的事件，如技术的进步、企业的发展等等都进行了归纳，进而对设计有了深入的认识与感悟。所以，要运用好设计的界面，理性的认识是首要的，其次就是创造性的，而且是

10、有实效性的分析、处理信息。设计不是一成不变的，分析方法也不是一成不变的，设计的界面同样是在人于与物的信息交流中变化发展的。第2章 液晶显示系统及其控制器2.1 显示器技术简介显示器是计算机的输出设备，人机对话设备。液晶显示器lcd(liquid crystal display)具有显示信息丰富、功耗低、超薄、体积小、重量轻等许多其他显示器无法比拟的优点，近几年来被广泛用于单片机控制的智能仪器、仪表和低功耗电子产品中。lcd可分为段位式lcd、字符式lcd和点阵式lcd。其中，段位式lcd和字符式lcd只能用于字符和数字的简单显示，不能满足图形曲线和汉字显示的要求；而点阵式lcd不仅可以显示字符

11、、数字，还可以显示各种图形、曲线及汉字，并且可以实现屏幕上下左右滚动、动画、分区开窗口、反转、闪烁等功能，用途十分广泛。2.1.1 液晶显示器的分类常见的液晶显示器按物理结构分为四种：1.扭曲向列型2.超扭曲向列型3.双层超扭曲向列型4.薄膜晶体管型世界上第一台液晶显示设备出现在20世纪70年代初，被称之为tn-lcd（扭曲向列）液晶显示器。尽管是单色显示，它仍被推广到了电子表、计算器等领域。80年代，stn-lcd（超扭曲向列）液晶显示器出现，同时tft-lcd（薄膜晶体管）液晶显示器技术被研发出来，但液晶技术仍未成熟，难以普及。80年代末90年代初，日本掌握了stn-lcd及tft-lcd

12、生产技术，lcd工业开始高速发展。tft(thin film transistor)lcd即薄膜场效应晶体管lcd，是有源矩阵类型液晶显示器(am-lcd)中的一种。和tn技术不同的是，tft的显示采用“背透式”照射方式的光源路径不是像tn液晶那样从上至下，而是从下向上。这样的作法是在液晶的背部设置特殊光管，光源照射时通过下偏光板向上透出。由于上下夹层的电极改成fet电极和共通电极，在fet电极导通时，液晶分子的表现也会发生改变，可以通过遮光和透光来达到显示的目的，响应时间大大提高到80ms左右。因其具有比tn-lcd更高的对比度和更丰富的色彩，荧屏更新频率也更快，故tft俗称“真彩”。相对于

13、dstn而言，tft-lcd的主要特点是为每个像素配置一个半导体开关器件。由于每个像素都可以通过点脉冲直接控制。因而每个节点都相对独立，并可以进行连续控制。这样的设计方法不仅提高了显示屏的反应速度，同时也可以精确控制显示灰度，这就是tft色彩较dstn 更为逼真的原因。目前，绝大部分笔记本电脑厂商的产品都采用tft-lcd。早期的tft-lcd主要用于笔记本电脑的制造。尽管在当时tft相对于dstn具有极大的优势，但是由于技术上的原因，tft-lcd在响应时间、亮度及可视角度上与传统的crt显示器还有很大的差距。加上极低的成品率导致其高昂的价格，使得桌面型的tft-lcd成为遥不可及的尤物。不

14、过，随着技术的不断发展，加上一些新技术的出现，使得tft-lcd在响应时间、对比度、亮度、可视角度方面有了很大的进步，拉近了与传统crt显示器的差距。如今，大多数主流lcd显示器的响应时间都提高到50ms以下，这些都为lcd走向主流铺平了道路。lcd技术仍处在不断发展、完善的阶段，三大产地的发展方向各有不同，它们之间既存在竞争，又有着合作，正是这些因素促使了lcd向前发展! 2.1.2 液晶显示器的原理lcd型显示器的构成原理很简单，在两片透明绝缘的有机薄膜或者玻璃之间均匀充填液晶流体，底层透明薄膜上镀有一层导电体，而顶层透明薄膜上则按需要的形状敷有透明的导电电极，当电极通电后，就与下层导电体

