机电一体化人机接口设计

1人机接口设计胡永旭2本节重点

了解人机接口的类型及特点掌握输入接口的几种典型类型及设计方法掌握输出接口的几种典型类型及设计方法3人机接口类型及特点人机接口是操作者与机电系统（主要是控制）之间进行信息交换的接口。按照信息传递的方式分为两大类：输入接口输出接口通过输入接口向系统输入各种控制命令和参数，对系统进行控制。通过输出接口向操作者反映系统的各个状态和参数以及结果等信息。常用输入设备控制开关拨码码盘键盘56人机接口的特点专用性低速性高性能性价格比人机接口的设计方案要根据产品的要求而定。对二值性的控制参数，可采用控制开关；对一些少量的数值参数可使用拨码码盘；当系统要求输入控制命令和参数较多时，可使用行列式键盘。与控制微机的工作速度相比，大多数人机接口设备的工作速度是很低的，在进行人机接口设计时，要考虑速度匹配问题。由于机电的结合，大大强化了机械系统的功能，使整个机电系统具有高性能的价格比。所以在人机接口设计时，输入/输出设备也应以小型、微型、廉价为原则。输入接口设计

左图为一简单开关输入电路，通过对A点电位进行检测，从而判断开关的状态。上拉电阻R的阻值越小，当开关处于断开状态（OFF）时，被传输的高电平值越高，但是当开关处于闭合状态（ON)时，流过开关触电的电流就越大。因此当采用这种电路时，上拉电阻的阻值应在全面考虑开关的触电电流和整个电路的功耗电流后再确定。开关输入接口设计R：上拉电阻OFF：高电平ON：低电平输入口输入波形A简单的开关输入电路8当开关电路使用带机械触电的开关时，在开关进行开、闭的瞬间，由于开关簧片的反弹会导致输出信号的抖动，即开关的触电在开、闭操作的瞬间，因机械振动会导致输出信号产生不规则的波动，由于开关的抖动使输入微机的信号变成如右图所示的波形。进行实际接口设计时可以采用以下两种方法去抖：软件去抖，通过程序对输入的开关信号进行处理，在检测到开关状态后，延时一段时间以进行检测，若两次检测到的开关状态相同则认为有效，否则按抖动处理。硬件去抖，采用如右图所示的去抖电路。开关：OFF高电平低电平开关：ON开关：OFF开关：ON发生抖动的时间在10ms以下OFFON积分后的输出史密斯触发器的输出史密斯触发器积分电路9拨盘输入接口设计BCD码拨盘的结构BCD码结构如右图：它由处于前面板的拨码盘和处于后侧板的接线端组成。拨码盘由上下两个拨盘按钮和夹在按钮中间的拨位数码指示器组成。拨位数码指示器是可随拨盘的拨动进行转动0～9十个数字,用以显示拨码盘当前数值。上面的拨码按钮为增量按钮,每按下一次,拨码盘正相旋转1/10周,拨位数码指示器显示的数值加1,连续按十次,数据将被还原;下面的拨码按钮为减量按钮,每按下一次,拨码盘反相旋转1/10周,拨位数码指示器显示的数值减1。接线端向外引出标有8、4、2、1、A的五个引脚。在实际应用中,BCD拨码盘可以直接插入BCD拨码盘插座中使用,也可以采取从5个引脚上分别焊接引线的方式使用.10位置84210000010001200103001l4010050101601107011l8100091001BCD拨码盘的接线端是当前拨码盘位置的反映,拨码盘数码显示的数值直接影响8、4、2、1四个引脚与公共引脚A的导通状态,例如,当前拨码盘拨位数码指示器的显示数据为7时,上图中的4、2、1引脚均与A导通,8引脚与A不导通;当前拨码盘拨位数码指示器的显示数据为4时,仅有4引脚与A导通,其余三个引脚与A均不导通。拨码盘从0拨到9,A引脚与8、4、2、1四个引脚的导通的状态如上表所示。此表中的0表示输入控制线A与输出线不通,表中的1表示输入控制线A与输出线相通。11BCD码拨盘的接口设计方法静态接口方法P1.3P1.2P1.1P1.012485.1kΩ×4+5V单片BCD拨盘与8031的接口电路由上述可知，BCD码可以直接与控制微机的并行口或扩口相连，以BCD码形式输入信息。右图示出了BCD码拨盘与8031的P1口的接口电路。从图中可以看出，每一片拨盘占用4根I/O口线，8031可以通过P1口直接读取拨盘数据。当系统需要输入N位十进制数时，可以选N片拨盘拼接，但如按上图接法，需要占用4N根I/O口线。为节省I/O口线，可采用动态接口方法。12动态接口方法&&&&8421A8421A8421A8421AP1.0P1.1P1.2P1.38031P1.4P1.5P1.6P1.7+5V4片BCD码拨盘与8031动态接口电路当进行读码盘操作时，先将p1.7

