《智能仪表原理与设计》课件第二章

人机接口的设计

智能仪表通过人机接口与系统操作者进行信息交换和传输。人机接口由输入、输出设备和相应的连接与控制硬、软件组成，在实现最基本的信息交换功能的同时，人机接口在很大程度上也决定了仪表的可操作性和外观性能，其相关的程序通常是智能仪表监控程序的主体。

主要内容一、开关及接口二、按键、键盘及接口三、LED显示器及接口四、键盘、显示器接口设计五、液晶显示器(LCD)及其接口

一、开关及接口

开关在智能仪表中被用来设置工作状态和命令，以便选择不同的功能。开关只有“断开”与“闭合”两种稳定（由机械保证）的.下图为一些常用开关的例子。

1.开关的基本形式

一、开关及接口通过简单的电路可将这两种状态转换为逻辑电平的“0”与“1”，从而在接口电路的控制下被CPU所检测。图2.1是一个简单的开关接口电路，开关的状态直接与I/O端口连接。图2.2的一些开关的状态则通过三态缓冲器再与微机的总线相连接。

1.开关的基本形式

一、开关及接口

互锁式开关可看作是多个开关的组合，但在任何时刻仅仅只有一个开关闭合或全部断开，按动某一开关闭合时，则互锁作用将使原处于闭合的开关断开。互锁式开关的外部结构通常为琴键式或波段旋钮式的结构，前者可自由地从一个位置切换到另一个位置;而后者则只能按旋转方向顺序选择，且有暂态选择输出，在软件处理上应加以注意。互锁式开关多用于控制程序流向，完成不同功能的选择。图2.3所示的是互锁式开关的一个应用实例。

2.互锁式开关

一、开关及接口数字拨码盘是一种数据输入器件，其外型如图2.4(a)所示，在圆形轮盘上标有0～9十个数字;按动一次“+”按钮，轮盘转动，数字加1，按动一次“-”按钮则数字减1;数字拨码盘的内部是一个8、4、2、1码的四位组合开关，其电路可等效为图2.4(b)所示的四位开关组合，但开关的闭合状态则以BCD码对应于轮盘所显示的数字。在图2.4(b)中，若以1表示开关闭合，0表示断开，则拨出数字5所对应的开关S3、S2、S1、S0输出为0101.

3.数字拨码盘BCD拨码盘

一、开关及接口①.无条件方式：在需要开关状态信息时就读开关状态，其它时间的开关状态改变，系统不会响应，直到下一次读开关时才会被检测到。这种方式不需要额外的软、硬件开销，可看作是实时处理。

②.查询方式：在CPU读开关状态前，给出提示信息，要求操作者检查开关设置是否正确或重新设置开关状态，操作者在完成开关操作后，反馈给CPU一个开关设定完毕的信息，CPU再读开关状态。需要显示输出设备和软件的配合。③.中断方式：若操作者希望系统立即响应对开关的操作，则需要采用中断方式。在硬件处理上通常要增加一个按键以产生中断信号。

4.开关接口的工作方式主要内容一、开关及接口二、按键、键盘及接口三、LED显示器及接口四、键盘、显示器接口设计五、液晶显示器(LCD)及其接口

二、按键、键盘及接口

与开关一样，按键也具有“断开”和“闭合”两种状态，通过接口电路对应于0和1两个逻辑电平;不同之处在于，按键的“闭合”是暂态，当操作者停止按压时，按键即恢复到“断开”状态，因此，按键适用于连续快速的输入操作。但按键不像开关对输入的状态具有保持作用，按键通常与输出显示配合使用，利用显示输出对按键操作给予反馈。另外，开关是各状态设置好后再输入的，而按键则是在操作中输入的（动态），因此，按键需解决抖动和单次键入的问题，以协调操作的机械过程慢与CPU读入判断过程快之间的矛盾。