15、之间（约10m）形成一个电场，由于这个电场的作用，其间的液晶体的透光状况就发生了变化，从而对外来光线产生了吸收作用，使人们看见了与电极形状相同的字形显示，lcd型显示器属于被动发光，所以在显示时一定要有足够的外来光源，夜间显示要有照明，照明时可以采用前景光照明，也可以采用背景光照明。 从驱动方式上看，lcd型显示器的分类比较多，但总体上可以分为静态驱动和动态驱动。静态驱动方式与led型显示器驱动相似，所需要的驱动信号相对较少。动态驱动方式都比较复杂，它们所需要的电极驱动信号较多，设计起来也相对复杂。由于液晶体受到电场的长期确定作用会发生不可逆转的分子排列，所以要求加在电极上的电压是动态的（30

16、hz至150hz），并且避免长期产生50mv以上的直流电压，所以，lcd显示器的显示驱动原理比较复杂。主要种类有，直接驱动法、有源驱动法、射束驱动法、铁电液晶驱动法和彩色液晶驱动法等等。 由于ttl的低电压仍有50mv，所以驱动电路应尽量避免使用ttl而使用cmos。lcd静态显示驱动加载的驱动电压是一种由两个交流波形电压，但合成的结果要能满足lcd点的要求的驱动电压，这是为了延长lcd显示器的使用寿命而又可以达到正常显示的目的所要求。 动态扫描时，每一时刻只有1行（驱动电极）和1列（公共背电极）有信号，对应着1个像素点的点亮，这一点我们习惯上称之为选择点，其他未点亮的点我们称之为未选择点，选

17、择点周围邻近的点称之为半个选择点，在高速动态显示过程中，半个选择点势必会受到影响而产生一定的灰度（半显示），从而降低整个显示的对比度，这种现象称之为交叉效应。动态液晶显示驱动方法采用平均电压法来消除交叉效应，即把液晶驱动电压分成若干档，将半个选择点和非选择点上的电压平均化，用适度提高非选择点的电压来抵消半个选择点上的一部分电压，从而扩大选择点与被选择点电压之间的差距，从而提高显示的对比度，同时又使得半个选择点与非选择点的显示更趋于一致。 注意一点，上述简单原理，只是可以保证选择点与非选择点、半个选择点的驱动电压值的确定，它以提高液晶显示之对比度为目的，在实际应用时，除此需要外，液晶显示的驱动电

18、路还要同时保证被选择的驱动电压能在每个周期内平均值为零，以保证显示器的寿命，这就要求对确定的选择点、非选择点等电压的出现必须遵循某种规律，交替对称地出现，以达到每个周期内平均值为零的目的，而这一点是液晶使用时的另一个基本要求。平均电压法这种方法的选择点电压与非选择点电压之比为1/a，所以此方法也称为1/a偏压法，这种偏压方法的使用，使得液晶动态显示驱动走向完美，成为目前使用非常之广泛的一种液晶动态显示驱动方法，这种方法有多种方式，每种方式下的驱动信 号不完全相同，相比led驱动方法而言，液晶显示的驱动方法要复杂的多。 韩国三星320×240 lcd模块是一款低价位高品质的lcd模块，

19、具有高分辨率、高对比度fstn、高可靠性、低功耗、低价格等优点，特别适用于数控机床、pda、掌上电脑、游戏机等产品。表2-1 内嵌sed1335模块液晶显示器引脚符号状态名称功能db0-db7三态数据总线可直接挂在mpu数据总线上/cs输入片选信号当mpu访问sed1335时，将其置为低电平a0输入缓冲器选择信号a0=1 写指令代码和读数据a0=0 写数据，参数和读忙标志v0输入对比度调节灰度和亮度可依据用户自动调节/rd输入读信号适配8080系列mpu接口/wr输入写操作信号适配8080系列mpu接口/res输入硬件复位信号当重新启动sed1335时还需要用指令system set点 阵：3

20、20×240玻璃类型： stn 或 fstn供 电：单dc5v外形尺寸：160.0 ×109.0mm(167.0×109.0mm)视域尺寸：122.0 × 92.0mm （5.7英寸）点 大 小： 0.33 × 0.33 mm点 间 距： 0.36 ×0.36 mm控 制 器： sed1335或s1d133052.2 sed1335控制器的基本特性sed1335控制器是由日本epson公司生产的一款液晶显示屏控制器，与同类产品相比，功能最强。其主要特点有：·有较强功能的i/o缓冲器；·指令功能丰富；·四位

