人机接口技术

第四章人机接口技术主要内容：键盘接口技术LED显示器及接口LCD显示器及接口触摸屏4.1键盘接口技术

键盘，是一种按钮，与开关不同的是它只有一个稳定的位置，当按下键盘时，改变了开关的位置，但是一旦放开就会回到原来的位置。因此在按键过程中会产生抖动，从而引起读键误判断，需要对键抖动进行处理。键抖动处理有硬件和软件两种处理方法，软件处理方法更方便更常用。键盘有简单键和矩阵键，应该根据实际情况来设计。在单片机应用系统中，键盘是人机对话的主要设备，用于向单片机应用系统输入数据、程序和操作命令。键盘分机械式键盘和触摸式键盘两大类。4.1.1键盘的接口必须解决下列的一些问题（1）决定是否有键按下；（2）如有键按下，决定是哪一个键被按下；（3）确定被按键的读数；（4）反弹跳—按键抖动的消除。（5）处理同时按键既同时有一个以上的按键。按键时产生抖动的波形示意抖动时间＜10ms开关动作时间＞100ms“1”“0”＜10ms硬件消除抖动法

硬件消除抖动的原理见图，是利用R-S触发器集成电路来实现消除抖动功能的。当键按下时，R-S触发器的1端为高电平，2端为低电平，尽管按下的键会产生抖动，但由于触发器的作用，在3端会产生一个稳定的低电平。在键松开的过程中，由于1端变为低电平，2端变为高电平，同样R-S触发器的作用，在3端会产生一个稳定的高电平。＆I/O接口＆+5v+5v消除抖动电路开关单片机123软件消除抖动法

硬件消除抖动法需要增加电子元件，电路复杂，特别是按键比较多的时候，实现起来有困难。而用软件消除抖动法，不需要增加电子元件，只要编写一段延时的程序,就可以达到消除抖动的作用。在软件消除抖动方法中，若CPU检测到有键按下，就执行一段延时程序后再检测此按键，若仍为按下状态，CPU则认为该键确实按下。同样，当键从按下再松开时，CPU检测到有键松开，并在延时一段时间后仍检测到键在松开状态，则认为键确实松开，这样就消除了抖动的影响，实现了软件消除抖动的功能。下图所示为软件去抖动判别程序的流程图。4.1.2非编码键盘的接口电路1）独立式键盘接口

是指直接用I/O口线构成的单个按键电路。每根I/O口线上按键的工作状态不会影响其他I/O口线的工作状态。

P1.0P1.1P1.7+5v（a）中断方式（b）查询方式

通过8255扩展的独立式按键接口电路

2）矩阵式非编码键盘

0

1+5vP1.0P1.1P1.4P1.5键盘I/O接口（1）扫描法列线输出，行线输入。列线逐行输出0，某行有按键，行线输入有0，若无按键，行线输入全部为1。键的输入方法（2）反转法行列线交换输入、输出，两步获取按键键号。（3）中断扫描方式有按键按下时发出中断请求信号,提高CPU的效率。等待键释放后再进行进一步处理。键扫描程序框图①入口有键按下？延时12ms有键按下？①NYNY键号入栈保存按键抬起？NY键号送A返回4.1.3编码键盘的接口电路4.2LED显示器及接口技术

发光二极管在仪器仪表中，可以用于各种信号指示、红外发光源，可用于光电测量和控制，还可做成光电隔离器，增加抗干扰能力，可以用于文字、图形显示。发光二极管的基本驱动电路如下图：

一般选取I=4～15mA，当取I=10mA，亮度已够，但使用寿命可以大大延长公共阳极hgfedcbaabcdgefh公共阴极hgfedcbaabcdgefhhgf……ahgf……a高电平点亮低电平点亮接高电平接地4.2.1LED数码显示器的结构＠单片机系统扩展LED数码管时多用共阳LED:共阳数码管每个段笔画是用低电平(“0”)点亮的,要求驱动功率很小；而共阴数码管段笔画是用高电平(“0”)点亮的，要求驱动功率较大。＠通常每个段笔画要串一个数百欧姆的降压电阻。4.2.2LED显示器译码1）硬件译码与软件译码硬件译码特点:采用专用的译码/驱动器件,驱动功率较大;增加了硬件的开销;软件编程简单;字型固定(比如:只有七段,只可译数字,字型不好看…)。共阴LEDabcdgefhgfedcbaDCBAP1.3P1.2P1.1P1.0CD4511AT89C5174LS48/CD4511是“BCD码→七段共阴译码/驱动”IC;74LS47是“BCD码→七段共阳译码/驱动”IC4511BCD-7段锁存/译码/驱动器引脚及真值表/LT：测试输入端。为低电平时，与输入无关、各段全亮。LE：锁存允许端。为高电平时，锁存输入的BCD码。/BI：灭灯输入端。为低电平时，各段全灭。RBI：高位零消隐输入端。当其有效时，如果BCD码为0，则产生消隐，即高位零不显。RBO：高位零消除输出端。当高位军发生消隐时，产生此信号，作多位显示消隐之用。

2）软件译码共阳LEDabcdgefhP1.0P1.1P1.2P1.3P1.4P1.5P1.6P1.7软件译码特点:

不用专用的译码/驱动器件，驱动功率较小；不增加硬件的开销；软件编程较复杂；字型灵活(比如：有八段，只可译多种字符，字型好看……)。4.2.3LED显示器显示方式1）静态显示方式

