第3章 人机接口

1、第3章 人机接口技术n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操作台（或操作面板操作面板）来实现。n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。n操作台（面板）的主要功能如下操作台（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

2、程。n为了完成上述功能，操作台一般由数字键、功能键、开关、操作台一般由数字键、功能键、开关、显示器和各种输入输出设备组成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独立式键盘接口设计3.1.1 键盘的特点及确认键盘的特点及确认n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。n1键盘的特点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，其波形波形如图3-1所示。键按下键闭合前沿抖动后沿抖动 图3-1 按键抖动波形n按键的稳定闭合期长短

3、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。 n2按键的确认按键的确认n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，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。n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。图3-2 按键电路+5VVA10kSn3消除按键的抖动消除按键的抖动n消除按键抖动的方法有两种：硬件方法和软件方法。 （1）硬件方法硬件方法n采用RC滤波消抖电路或RS双稳态消抖电路。

4、（2）软件方法软件方法n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。n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断哪个按键被按下了。n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。n1采用可编程并行接口采用可编程并行接口n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

5、3-3 采用8255A扩展独立式按键10k8S1S2S3S4S5S6S7S8 PA0 PA1 PA2 PA3 PA4 PA5 PA6 PA7+5V8255An当某一键按下时，对应位为0，用位检测位检测可以识别按键的工作状态。n2采用三态缓冲器采用三态缓冲器n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D0D1D2D3D4D5D6D7KEYCS74HC2451A 1B2A 2B3A 3B4A 4B5A 5B6A 6B7A 7B8A 8BG DIRS1S2S3S4S5S6S7S8+5V10k8n在图3-4中，KEYCS为读键值口地址。按

6、键S1S8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。n假设背景机为MCS51及其兼容单片微控制器，则程序设计如下：KEYPR： MOVDPTR，#JPTAB ；跳转首地址送DPTR MOVA，KEYBUF；从键值缓冲区KEYBUF中取键值MOVB，AADDA，BADDA，B；键值乘3JMPA+DPTR；转到相应地址JMTAB：LJMPS1PR；转S1功能处理程序LJMPS2PR；转S2功能处理程序LJMPS3PR；转S3功能处理程序LJMPS4PR；转S4功能处理程序LJMPS5PR；转S5功能处理程序LJMPS6PR；转S6功能处理程序LJMPS

7、7PR；转S7功能处理程序LJMPS8PR；转S8功能处理程序3.2 矩阵式键盘接口设计矩阵式键盘接口设计n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10k+5V 0 1 2 3 1 4 5 6 7 2 8 9 10 11 3 12 13 14 15 4 1 2 3 4 10k10k10k n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。

8、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。n矩阵式键盘结构如图3-5所示。n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。n识别键盘有无键被按下的方法是：让所有列线均置为0电平，检查各列行线电平是否有变化，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 矩阵键盘工作原理矩阵键盘工作原理 3.2.2

9、按键的识别方法按键的识别方法n识别具体按键的方法是（亦称之为扫描法）：逐列置零电平，其余各列置为高电平，检查各行线电平的变化，如某行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。n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。n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 键盘的编码键盘的编码3.3 显示技术的发展及其特点显示技术的发展及其特点3.3.1 显示技术的发展

10、显示技术的发展n20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。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。n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。n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

11、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。n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。n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。n但是最常见的是按显示原理分类按显示原理分类，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

12、（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 显示器件的主要参数显示器件的主要参数n1亮度亮度 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。n2对比度和灰度对比度和灰度 对比度（C）是指画面上最大亮度（Lmax）和最小亮度 （Lmin）之比，即：n3分辨力分辨力n分辨力是

13、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。n4响应时间和余辉时间响应时间和余辉时间n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。n5显示色显示色n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。m a xm inLCLn6发光效率发光效率n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）。 n

14、7工作电压与消耗电流工作电压与消耗电流n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。n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显示器接口设计显示器接口设计n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

15、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。nLosev于1923年发现了SiC中偶然形成的PN结中的发光现象。n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LED和高亮度、超高亮度LED。nLED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0.3mm

16、2。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。nLED的主要缺点是电流大，功耗大。nLED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。 n图3-7a为共阴极接法，图3-7b为共阳极接法。nLED数码显示器的外形图如图3-8所示。 3.4.1 LED显示器的结构显示器的结构COMCOM图3-7 LED显示器结构图gabcdefdp图3-8 LED显示器外形图a b c d e f g dp a b c d e f g dpn在图3-8中，每一段与数据线的对应关系如下。n共阴极和共阳极LED数码显示器的字模如表3-2所示。数据线：D7D6D5

17、D4D3D2D1D0LED段：dpgfedcba显示字符共阳极共阴极显示字符共阳极共阴极0C0H3FHb83H7CH1F9H06HcC6H39H2A4H5BHdA1H5EH3B0H4FHE86H79H499H66HF8EH71H592H6DHp8CH73H682H7DHUC1H3EH7F8H07HY91H31H880H7FHH89H6EH990H6FHLC7H76HA88H77H“灭”FFH00H表3-2 LED显示器字模表n3.4.2 LED显示器的扫描方式显示器的扫描方式 LED显示器为电流型器件，有两种显示扫描方式。 n1静态显示扫描方式静态显示扫描方式 （1）显示电路n每一位LED显示