21、数据并行发送；·图形和文本方式混合显示；sed1335控制器的指令集见表2-2。sed1335控制器具有13条指令，多数指令带有参数，参数值可由用户根据所控制的液晶显示模块的特征和显示的需要来设置。sed1335控制器是应用于mpu系统与液晶模块之间的控制芯片，它接收来自mpu系统的指令与数据，并产生相应的时序及数据控制模块的显示。a0为lcd控制寄存器的选择输入，分别选通指令输入缓冲器和数据输入缓冲器，类似于通常字符点阵lcd模块的rs或d/i。mpu把指令代码写入指令输入缓冲器内（即a0=1），指令参数数据通过数据输入缓冲写入（a0=0）。带有参数指令代码的作用之一就是选表2-2

22、 sed1335控制器指令表功  能指  令代  码说  明参数量系统控制system  set40h初始化，显示窗口设置8sleep in53h空闲状态设置/显示操作disp on/off59h/58h设置开关显示方式1scroll44h设置显示区域10csrform4dh设置光标形状2cgram adr4ch设置cgram起始地址2csrdir4ch-4fh设置光标移动方向/通对应的参数寄存器，任一条指令的执行（除sleepin、csrdir、csrr和mread外）都产生在附属参数的输入完成之后。需要注意的是，在实际使用指令时，如果该指令

23、具有多个参数，则必须按顺序依次写入各个参数。尤其在mpu操作sed1335及其控制的液晶显示模块时，必须首先写入systen set（40h）指令。如果该指令设置出现错误，则显示必定不正常。这里着重介绍cpsdir指令。该指令的作用是规定光标地址指针自动移动的方向。sed1335所控制的光标地址指针实际也是显示ram的当前地址指针。该指令有四个参数：4c/4d/4e/4fh，分别表示修改的四个方向，这样就具有了很强的作图功能，这也是很多液晶控制器所没有的。在韩国三星320×240lcd型液晶显示屏的设计中，显示的顺序是从右向左，即显示屏上的一个8×1点阵从左至右依次对应内存

24、单元中1bit数据的高位到低位。2.3 sed1335内部结构原理及设计sed1335是日本seiko epson公司出品的液晶显示控制器，具有较强功能的 图2-1 sed1335结构图i/o缓冲器，指令功能丰富，四位数据并行发送，最大驱动能力为640×256点阵。sed1335硬件结构可分为mpu接口、控制部分和驱动lcm部分，结构如图2-1所示。接口部分具有功能较强的i/o缓冲器，mpu访问sed1335不需要判其“忙”，sed1335可随时接受mpu的访问，并及时地把mpu发来的指令、数据传输就位；控制部分由振荡器、功能逻辑器、显示ram管理电路、字符库及驱动时序电路的时序发生

25、器组成；驱动部分具有各个显示区的合成显示能力，传输数据的组织功能及产生液晶显示模块所需的时序。(1)接口硬件的设计sed1335接口部分由指令输入寄存器、数据输入缓冲器、数据输出缓冲器和标志寄存器组成，通道的选择由引脚a0和读写操作信号联合控制,如图2-2所示。dbsed1335adresrd/wr/cs p3c8051f a0 p1.7 /rd /wr p2.7图2-2 sed1335与cpu的接口sed1335接口可以适配8080和m6800系列的mpu，通过sel1和sel2的组合加以选择，与8080序列的接口部传输时序如图2-3所示，时序特性如表2-3所示。表2-3 接口时序特性项目符

26、号参数说明vdd=2.74.5v最小(ns)最大(ns)a0t1地址建立时间10-/cst2地址保持时间0-/wrt3读写周期550-/rdt4读写脉冲宽度150-d0d7t5写数据保持时间120-t6写数据建立时间5-t7读数据建立时间-80t8读数据保持时间-55图2-3 80系列与mpu相适配时序图(2)接口软件的设计接口软件设计主要包括sed1335的初始化程序和中断显示子程序，初始化程序根据所控制的液晶显示模块的特性和用户的显示要求，送入适当的命令和参数，通常以参数表的形式送入，如system set命令(代码为40h)，带有8个参数，分别定义显示字符的高度和宽度及液晶显示模块的点阵