1、按键及其接口按键键盘键盘二、按键、键盘及接口⑴.按键的去抖动

按键从最初按下到稳定接触要经过数毫秒的抖动过程，按键松开时也存在同样的问题，如图2.5所示。对于高速运行的微机系统，这数毫秒的抖动将引起多次读数的误动作，因此，按键必须进行去抖动处理，去抖动通常有硬件（互锁）和软件（延时）两种方案。现在基本都用软件方法。

1、按键及其接口二、按键、键盘及接口⑵.按键的单次键入操作者按下键、观察到系统响应、再松开按键的一次按键操作过程的时间量为秒级，会造成按键单次键入而CPU却多次响应的问题。通常仍采用软件的方法来解决按键单次键入的问题，即当CPU测得按键按下的信号时，不立即转入处理程序，而是反复检测按键的状态，直到按键被松开才认为一次按键操作有效。图2.7和图2.8分别为软件方式去抖动示意图和按键单次键入的程序流程图。

1、按键及其接口二、按键、键盘及接口⑶.串键处理当多个按键并列使用时，因操作因素可能将双键或多键同时按下，此时程序应考虑对串键的处理。对串键最简单的处理是做无效输入而不予理睬。也可采用双键锁定的原则，即串键时不判断键值，只到按着仅剩的一个键时，才判断键值。⑷.按键接口的工作形式

对按键的处理应具有实时性，CPU处理按键的方式可采用中断或定时查询的方式。

1、按键及其接口二、按键、键盘及接口⑴.矩阵式键盘矩阵式键盘又称行列式键盘，在结构上由m行n列的线构成矩阵，在每个行、列线的空间交叉接点上可跨接一个按键，则构成m×n个按键的键盘。按压键判断是矩阵式键盘的中心问题，通常可采用逐行扫描法和口线反转法进行按压键的判断。⑵.逐行扫描法图2.10所示的是4×4键盘与MCS-51单片机P1口的接口电路，设P1.0～P1.3为行输出口线，P1.4～P1.7为列输入口线(说明:对于矩阵式键盘，行、列只是个相对概念，但为了与“逐行扫描法”的名称对应，我们固定称扫描输出为行、状态输入为列)

2、键盘及其接口二、按键、键盘及接口⑶.口线反转法口线反转法键值判断快，程序较简单，但要求与键盘矩阵接口的端口为可编程的输入/输出端口，在端口设置灵活的单片机系统中，这一要求易于满足。口线反转法在智能仪表中的应用不如逐行扫描法广泛。图2.11用口线反转法的键盘电路

2、键盘及其接口二、按键、键盘及接口⑷.键盘电路的优化

如何在使用统一I/O线数量和不断增加硬件的前提下，设计更多的按键是硬件工程师不断追求的目标。如8线准矩阵式键盘电路可以比矩阵扫描式键盘具有更多的按键。⑸.按键和键盘的具体组成形式

●有可动触点的（弹性膜片）按键

●无可动部件的（导电橡胶）按键●触摸屏

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四、键盘、显示器接口设计五、液晶显示器(LCD)及其接口

三、LED显示器及接口

图2.15(a)所示的是最常见的七段数码显示器的示意图，显示器主体由七个条形LED（发光二极管）组成，分别被称做a、b、c、d、e、f、g七段，点亮不同的段，可组成数字0～9和一些英文字母及特殊的符号。一般在右下角还有一圆形LED用于显示小数点，称做dp段（共8段）。在实际应用中，显示器的每一段都应接一限流电阻，以保护各段对应的LED，限流电阻阻值R可按如下公式计算:Vcc为接入显示器的驱动电压；Vd、Id分别是段LED的压降和工作电流。R取值以适中最好，过大则显示器亮度不足;过小则Id过大，LED进入发光的饱和区，亮度提高不大却降低了器件的使用寿命。一般每段10mA左右。