18、器占用一个控制电路，如图3-9所示。图3-9 静态扫描显示ag、dpag、dpag、dp DBCS0CS1CSn驱动器译码器锁存器驱动器译码器锁存器驱动器译码器锁存器 （2）程序设计n被显示的数据（一位BCD码或字模）写入相应口地址（CS0CSn）。n2动态显示扫描方式动态显示扫描方式 （1）显示电路n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ag、dp段驱动器锁存器位驱动器锁存器CS1CS0DB （2）程序设计n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。 DISPC

19、NT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。DISPBF +0低位+1+2+3+4+5高位 确定口地址 段驱动口地址：CS0 位驱动口地址：CS1 建立字模表SEGTB：DB3FH；0DB06H；1DB5BH；2DB4FH；3DB66H；4DB6DH；5DB7DH；6DB07H；7DB7FH；8DB6FH；9DB77H；ADB7CH；BDB39H；CDB5EH；DDB79H；EDB71H；F 显示程序流程图 显示程序流程图如图3-11所示。关显示关显

20、示根据根据DISPCNT的内的内容容从从DISPBF开始的单元中取被显示的数开始的单元中取被显示的数从从SEGTB中查表取字模中查表取字模送送CS0口口位驱动计数器位驱动计数器DRVCNT内容送内容送CS1口口位驱动计数器位驱动计数器DRVCNT内容左移一位内容左移一位显示位数计数器显示位数计数器DISPCNT内容加内容加1(DISPCNT)=00H(DRVCNT)=01HRETYN（DISPCNT）=06H?图3-11 显示程序流程图3.5 段型段型LCD显示器接口设计显示器接口设计3.5.1 LCD的发展过程的发展过程n1888年奥地利植物学家F.Reinetzer首先观察到液晶现象。n它

21、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。n1889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。n现在，液晶已形成一个独立的学科。液晶知识涉及多门学科，如化学、电子学、光学、计算机、微电子、精细加工、色度学、照明等。n要全面、深入了解液晶显示器件必须对上述提及的领域有一定的了解。n1液晶显示的优点

22、液晶显示的优点 （1）低压、微功耗n极低的工作电压，只要23V，工作电流只有几个微安，即功耗只有10-610-5W/cm2。这是任何别的显示器件做不到的。 （2）平板结构n液晶显示器的基本结构是两片导电玻璃，中间灌有液晶的薄形盒。 （3）被动显示型n液晶本身不发光，靠调制外界光达到显示目的，即依靠对外界光的不同反射和透射形成不同对比度来达到显示目的。 （4）显示信息量大 3.5.2 LCD的特点的特点n液晶显示中，各像素之间不用采取隔离措施或预留隔离区，所以在同样显示窗口面积内可容纳更多的像素，利于制成高清晰度电视。 （5）易于彩色化n一般液晶为无色，所以可采用滤色膜很容易实现彩色。液晶所能重

23、视的彩色可与CRT显示器相媲美。 （6）长寿命n只要液晶的配套件不损坏，液晶本身由于电压低，工作电流小，所以几乎不会劣化，寿命很长。 （7）无辐射、无污染nCRT显示中有X射线辐射，PDP显示中有高频电磁辐射，而液晶显示中不会出现这类问题。n2液晶显示的缺点液晶显示的缺点 （1）显示视角小n由于大部分液晶显示的原理依靠液晶分子的各向异性，对不同方向的入射光、反射率是不一样的，所以视角较小，只有3040，随着视角的变大，对比度迅速变坏。 （2）响应速度慢n液晶显示大多是依靠在外加电场的作用下，液晶分子的排列发生变化，所以响应速度受材料的粘滞度影响很大，一般均为100200ms。 （3）非主动发光

24、，暗时看不清n液晶是一种介于流体与固体之间的热力学的中间稳定相。其特点是在一定的温度范围内既有液体的流动性和连续性，又有晶体的各向异性，其分子呈长棒形，长宽之比较大，分子不能弯曲，是一个刚性体，中心一般有一个桥链，分子两头有极性。nLCD器件的结构如图3-12所示。 3.5.3 LCD的基本结构及工作原理的基本结构及工作原理下偏振片封接剂下电级基板（背)反射板.上电级基板（正）上偏振片电极液晶材料图3-12 液晶显示器基本构造n由于液晶的四壁效应，在定向膜的作用下，液晶分子在正、背玻璃电极上呈水平排列，但排列方向互为正交，而玻璃间的分子呈连续扭转过渡，这样的构造能使液晶对光产生旋光作用，使光的