27、行数等，这些命令和参数必须首先写入，否则显示将不正常。mov com，#40h；system set代码lcall pr1 mov count1，#00hinta：mov dptr，#systab；systab为该指令参数表首地址 mov a，count1 movc a，a+dptr mov dat1，a lcall pr2 inc count1 mov a，count1 cjne a，#08h，inta；循环送参数 systab：db 30h，87h，07h，27h，42h，0f0h，28h，00h；p1p8参数pr1和pr2是送指令和参数的子程序。显示的中断时间根据每一屏刷新时间和液晶显示

28、的点阵列数来确定，如5秒1屏，320列，则中断时间为5/320s，外部时钟是16mhz，选用m=16位的定时方式。r0来记录中断次数，初始值为10000000b，中断一次右移一位，r0为0时，一个字节处理完，可送入移动扫描显示，并初始化r0；整屏显示用r2来控制，初始为0，处理完一个字节递增1，到达一定的值(通常为液晶模块列数的1/8)后，当处理完1屏后，可以送入显示ram，同时r2清零。显示地址用行列交叉计算法得到，分别用寄存器r1和r2来控制行值和列值，对应显存地址为：r2r1×n。n为每行的字节数，采用320×240的lcd时，n320/840。中断程序流程如图2-4

29、所示。图2-4 显示中断流程图保护现场参数r0左移1位移动显示1字节处理完毕送1字节数据显示整屏显示完中断返回1屏采集完送1屏数据显示恢复r2处值yynnynn第3章 触摸屏及其控制器3.1 触摸屏3.1.1 触摸屏技术简介 随着多媒体信息查询的与日俱增，人们越来越多地谈到触摸屏，因为触摸屏是作为一种最新的电脑输入设备，它是目前最简单、方便、自然的而且又适用于中国多媒体信息查询信息的输入设备，触摸屏具有坚固耐用、反应速度快、节省空间、易于交流等许多优点。利用这种技术，我们用户只要用手指轻轻地碰计算机显示屏上的图符或文字就能实现对主机操作，从而使人机交互更为直截了当，这种技术极大方便了

30、那些不懂电脑操作的用户。它赋予了多媒体以崭新的面貌，是极富吸引力的全新多媒体交互设备。触摸屏在我国的应用范围非常广阔，主要有公共信息的查询，如电信局、税务局、银行、电力等部门的业务查询；城市街头的信息查询；此外还可广泛应用于领导办公、工业控制、军事指挥、电子游戏、点歌点菜、多媒体教学、房地产预售等，将来，触摸屏是还要走入家庭。随着城市向信息化方向发展和电脑网络在日常生活中的渗透，信息查询都会以触摸屏显示内容可触摸的形式出现。3.1.2 触摸屏的工作原理为了操作上的方便，人们用触摸屏代替鼠标或键盘。工作时，我们必须首先用手指或其它物体触摸安装在显示器前端的触摸屏，然后系统根据手指触摸的图标或菜单

31、位置来定位选择信息输入。触摸屏由触摸检测部件和触摸屏控制器组成；触摸检测部件安装在显示器屏幕前面，用于检测用户触摸位置，接受后送触摸屏控制器；而触摸屏控制器的主要作用是从触摸点检测装置上接收触摸信息，并将它转换成触点坐标，再送给cpu，它同时能接收cpu发来的命令并加以执行。(1)透明性能触摸屏由多层的复合薄膜构成，透明性能的好坏直接影响到触摸屏的视觉效果。衡量触摸屏透明的性能不仅要从它的视觉效果来衡量，还应该包括透明度、色彩失真度、反光性和清晰度这四个特性。(2)绝对坐标系统 我们传统的鼠标是一种相对定位系统，只和前一次鼠标的位置坐标有关。而触摸屏则是一种绝对坐标系统，要选哪就直接点哪，与相

32、对定位系统有着本质的区别。绝对坐标系统的特点是每一次定位坐标与上一次定位坐标没有关系，每次触摸的数据通过校准转为屏幕上的坐标，不管在什么情况下，触摸屏坐标在同一点的输出数据是稳定的。不过由于技术原理的原因，并不能保证同一点触摸每一次采样数据相同的，不能保证绝对坐标定位，点不准，这是触摸屏不可避免的问题：漂移。对于性能质量好的触摸屏来说，漂移的情况出现的并不是很严重。 (3)检测与定位各种触摸屏技术都是依靠传感器来工作的，甚至有的触摸屏自己就是一套传感器。各自的定位原理和各自所用的传感器决定了触摸屏的反应速度、可靠性、稳定性和寿命。 3.1.3 触摸屏的种类从技术原理来区别触摸屏，可分为五个基本