1.LED数码显示器三、LED显示器及接口

●

分类：一般，高亮，超高亮；（现用得较多的是高亮。）

●

在选用LED数码显示器时，有共阴、共阳的极性选择；（如下图）

●

还有器件几何尺寸的选择，如0.5”

、0.3”、1”等；不同尺寸器件的引脚排列区别很大；如下图

●

超大尺寸显示器内的一段是由多个LED共同组成的，要求的驱动电压较高。

1.LED显示器三、LED显示器及接口

①.数码显示器的段译码为了在七段显示器上显示数字或字符，需要将数字或符号转换为对应的显示器的LED段码，这一过程称段译码。段译码有硬件译码和软件译码两种方法。

●硬件译码例如CD4511：输入BCD码，输出段码；

●软件译码查表：数字\符号——段码字；（PC机字库）②.显示器的驱动形式分为静态驱动和动态驱动两种形式。

●静态驱动：如图2.16所示的是一个锁存器（可硬译码、也可软译码）对应一位显示器的接口形式，称之为静态显示，只要将显示信息送入锁存器中，显示器就将持续显示该信息，显示亮度易于保证，软件编程也只是外设的写操作。其缺点是当显示器位数较多时，需要较多的锁存器、限流电阻等硬件，不但成本高，功耗也大。

2、LED数码显示器与CPU的接口三、LED显示器及接口●静态驱动：2、LED数码显示器与CPU的接口三、LED显示器及接口●

动态驱动：当显示器位数较多时，宜采用动态显示驱动方式。动态显示的原理是利用人生理上的视觉残留现象，使各显示器轮流通电点亮，当每个显示器点亮的通电频率在50Hz以上时，人眼就不会感到显示器的闪动了。如图2.17所示，通过控制两锁存器的内容按一定时序循环，可实现动态显示。2、LED数码显示器与CPU的接口主要内容一、开关及接口二、按键、键盘及接口三、LED显示器及接口四、键盘、显示器接口设计

五、液晶显示器(LCD)及其接口

四、键盘、显示器接口设计

如图所示，动态显示接口，但扫描要消耗单片机的资源1.由I/O端口支持的键盘、显示器接口电路四、键盘、显示器接口设计⑴.8279芯片简介图(a)所示的是8279芯片的引脚图，该芯片为40脚引线双列直插式，单+5V供电，可接16个LED显示器，64个按键，自动去抖，可中断申请。图(b)所示的为其功能逻辑图。8279的功能强，应用灵活多样，相应的控制字和命令较多。2.键盘显示器专用接口芯片8279四、键盘、显示器接口设计⑵.8279芯片的命令格式与命令字

8279芯片内部空间由地址线A0分成两部分，即命令空间和数据空间，A0=1为对命令寄存器操作，写入的为命令字，读出的为FIFO状态字;A0=0为对数据寄存器操作，通过送入不同的控制字，CPU可写入、读出显示RAM数据和读出FIFO的数据。⑶.8279芯片应用设计①电路构成图2.20所示的是由8279构成的键盘、显示器电路与MCS-51接口的实际应用电路图，电路中有6位LED数码显示器和3×8矩阵键盘，所以8279工作在编码方式，配合外电路3～8译码器（74HC138）生成硬件形式的键盘与显示器动态扫描信号。

2.键盘显示器专用接口芯片8279四、键盘、显示器接口设计

2.键盘显示器专用接口芯片82798279构成的键盘显示模块四、键盘、显示器接口设计②.消隐问题

8279的内部时序为动态显示提供了消隐信号,在显示RAM更新数据、扫描线切换的时刻，显示器的显示内容是不确定的，在这一时刻BD线上输出为低电平以供消隐（动态显示消隐信号）。实践表明，8279提供的消隐信号必须使用，否则显示将非常模糊。③.8279芯片应用的程序举例

8279芯片是比较典型的可编程芯片，在实际使用可编程芯片时，应注意其上电复位的时间可能比CPU复位时间要慢的问题，所以程序中在对8279芯片初始化之前，需一个约10ms的延时。