置成低电平，将P1.4、P1.5、P1.6置成高电平，此时从P1.0~P1.3读取的即为第四位码盘（千位）的值。同理，读取其它各位。13若希望将4位十进制数读入，并以压缩BCD码格式存入8031内部RAM30H、31H中，则相应程序可设计如下：MOVR0,#30HMOVP1,#7FH;P1.7=0MOVA,P1SWAPAMOV@R0,A;千位值送（30H）.4~7MOVP1,#0BFH;P1.6=0MOVA,P1XCHDA,@R0;百位值送（30H).0~3INCR0MOVP1,#0DFH;P1.5=0MOVA,P1SWAPAMOV@R0,A;十位值送（31H）.4~7MOVP1,#0EFH;P1.4=0MOVA,P1XCHDA,@R0;个位值送（31H）.0~3RET14键盘输入接口设计矩阵式键盘工作原理+5V01234567BA98CDEFX0X1X2X3Y0Y1Y2Y3键盘结构如上图，通常将行线通过上拉电阻接至+5V电源。当无键按下时，行线与列线断开，行线呈高电平。当键盘上某键按下时，则该键对应的行线与列线被短路。例如，7号键被按下闭合时，行线X3与列线Y1被短路，此时X3的电平由Y1电位决定。1501234567BA98CDEFP1.7P1.6P1.5P1.4P1.0P1.1P1.2P1.38031+5V键盘接口方法上图示出了8031通过P1口与一个4×4键盘的接口电路，其中P1.7~P1.4作扫描线，P1.3~P1.0作输出线。16键输入程序设计方法有键闭合？开始

调键扫描子程序，求键号，送（20H)延时10ms(A)=(20H)?键释放否？延时10ms键释放否？

认定键号，转相应键处理子程序返回返回返回NYNYNNYY判断闭合键的键号，方法为依次从P1.7~P1.4送出低电平，并从其他列线送出高电平，相应地顺序读入P1.3~P1.0的状态，若全为“1”，则列线输出为“0”的这一列上没有键闭合；若不全为“1”，则有键闭合。状态为低电平的键的行号加上其所在列的列首号即为该键键号。判断键盘上有无键闭合，其方法为在扫描线P1.7~P1.4上全部送“0”，然后读取P1.3~P1.0的状态，若全部为“1”，则无键闭合，若不全为“1”，则有键闭合。去除键的机械抖动，方法为读取键号后延时10ms,再次读键盘，若此键闭合则认为有效，否则认为前述键的闭合是由于机械抖动或干扰所引起的。使控制微机对键的一次闭合仅做一次处理，方法为等待闭合键释放后再处理。17输出接口设计

发光二极管显示器（LightEmittingDiode）的接口设计12345678abcdefgdpdpabcdefgDPYabcdefgdpCOM共阳极abcdefgdpCOM共阴极将发光二极管组成阵列，封装于标准外壳中，即发光二极管显示器（LED显示器）。以七段LED显示器最为常用。引线有共阳极与共阴极两种结构如图。18七段LED显示器接口电路设计静态工作方式的接口电路PC0···PC7PB0···PB7PA0···PA78255三位静态显示接口静态显示，就是当显示器显示某一个字时，相应的发光二极管恒定的导通和截至。这种显示方式的每一位都需要一个8位输出口控制。当显示位数很少(仅一、二位）时，采用静态显示方式是合适的。19动态工作方式接口电路8155扩展6位动态LED显示器的接口电路……PB0PB7PA5PA0815511117407+5V75452当显示器工作时，单片机通过8155的PA口送扫描数据，其中只有一位为高电平，经75452后，只有一位LED显示器的公共端为低电平。同时，显示位对应的数据通过PB口送出。因此，只有公共端为低的LED显示器有显示，依次改变PA口中为高电平的位，则6位LED显示器就顺序显示。当扫描频率足够高时，由于人眼的视觉暂留效应，6位显示器便得到连续稳定的显示。20点阵式LED显示器及接口设计1111P1.0P1.6P3.0P3.48031…+5V点阵式LED显示器接口电路74LS067545275452…如图8031的P1口接行线，P3口接列线。点阵式LED显示器的扫描方式有：行扫描和列扫描。列扫描：由列线控制口输出列选通信息，每次扫描只有一列信号有效，由P1口输出该列显示信息行扫描：由行线控制口输出选通信号，每次只有一行被选中，由P3口输出相应列显示信息。21LCD（LiquidCrystalDisplay

）液晶显示器：LCD的构造是在两片平行的玻璃当中放置液态的晶体，两片玻璃中间有许多垂直和水平的细小电线，透过通电与否来控制杆状水晶分子改变方向，将光线折射出来