33、种类：矢量压力传感技术触摸屏、电阻技术触摸屏、电容技术触摸屏、红外线技术触摸屏、表面声波技术触摸屏。其中矢量压力传感技术触摸屏已退出历史舞台。红外触摸屏的价格低廉，但其外框易碎，容易产生光干扰，曲面情况下失真；电容屏设计理论好，但其图像失真问题很难得到根本解决；电阻屏的定位准确，但其价格颇高，怕刮坏或损坏。表面声波触摸屏就解决了以往触摸屏的各种缺陷，清晰抗暴，适于各种场合，缺憾是屏表面的水滴、尘土使触摸屏的反应变得迟钝，甚至不工作。按照触摸屏的工作原理和传输信息的介质，触摸屏可分为四种，它们分别为电阻式、红外线式、电容感应式以及表面声波式，下面就对上述的各种类型的触摸屏简要介绍：(1)电阻式触

34、摸屏电阻触摸屏的屏体部分是一块与显示器表面非常配合的多层复合薄膜，由一层玻璃或有机玻璃作为基层，表面涂有一层透明的导电层（oti，氧化铟），上面再盖有一层外表面硬化处理、光滑防刮的塑料层，它的内表面涂有一层oti，在两层导电层之间有许多细小(小于千分之一英寸)的透明隔离点把它们隔开绝缘。当手指接触屏幕，两层oti导电层出现一个接触点，因其中一面导电层接通y轴方向的5v均匀电压场，使得检测层的电压由零变为非零，控制器检测到这个接通后，进行a/d转换，并将得到的电压值与5v相比，即可得触摸点的y轴坐标，同理得出x轴的坐标，这就是电阻触摸屏的共同最基本原理。电阻触摸屏根据引出线数多少，分为四线、五线

35、等多线电阻触摸屏。五线电阻触摸屏的a面是导电玻璃而不是导电涂覆层，导电玻璃的工艺使其的寿命得到极大的提高，并且可以提高透光率。电阻式触摸屏的oti涂层比较薄且容易脆断，涂得太厚又会降低透光且形成内反射降低清晰度，oti外虽多加了一层薄塑料保护层，但依然容易被锐利物件所破坏；且由于经常被触动，表层oti使用一定时间后会出现细小裂纹，甚至变型，如其中一点的外层oti受破坏而断裂，便失去作为导电体的作用，触摸屏的寿命并不长久。但电阻式触摸屏不受尘埃、水、污物影响。这种触摸屏是利用压力感应进行控制。它用两层高透明的导电层组成触摸屏，两层之间距离仅为2.5s。当手指按在触摸屏上时，该处两层导电层接触，电

36、阻发生变化，在x和y两个方向上产生信号，然后送触摸屏控制器。这种触摸屏可在恶劣环境下工作，但手感和透光性较差，适合配带手套和不能用手直接触控的场合。电阻类触摸屏的关键在于材料科技，常用的透明导电涂层材料有：aito，氧化铟，弱导电体，特性是当厚度降到1800个埃以下时会突然变得透明，透光率为80，再薄透光率反而下降，到300埃厚度时又上升到80。ito是所有电阻技术触摸屏及电容技术触摸屏都用到的主要材料，实际上电阻和电容技术触摸屏的工作面就是ito涂层。b镍金涂层，五线电阻触摸屏的外层导电层使用的是延展性好的镍金涂层材料，使用延展性好的镍金材料目的是为了延长使用寿命，但是工艺成本较为高昂。镍金

37、导电层延展性好，但是只能作透明导体，而不适合作为电阻触摸屏的工作面，因为它导电率高，而且金属不易做到厚度非常均匀，不宜作电压分布层，只能作为探层。(2)电容式触摸屏电容式触摸屏的构造主要是在玻璃屏幕上镀一层透明的薄膜体层，再在导体层外加上一块保护玻璃，双玻璃设计能彻底保护导体层及感应器。电容式触摸屏在触摸屏四边均镀上狭长的电极，在导电体内形成一个低电压交流电场。用户触摸屏幕时，由于人体电场，手指与导体层间会形成一个耦合电容，四边电极发出的电流会流向触点，而电流强弱与手指到电极的距离成正比，位于触摸屏幕后的控制器便会计算电流的比例及强弱，准确算出触摸点的位置。电容式触摸屏是在玻璃表面贴上一层透明