初始化：工作方式、时钟设定、清除命令；

随时控制：先写（送）命令、再写（送）数据（显示RAM），先写（送）命令、再读（取）数据（键值）；2.键盘显示器专用接口芯片8279四、键盘、显示器接口设计⑴.zlg7289芯片简介

zlg7289A是广州周立功单片机发展有限公司自行设计的具有SPI串行接口功能的可同时驱动8位共阴式数码管（或64只独立LED管）的智能显示驱动芯片。该芯片同时还可连接多达64键的键盘矩阵，单片即可完成LED显示﹑键盘接口的全部功能。zlg7289A还具有多种控制指令如消隐﹑闪烁﹑左移﹑右移﹑段寻址等。zlg7289A具有片选信号，可方便地实现多于8位的显示或多于64键的键盘接口。（内部有89c2051单片机）。特点：●

SPI串行接口，无需外围元件可直接驱动LED

●各位独立控制译码/不译码及消隐和闪烁属性

●循环左移/循环右移指令

●具有段寻址指令，方便控制独立LED管

●64键键盘控制器，内含去抖动电路3.键盘显示器专用接口芯片zlg7289四、键盘、显示器接口设计⑵.SPI串行接口zlg7289A采用串行方式与微处理器通讯，串行数据从DATA引脚送入芯片，并由CLK端同步。当片选信号变为低电平后，DATA引脚上的数据在CLK引脚的上升沿被写入zlg7289A的缓冲寄存器。（如图为串行接口的时序图）3.键盘显示器专用接口芯片zlg7289四、键盘、显示器接口设计⑵.SPI串行接口

zlg7289A的指令结构有三种类型：①.不带数据的纯指令指令的宽度为8个BIT，即微处理器需发送8个

CLK脉冲。②.带有数据的指令宽度为16个BIT，即微处理器需发送16个CLK脉冲。③.读取键盘数据指令宽度为16个BIT，前8个为微处理器发送到

zlg7289A的指令，后8个BIT为zlg7289A返回的键盘代码。执行此指令时，zlg7289A的DATA端在第9个CLK脉冲的上升沿变为输出状态，并与第16个脉冲的下降沿恢复为输入状态，等待接收下一个指令。3.键盘显示器专用接口芯片zlg7289四、键盘、显示器接口设计⑶.应用设计：下图为zlg7289A的典型应用图

3.键盘显示器专用接口芯片zlg7289四、键盘、显示器接口设计⑶.应用设计：zlg7289A应连接共阴式数码管，应用中，无需用到的数码管和键盘可以不连接。如果不用键盘，则典型电路中连接到键盘的8只10K电阻和8只100K下拉电阻均可以省去。如果使用了键盘，则电路中的8只10K电阻和8只100K下拉电阻均不得省略，除非不接数码管，否则串入DP及SA-SG连线的8只电阻均不能省去。因为采用循环扫描的工作方式，如果采用普通的数码管，亮度有可能不够，采用高亮或超高亮的型号，可以解决这个问题。数码管的尺寸，也不宜选的过大，一般字符高度不超过1英寸，如使用大型的数码管，应使用适当的驱动电路。zlg7289A需要一外接晶体振荡电路供系统工作。其典型值分别为F=16MHz，C=15P，如果芯片无法正常工作，请首先检查此振荡电路。在印刷电路板布线时，所有元件，尤其是振荡电路的元件应尽量靠近zlg7289A，并尽量使电路联线最短。注意：如果有2个键同时按下，zlg7289A将只能给出其中一个键的代码，因此zlg7289A不适于应用在需要2个或2个以上键同时按下的场合。

3.键盘显示器专用接口芯片zlg7289四、键盘、显示器接口设计⑷.接口程序：下面给出PHILIPS公司的P87LPC762与zlg7289A连接的接口实例。程序所完成的功能为等待键盘输入，然后将所读到的键盘码转换成十进制后，送回zlg7289A显示，同时将前面的显示内容左移，并使当前按键值闪烁。硬件连接如图2.23所示。P87LPC762无SPI接口，因此用端口进行模拟。