多位静态显示方式及其接口电路

2）动态显示方式P1.5P1.4P1.3P1.2P1.2P1.0P0.7P0.6P0.5P0.4P0.3P0.2P0.1P0.07406OC门X3上拉电阻×14+5VAT89C51共阴数码管位选线段代码多位动态显示方式及其接口电路

静态、动态显示方式的比较动态显示特点：有闪烁，用元器件少，占I/O线少，必须扫描，花费CPU时间，编程复杂。(有多个LED时尤为突出）静态显示特点：无闪烁，用元器件多，占I/O线多，无须扫描，节省CPU时间，编程简单。静态显示：各数码管在显示过程中持续得到送显信号，与各数码管接口的I/O口线是专用的。动态显示：各数码管在显示过程中轮流得到送显信号，与各数码管接口的I/O口线是共用的。五、直接访问方式接口电路80C3137310KΩP0.0~P0.7DB0~DB7

RDWRP2.7P2.6-5VD/IR/WVCCV0E/CSA/CSBA0A14.3LCD显示及接口1）LCD显示器的结构和工作原理结构图当上、下电极加上一定的电压，电极部分的液晶分子转成垂直排列，失去旋光性，从上偏振片入射的偏振光不被旋转，光无法通过下偏振片返回，因而呈黑色。LCD显示器可分为段式、字符型与图形LCD三种。2）笔段式LCD显示器（1）LCD显示器对驱动电路的要求

LCD驱动电路

LCD驱动电路工作电压波形

七段LCD数码显示器（2）笔段式LCD显示器的接口MC14543的引脚303)点阵式液晶显示器

HS12864与MCS-51单片机接口电路

MCS-51单片机与HS12864的接口有多种方式可供选择，根据实际的系统可用单片机直接与HS12864相连，也可通过扩展I/O与HS12864相连。HS12864的编程

由于点阵式液晶显示器可显示汉字、各种图形。要由单片机将这些汉字、图形送到LCD中的工作有两个难度，一是汉字取模，另一个就是要编写写汉字程序或写图片程序。

汉字取模

所谓汉字取模，就将汉字按点描述出来。按大小分常用的有16×16、24×24、48×48等，也可采用其他点阵，但最好是8的倍数。按取模方式分有横向取模和纵向取模，横向取模就是在一个汉字点阵中从左到右取一个字节，如16×16点阵汉字从左到右可取2个字节，一共有32个字节。纵向取模是从上到下取一个字节，16×16点阵的汉字从上到下可取2个字节，一共有32个字节。『汉”字字模图4.4触摸屏简介触摸屏的类型（检测方法分类）电阻式红外式电容式表面声波式1）电阻触摸屏电阻触摸屏的主要部分是一块多层的复合电阻薄膜，它最大的特点是不怕油污，灰尘，水。电阻触摸屏共同的缺点是因为复合薄膜的外层采用塑胶材料,不知道的人太用力或使用锐器触摸可能划伤整个触摸屏而导致报废。触摸屏的结构简图触摸屏的工作原理2）红外线触摸屏

红外线触摸屏原理红外触摸屏是利用X、Y方向上密布的红外线矩阵来检测并定位用户的触摸。

原理：两个带点的导体相互靠近会形成电容。定义：平行板电容C:正比于两平行班相对的面积A,正比于两导体之间介质的介电常数K,反比于两导体之间的相对距离D;3）电容式触摸屏

（1）平板电容器基本原理真空介电常数（2）电容触摸屏检测原理当手指触摸在金属层上时，由于人体电场，用户和触摸屏表面形成以一个耦合电容，对于高频电流来说，电容是直接导体，会影响电路整体电容特性。简单的说就是利用人体的电流感应进行工作；（3）电容触摸屏分类根据其扫描分类：自电容、互电容两种。自电容：扫描X/Y电极与地构成的电容。互电容：扫描X/Y电极之间的电容。（4）电容触摸屏原理一块四层复合玻璃屏，玻璃屏的内表面和夹层各涂有一层ITO，最外层是一薄层矽土玻璃保护层,夹层ITO涂层作为工作面,四个角上引出四个电极，内层ITO为屏蔽层以保证良好的工作环境。A.表面电容式-结构当手指触摸在金属层上时，由于人体电场，用户和触摸屏表面形成以一个耦合电容，对于高频电流来说，电容是直接导体，于是手指从接触点吸走一个很小的电流。这个电流分从触摸屏的四角上的电极中流出并且流经这四个电极的电流与手指到四角的距离成正比，控制器通过对这四个电流比例的精确计算，得出触摸点的位置。4）表面声波触摸屏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。玻璃屏的四个周边则刻有呈45°角由疏到密间隔非常精密的反射条纹。当发射换能器发射一个窄脉冲后，声波能量历经不同途径到达接收换能器，走最右边的最早到达，走最左边的最晚到达，早到达的和晚到达的这些声波能量叠加成一个较宽的波形信号。电阻式触摸屏的控制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。

ADS7843控制字Bit7(MSB)Bit6Bit5Bit4Bit3Bit2Bit1Bit0SA2A1A0MODEPD1PD0S：数据传输起始标志位，该位必为“1”。A2～A0通道选择，当A2～A0为001时，选择Y坐标输入；A2～A0为101时选择X坐标输入；A2～A0为010或11