38、的特殊金属导电物质。当手指触摸在金属层上时，触点的电容就会发生变化，使得与之相连的振荡器频率发生变化，通过测量频率变化可以确定触摸位置获得信息。该种触摸屏适用于系统开发的调试阶段。(3)红外线式触摸屏该触摸屏是由装在触摸屏外框上的红外线发射与接收感测元件构成，在屏幕表面上，形成红外线探测网，任何触摸物体可改变触点上的红外线而实现触摸屏操作。红外触摸屏不受电流、电压和静电干扰，适宜某些恶劣的环境条件。其主要优点是价格低廉、安装方便、不需卡或其它任何控制器，可以用在各档次的计算机上。此外，由于没有电容充放电过程，响应速度比电容式快，但分辨率较低。 红外线触摸屏原理很简单，只是在显示器上加上光点距框

39、，无需在屏幕表面加上涂层或接驳控制器。光点距框的四边排列了红外线发射管及接收管，在屏幕表面形成一个红外线网。用户以手指触摸屏幕某一点，便会挡住经过该位置的横竖两条红外线，计算机便可即时算出触摸点位置。(4)表面声波触摸屏表面声波是一种沿介质表面传播的机械波。该种触摸屏是由触摸屏、声波发生器、反射器和声波接受器组成，其中声波发生器能发送一种高频声波跨越屏幕表面，当手指触及屏幕时，触点上的声波即被阻止，由此确定坐标位置。表面声波触摸屏不受温度、湿度等环境因素影响，分辨率极高，有极好的防刮性，寿命长（5000万次无故障）；透光率高(92%)，能保持清晰透亮的图像质量；没有漂移，只需安装时一次校正；有

40、第三轴(即压力轴)响应，最适合公共场所使用。表面声波触摸屏的触摸屏部分可以是一块平面、球面或是柱面的玻璃平板，安装在crt、led、lcd或是等离子显示器屏幕的前面。这块玻璃平板只是一块纯粹的强化玻璃，区别于其它触摸屏技术是没有任何贴膜和覆盖层。玻璃屏的左上角和右下角各固定了竖直和水平方向的超声波发射换能器，右上角则固定了两个相应的超声波接收换能器。 3.2 触摸屏控制器ads7843 简要介绍触摸屏的结构及工作原理，并以burr-brown公司的触摸屏控制芯ads7843为例，介绍四线式电阻触摸屏应用的典型电路和操作。(1)触摸屏的基本原理典型触摸屏的工作部分一般由三部分组成，两层透明的阻性

41、导体层、两层导体之间的隔离层、电极。触摸屏在工作时，上下导体层相当于电阻网络，如图3-2所示。当某一层电极加上电压时，会在该网络上形成电压梯度。如有外力使得上下两层在某一点接触，则在图3-1 触摸屏结构电极未加电压的另一层可以测得接触点处的电压，从而知道接触点处的坐标。比如，在顶层的电极(x+,x)上加上电压，则在顶层导体层上形成电压梯度，当有外力使得上下两层在某一点接触，在底层就可以测得接触点处的电压，再根据该电压与电极(x+)之间的距离关系，知道该处的x坐标。然后将电压切换到底层电极(y+,y)上，并在顶层测量接触点处的电压，从而知道y坐标。图3-2 工作时的导体层(2)触摸屏的控制实现现

42、在很多人机界面应用中，触摸屏是作为一个输入设备，对触摸屏的控制也有专门的芯片。很显然，触摸屏的控制芯片要完成两件事情：其一，是完成电极电压的切换；其二，是采集接触点处的电压值(即a/d) 。3.2.1 ads7843的基本特性与典型应用ads7843是一个内置12位模数转换、低导通电阻模拟开关的串行接口芯片。供电电压2.75 v，参考电压vref为1 v+vcc，转换电压的输入范围为0 vref，最高转换速率为125 khz。ads7843的引脚配置如图3-3所示。表3-1为引脚功能说明，图3-4为典型应用。 图3-3 ads7843引脚配置表3-1 引脚功能说明引脚号引脚号功能描述1,10+