3.键盘显示器专用接口芯片zlg7289主要内容一、开关及接口二、按键、键盘及接口三、LED显示器及接口四、键盘、显示器接口设计五、液晶显示器(LCD)及其接口

液晶显示器(LCD)及其接口

液晶显示器(LCD)是一种功耗极低、体积小、重量轻的显示器件，是袖珍仪表和低功耗系统中的首选器件。随着制造技术的发展，液晶显示器的性能价格比不断提高，在智能仪表中的应用日益广泛。

五、液晶显示器(LCD)及其接口液晶显示器正是利用液晶分子排列结构的可极化性和旋光特性工作的。如图，器件由偏振方向垂直的上、下偏振片、反光片、上下电极和封于上下电极之间的液晶材料组成。液晶分子平行排列，上下扭转90，具有旋光效应。常态下，外部光线通过上偏振片后形成偏振光，该偏振光通过分子平行排列的液晶材料后被旋转90，就可以通过下偏振片，再被反射回来，器件看起来是“亮”的透明状态。反之器件呈“暗”的黑色。根据需要，将电极做成字段、图形、或点阵，即可构成段码式、字符点阵式和图像点阵式等各种液晶显示器。

1.液晶显示器的原理五、液晶显示器(LCD)及其接口

液晶显示器以被动的方式进行显示，需要在外界光线的作用下才能有显示作用，如果要在光线不足的环境中使用液晶显示器，则需采用背光型LCD显示器，背光型LCD显示器自身提供背景光源。LCD显示器的视角相对小一些。选用LCD器件时还应根据使用的环境温度，相应地选择常温型、宽温型、特宽温型等种类。（如下图为背光LCD）

1.液晶显示器的原理五、液晶显示器(LCD)及其接口段码式LCD每个字的电极配置与七段数码管相似，通常由多位字符构成一块液晶显示片，其驱动方式有静态驱动和时分割驱动两种，不同的驱动方式对应不同的电极引线连接方式。⑴.静态驱动方式对于段码式LCD，如果每一个显示段对应的电极均引出，则应采用静态驱动方式，即一个段对应一个驱动器，显然对于3位半、4位半这类显示段数较少的器件，适宜于采用静态驱动方式。（如下图对LCD某一字段进行静态驱动的原理图和波形图）2.段码式液晶显示器五、液晶显示器(LCD)及其接口图2.26所示的是采用液晶驱动器件CD4543和CD4054构成的3位半LCD静态显示电路。CD4543是具有锁存功能的BCD七段译码液晶驱动电路，用于驱动低三位数字;CD4054是4位锁存液晶驱动器，用于驱动高位的1两段和小数点;多谐振荡器CD4047提供液晶驱动必需的方波信号;对于8位宽度的数据总线，该电路占用两个I/O空间，为配合CPU的写入时序，使用与非门74HC02生成CD4543和CD4054的锁存脉冲。2.段码式液晶显示器五、液晶显示器(LCD)及其接口⑵.时分割法驱动方式当显示字段增多时，为减少引出线和驱动电路，需要采用时分割驱动法。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、1/11、1/16、1/32、1/64等，偏比有1/2、1/3、1/4、1/5、1/7、1/9等。如图所示的为8位计算器LCD电极引线及1/3偏置时分割驱动波形。2.段码式液晶显示器五、液晶显示器(LCD)及其接口要进行较多信息的显示时，可采用字符点阵式。点阵式液晶的电极数目较多，显示控制和驱动较为复杂，普通用户可选用标准化的点阵式LCD模块，这些模块集LCD控制器和驱动器于一体，对用户来说相当于一个可编程的显示模块，软件工作只是送入适当的控制字和显示数据，其余的工作由模块内置的控制器完成，该控制器是