计算机控制系统电子-李正军第3章课件

第3章人机接口技术

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（HMI-HumanMachineInterface或MMI-ManMachineInterface），通过设计一个过程运行操作台（或操作面板）来实现。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。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。显示生产工艺流程。为了完成上述功能，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。

3.1独立式键盘接口设计

3.1.1键盘的特点及确认

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。1．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3．消除按键的抖动消除按键抖动的方法有两种：硬件方法和软件方法。（1）硬件方法采用RC滤波消抖电路或RS双稳态消抖电路。（2）软件方法如果按键较多，硬件消抖将无法胜任，因此，常采用软件的方法进行消抖。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。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

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。1．采用可编程并行接口采用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3-3采用8255A扩展独立式按键10kΩ×8S1S2S3S4S5S6S7S8

PA0PA1PA2PA3PA4PA5PA6PA7+5V8255A当某一键按下时，对应位为0，用位检测可以识别按键的工作状态。2．采用三态缓冲器采用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D0D1D2D3D4D5D6D7KEYCS74HC2451A1B2A2B3A3B4A4B5A5B6A6B7A7B8A8BGDIRS1S2S3S4S5S6S7S8+5V10kΩ×8

3.2矩阵式键盘接口设计

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4×4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10kΩ+5V01231456728910113121314154123410kΩ10kΩ10kΩ

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。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。矩阵式键盘结构如图3-5所示。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。识别键盘有无键被按下的方法是：让所有行线均置为0电平，检查各列线电平是否有变化，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

3.2.2按键的识别方法

识别具体按键的方法是（亦称之为扫描法）：逐行置零电平，其余各行置为高电平，检查各列线电平的变化，如某列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。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。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

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。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。但是最常见的是按显示原理分类，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（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1．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30~45cd/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300cd/m2左右。2．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：3．分辨力分辨力是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。4．响应时间和余辉时间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。5．显示色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。3.4LED显示器接口设计

发光二极管（LightEmittingDiode,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。Losev于1923年发现了SiC中偶然形成的PN结中的发光现象。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。LED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16~160MHz；对于间接复合材料为105~106Hz；尺寸小。一般LED的PN结芯片面积为0.3mm2。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。LED的主要缺点是电流大，功耗大。LED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。图3-7a为共阴极接法，图3-7b为共阳极接法。LED数码显示器的外形图如图3-8所示。

3.4.1LED显示器的结构

COMCOM图3-7LED显示器结构图gabcdefdp图3-8LED显示器外形图abcdefgdpabcdefgdp3.4.2LED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。

1．静态显示扫描方式（1）显示电路每一位LED显示器占用一个控制电路，如图3-9所示。图3-9静态扫描显示a～g、dpa～g、dpa～g、dpDBCS0CS1…CSn…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）程序设计被显示的数据（一位BCD码或字模）写入相应口地址（CS0~CSn）。2．动态显示扫描方式（1）显示电路所有LED显示器共用a~g、dp段，如图3-10所示。图3-10动态扫描显示…a～g、dp段驱动器锁存器位驱动器锁存器···CS1CS0DB

（2）程序设计以六位LED显示器为例，设计方法如下。①设置显示缓冲区，被显示的数放于对应单元。②设置显示位数计数器DISPCNT，表示现在显示哪一位。DISPCNT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。③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⑥显示程序流程图显示程序流程图如图3-11所示。关显示根据DISPCNT的内容从DISPBF开始的单元中取被显示的数从SEGTB中查表取字模送CS0口位驱动计数器DRVCNT内容送CS1口位驱动计数器DRVCNT内容左移一位显示位数计数器DISPCNT内容加1(DISPCNT)=00H(DRVCNT)=01HRETYN（DISPCNT）=06H?图3-11显示程序流程图

3.5段型LCD显示器接口设计

3.5.1LCD的发展过程

1888年奥地利植物学家F.Reinetzer首先观察到液晶现象。它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。1889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60±15℃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。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。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。1．液晶显示的优点（1）低压、微功耗极低的工作电压，只要2~3V，工作电流只有几个微安，即功耗只有10-6~10-5W/cm2。这是任何别的显示器件做不到的。（2）平板结构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

3.5.2LCD的特点

2．液晶显示的缺点（1）显示视角小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30º~40º，随着视角的变大，对比度迅速变坏。（2）响应速度慢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100~200ms。（3）非主动发光，暗时看不清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。LCD器件的结构如图3-12所示。

3.5.3LCD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，使光的偏振方向旋转90º。图3-13显示了液晶显示器的工作过程。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90º，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。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。根据需要，将电极做成各种文字、数字或点阵，就可获得所需的各种显示。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3.5.4LCD的驱动方式

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。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。1．静态驱动方式静态驱动回路及波形图如图3-14所示。2．时分割驱动当显示字段增多时，为减少引出线和驱动回路数，必须采用时分割驱动法。时分割驱动方式通常采用电压平均化法，其占空比有1/2，1/8，1/16，1/32等等，偏压有1/2，1/3，1/4，1/5等。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。V0A0V0B0V0

V00-V0C

A1=1LCD

ABC000011101110不显示显示图3-14静态驱动回路及波形C0A-C

B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。触摸屏作为一种较新的电脑输入设备，是目前最简单、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

3.6.1触摸屏技术概述

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。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。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电阻式触摸屏的工作原理。电阻式触摸屏利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。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。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。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。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

3.7.1标准Centronics接口引脚号信号方向（对打印机）说明1STROBE入选通脉冲为低电平时，接收数据2DATA1入数据最低位3DATA2入4DATA3入5DATA4入6DATA5入7DATA6入8DATA7入9DATA8入数据最高位10ACKNLG出低电平时，表示打印机准备接收数据11BUSY出高电平时，表示打印机不能接收数据12PE出高电平时，表示无打印纸13SLCT出高电平时，指出打印机能工作14出低电平时，在打印一行后自动走纸15不用入表3-4Centronics标准引脚号信号方向（对打印机）说明16逻辑地17机架地18不用19-30地31INIT入低电平时，打印机复位32ERRIOR出低电平时