43、v供电电源2.75v2,3x+,y+接触摸屏正电极,内部a/d通道4,5x-,y-接触摸屏负电极6gnd电源地7,8in3,in4两个附属a/d输入通道9va/d参考电压输入11/penirq中断输出,须接外拉电阻(10k或100k)12,14,16dout,din,dclk串行接口引脚,在时钟下降沿数据移出,上升移进13busy忙指示,低电平有效15/cs片选图3-4 ads7843的典型应用3.2.2 ads7843的内部结构及参考电压模式选择图3-5 ads7843内部结构ads7843之所以能实现对触摸屏的控制，是因为其内部结构很容易实现电极电压的切换，并能进行快速a/d转换。图3-5

44、所示为其内部结构，a2a0和ser/dfr为控制寄存器中的控制位，用来进行开关切换和参考电压的选择。ads7843支持两种参考电压输入模式：一种是参考电压固定为vref，另一种采取差动模式，参考电压来自驱动电极。这两种模式分别如图3-6(a)、(b)所示。采用图图3-6 参考电压输入模式3-6(b)的差动模式可以消除开关导通压降带来的影响。表3-2和表3-3为两种参考电压输入模式所对应的内部开关状况。表3-2 参考电压非差动输入模式（ser/dfr=1）a1a1a0x+y+in3in4-inx开关y开关+ref-ref001+ingndoffon+v refgnd101+ingndoffoff

45、+v refgnd010+ingndoffoff+v refgnd110+ingndoffoff+v refgnd表3-3 参考电压差动输入模式（ser/dfr=0）a2a1a0x+y+in3in4-inx开关y开关+refref001+inyoffon+yy101+inxonoff+xx010+ingndoffoff+v refgnd110+ingndoffoff+v refgnd3.2.3 ads7843的控制字及数据传输格式ads7843的控制字如表4所列，其中s为数据传输起始标志位，该位必为“1”。a2a0进行通道选择（见表3-2和3-3）。mode用来选择a/d转换的精度，“1”选择

46、8位，“0”选择12位。ser/选择参考电压的输入模式（见表3-2和3-3）。pd1、pd0选择省电模式：“00”省电模式允许，在两次a/d转换之间省电，且中断允许；“01”同“00”，只是不允许中断；“10”保留；“11”禁止省电模式。表3-4  ads7843的控制字bit7(msb)bit6bit5bit4bit3bit2bit1bit0sa2a1a0modeser/dfrpd1pd0为了完成一次电极电压切换和a/d转换，需要先通过串口往ads7843发送控制字，转换完成后再通过串口读出电压转换值。标准的一次转换需要24个时钟周期。由于串口支持双向同时进行传送，并且在一次读数与

47、下一次发送的控制字之间可以重叠，所以转换速率可以提高到每次16个时钟周期。如果条件允许，cpu可以产生15个clk的话,转换速率还可以提高到每次15个时钟周期。3.3 c8051f021与触摸屏接口电路及程序流程spimosi spimisospiclkp1.2p1.1（/into）p2.6 c8051f021 （mast）dindoutdclk/cs/pinirqbusyads7843触摸屏xyxy图3-7 触摸屏输入系统示意图图3-9 测量子程序关中断片选选中ads7843送测量x坐标的命令字调用测量子程序调用测量子程序送测量y坐的标命令字图3-8 定时中断采样程序中断程序入口判断sy是否

48、为高串行送出命令字接收a/d12位转换结果返回noyes第4章 人机界面设计4.1 硬件组成及原理 lcd液晶显示屏c8051f021触摸屏控制器ads7843四线电阻触摸屏图4-1 硬件连接 4.1.1 硬件组成 触摸屏采用典型的四线电阻式触摸屏，其主要特点是精确度高，不受环境干扰，适用于各种场合。触摸屏控制器为四线电阻式触摸屏通用的 bb公司的ads7843控制芯片，具有12位转换精度，支持spi通讯协议;液晶屏控制器采用的是epson的sed1335，带有32k字节的sram，支持文本显示和图形显示两种方式，最多3层图形显示合成。本文选用的cygnal公司的c8051f021高速soc(

49、system on chip)单片机作为人机界面系统的主控cpu。cygnal公司的c8051单片机使用cygnal的专利cip-51微控制器内核。文中将分别介绍基于c8051f021高速单片机的人机界面系统硬件、软件。(1)以下介绍c8051f021单片机的一些重要技术以及在本系统中的应用1.c8051f021单片机采用流水线指令结构；70 指令的执行时间为1个或2个系统时钟周期；速度可达25 mips(时钟频率为25 mhz时)。2.c8051f021单片机内部有5个通用16位计数器定时器和专用的看门狗定时器(wdt)，这样就不再需要附加外部计数器件和外部看门狗电路。3.c8051f021