25、偏振方向旋转90。n图3-13显示了液晶显示器的工作过程。n当外部光线通过上偏振片后形成偏振光，偏振方向成垂直方向，当此偏振光通过液晶材料之后，被旋转90，偏振方向成水平方向，此方向与下偏振片的偏振方向一致，因此此光线能完全穿过下偏振片而到达反射板，经反射后沿原路返回，从而呈现出来透明状态。n当在液晶盒的上、下电极加上一定的电压后，电极部分的液晶分子转成垂直排列，从而失去旋光性。因此，从上偏振片入射的偏振光不被旋转，当此偏振光到达下偏振片时，因其偏振方向与下偏振片的偏振方向垂直，因而被下偏振片吸收，无法到达反射板形成反射，所以呈现出黑色。n根据需要，将电极做成各种文字、数字或点阵，就可获得所需

26、的各种显示。光源 上偏振片液晶盒 下偏振片反射板图3-13 液晶显示工作原理3.5.4 LCD的驱动方式的驱动方式n液晶显示器的驱动方式由电极引线的选择方式确定，因此，在选择好液晶显示器之后，用户无法改变驱动方式。n液晶显示器的驱动方式一般有静态驱动和时分割驱动两种。由于直流电压驱动LCD会使液晶体产生电解和电极老化，从而大大降低LCD的使用寿命，所以现用的驱动方式多属交流电压驱动。n1静态驱动方式静态驱动方式n静态驱动回路及波形图如图3-14所示。n2时分割驱动时分割驱动n当显示字段增多时，为减少引出线和驱动回路数，必须采用时分割驱动法。n时分割驱动方式通常采用电压平均化法，其占空比有1/2

27、，1/8，1/16，1/32等等，偏压有1/2，1/3，1/4，1/5等。n液晶显示器除段形液晶显示器外，还有点阵液晶显示器，可显示汉字、图形、曲线等。V0 A 0 V0 B 0V0 V0 0-V0C A1=1 LCD A B C 0 0 0 0 1 1 1 0 1 1 1 0不显示显示图3-14 静态驱动回路及波形C0 A-C Bn随着计算机技术的普及，在20世纪90年代初，出现了一种新的人机交互作用技术触摸屏技术。利用触摸屏技术，用户只需要用手指轻轻触碰计算机显示屏上的图符或文字就能实现对主机的操作，摆脱了键盘和鼠标操作，使人机交互更为直截了当。n触摸屏作为一种较新的电脑输入设备，是目前最

28、简单、方便、自然的一种人机交互方式。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较为广泛，主要应用于公共信息的查询，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，办公、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，触摸屏还会走入家庭。触摸屏在工业控制领域也得到了广泛的应用。 3.6 触摸屏技术触摸屏技术 3.6.1 触摸屏技术概述触摸屏技术概述n 按照触摸屏的工作原理和传输信息的介质，触摸屏可以分为以下四类：电阻式、电容感应式、红外线式和表面声波式。n为操作方便，采用触摸屏代替鼠标或键盘。工作时，首先用手指或其它物体触

29、摸触摸屏，然后系统根据手指触摸的图标或菜单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，接受后送至触摸屏控制器。而触摸屏控制器的主要作用就是从触摸点检测装置上接受触摸信息，并将它转换成触点坐标，再送给CPU，它同时能接受CPU发来的命令并加以执行。n触摸屏的基本原理是用手指或其它物体触摸安装在显示器前端的触摸屏，所触摸的位置（以坐标形式）由触摸屏控制器检测，并通过接口（如RS-232串行口）送到CPU，从而确定输入的信息。 3.6.2 触摸屏的分类和工作原理触摸屏的分类和工作原理n电阻式触摸屏的工作原理。n电阻式触摸屏利

30、用压力感应进行控制。电阻触摸屏的主要部分是一块与显示器表面非常配合的电阻薄膜屏，这是一种多层复合薄膜，它以一层玻璃或硬塑料平板作为基层，表面涂有一层透明氧化金属（透明的导电电阻）导电层，在他们之间有许多细小的（小于）透明隔离点把两层导电层隔开绝缘。n当手指触摸屏幕时，两层导电层在触摸点位置就有了接触，电阻发生变化，在X和Y两个方向上产生信号，然后将这两个信号送至触摸屏控制器。控制器侦测到这一接触并计算出（X，Y）的位置，然后根据模拟鼠标的方式进行操作。n在计算机控制系统中，打印机是重要的外设之一。随着计算机本身性能的不断完善和用户要求的提高，打印机技术正在往高速度、低噪声、字迹清晰美观、彩色化、图形化方向发展。n打印机的种类很多，从与计算机的接口方法上，可以分为并行打印机和串行打印机；从打印方式上，有打击式打印机和非打击式打印机之分；从打印字符的形式上，有点阵式和非点阵式之分。n并行打印机接口通常按Centronics标准定义插头插座引脚，Centronics标准中各引脚和信号之间的对应关系如表3-4所示。 3.7 打印机接口电路设计打印机接口电路设计3.7.1 标准标准Centronics接口接口引脚号信 号方向