50、单片机引入了数字交叉开关，允许将内部数字系统资源分配给端口io引脚。通过设置优先权交叉开关控制寄存器，将片内的计数器定时器、串行总线、硬件中断、adc转换启动输入、比较器输出以及微控制器内部的其他数字信号配置为出现在端口io引脚。4.c8051f021单片机内部有一个可编程计数器阵列(pca)，由一个专用的16位计数器定时器和5个16位捕捉比较模块组成。5.c8051fo21单片机具有片内jtag和调试电路，通过4脚jtag接口并使用安装在最终应用系统中的器件就可以进行全速、非侵入式的在系统调试，而且支持断点、单步、观察点、堆栈监视器、支持观察修改存储器和寄存器。6.c8051f021单片机的

51、mcu除了具有全双工uart串口之外，还增加了spi总线和smbus/ic总线。每种串行总线都能向cip-51发出中断申请，因此很少需要cpu的干预。由以上介绍可以看出，在人机界面用c8051单片机是非常合适的，由于可以硬件生成pwm，占用cpu资源很少；高性能的指令系统以及和c语言之间进行交叉汇编，为设计各种控制算法提供了广阔的空间。(2)人机界面硬件接口电路 c8051f021和ads7843通过标准的spi接口相连，spi接口是工业标准的同步串行接口，是一种全双工、四线通信的系统。它允许c8051f单片机与各种外围设备以串行方式（可配置成18位数据同时、同步地被发送和接收）进行

52、通信。在spi接口中，数据的传输需要1个时钟信号和两条数据线。spi可工作在主模式或从模式下。在主模式下，最大数据传输速率(位/秒)是系统时钟频率的1/2；而在从模式下，全双工操作时的最大数据传输速率(位/秒)是系统时钟频率的1/10。ads7843是四线式触摸屏的控制器，控制器的主要功能是分时向x、y电极对施加电压，并把测量电极上的电压信号转换为相应触点的x、y坐标，并通过笔中断请求向c8051f021表示有触摸发生。ads7843只能作为spi的从设备，各信号的时序是完全固定的，因此需要配置c8051f021 spi接口信号的时序使之完全符合ads7843的时序，尤其是从选择信号cs在一次

53、通信过程中应一直为低。根据sed1335的电路特性，c8051f021与sed1335的接口电路如图4-2所示，由于c8051f021的操作时序是intel8080时序，所以sed1335接口部分选用适配intel8080时序的接口电路。sed1335的a0信号不是独立的，而是与片选信号组合定义的。单片机对sed1335进行读写数据和指令操作的地址分别是8000h和8001h。4.1.2 工作原理c8051f021单片机的p0p3端口可以做通用的i/o端口，同时每个管脚通过独立编程都能作为数字输入或数字输出，还可以通过软件设置改变引脚的硬件功能配置和输入输出硬件状态配置。本设计在使用i/o端口

54、是通过不同的特殊功能寄存器对它 图4-2 人机界面硬件连接图进行配置。74hc373为锁存器，同外部2764相配合，用于存储计算机bios 中ascii 的8×16 字模库，建立8×16 点阵常用字符、数字、符号字模库和ucdos 的asc16 文件等做字模库。j1为内置sed1335控制器的液晶显示器的外部引脚，a0为i/o缓冲器选择信号，当a0=1写指令代码和读数据，a0=0写数据、参数和读忙标志位。res为复位端，cs片选端，v0为亮度调节端。同时使用spi全双工同步串行接口，spi串行扩展接口需要用到3根通信线，分别是sck串行时钟线、mosi(master out slave in)主机输出/从机串行数据输入线、miso(master in slave out)主机输入/从机数据输出线，此外还有nss片选端，但本设计中采用的是自定义功能引脚，用p1.2端来选择从器件ads7843，另外p1.1设置为into。 用户在触摸屏上有效区域点击，触摸屏的x方向输出电阻和y方向输出电阻分别随x和y呈线性变化，ads7843控制器将其分别转换为12位数据，通过触摸屏的笔中断/pinir