机电一体化 人机接口设计
机电一体化系统中的接口技术分析
机电一体化系统中的接口技术分析摘要：随着我国经济水平的有效提升和机电设备整体水平的不断进步，在机电一体化系统中的接口技术得到了越来越广泛的应用。
本文从对接口技术进行简析入手，对机电一体化系统中的接口技术进行了分析。
关键词：机电一体化；接口技术；系统分析在我国的机电设备发展过程中机电一体化系统有着极为重要的意义，而机电一体化系统的应用则离不开接口技术的有效支持。
因此在这一前提下对于机电一体化系统中的接口技术进行研究与分析就具有极为重要的经济意义与现实意义。
1 接口技术简析接口技术是一项系统性的技术，其主要内容包括了人机接口技术、输入接口技术、输出接口技术等内容。
以下从几个方面出发，对接口技术进行了分析。
1.1 人机接口技术人机接口技术是接口技术的主要组成部分。
通常来说人机接口技术的操作者往往是与机电系统如控制微机之间通过接口来进行信息的有效交换，而在这一过程中接口会依照信息的传递方向来形成不同的信息数据。
除此之外，在人机接口技术中，根据运行参数、数据结果、状态信息的不同，操作者常常可以得到不同程度的进行反馈，因此在这一前提下工作人员应当注重通过人机接口来向机电系统传输各种不同控制指令来更好地干预和纠正系统的运行状态，最终有效的实现系统功能自身的工作要求。
1.2 输入接口技术输入接口技术自身也包括不同的技术种类。
例如拨盘输入接口拨盘是我国较为常见的一种输入设备，在这一输入设备中通过输入少量的参数并且进行控制目标的修正，工作人员就可以较为方便的对于拨盘进行运用并且能够具有较好的应用效率。
除此之外，保持性拨盘通常包括了许多种类，最为方便使用的是人机接口输入信息，在这一输入过程中工作人员可以通过技术应用直接与控制微机的扩展口或者是并行口相连。
并且可以用码形式来进行信息的输入，从而能够较为便利的进行程序的启动和按键的识别以及数据的扫描，最终促进技术应用效率的持续进步。
1.3 输出接口技术输出接口技术是与输入接口技术相对应的接口技术，这一技术较为典型的输出设备是发光二极管显示器，并且这一显示器往往具有可靠性较高、寿命较长、应用简单、体积较小、价格便宜等优越性，因此被广泛的使用在机电一体化系统中。
机电一体化系统的接口机电一体化
机电一体化系统的接口 - 机电一体化在机电一体化系统中，系统总体技术主要争辩内容是：系统方案设计和评价；接口技术；精度设计；牢靠性分析和设计；人机工程设计。
一、接口的定义和分类定义：狭义接口是指计算机接口；广义接口：在系统各要素或子系统之间，必需平稳地进行物质、能量和信息的输入和输出。
因此在相互连接要素的交接面上必需具备相应的某些条件，才能连接，该交接面称为接口。
接口可分为直接接口和接口系统两种形式。
图1 直接接口与接口系统常用接口的分类方法：1.依据接口的变换和调整功能，可将接口分为零接口、被动接口、主动接口和智能接口；2.依据接口的输入/输出对象，可将接口分为机械接口、电气接口、信息接口与环境接口等；3.依据接口的输入/输出类型，可将接口分为数字接口、开关接口、模拟接口和脉冲接口。
二、电气接口依据在系统中所起的作用，分为输入接口、输出接口；信号转换与隔离接口；设备专用接口；通信显示接口。
（一）、异步串行通信接口RS-232C；接口信号、电气特性、电平转换RS-499，RS-422A，RS-423A，RS-485；20mA电流环（二）常用接口元件1.光电耦合器在把握微机和功率放大电路之间，经常使用光电耦合器。
光电耦合器由发光二极管和光敏晶体管组成，当在发光二极管二端加正向电压时，发光二极管点亮，照射光敏晶体管使之导通，产生输出信号。
光电耦合器的信号传递实行电-光-电形式，发光部分和受光部分不接触，因此其绝缘电阻可高达1010W以上，并能承受200OV以上的高压，被耦合的两个部分可以自成系统，能够实现强电部分和弱电部分隔离，避开干扰由输出通道窜入把握微机。
光电耦合器的发光二极管是电流驱动器件，能够吸取尖峰干扰信号，所以具有很强的抑制干扰力量。
光电耦合器作为开关应用时，具有耐用、牢靠性高和高速等优点，响应时间一般为数微秒以内，高速型光电耦合器的响应时间有的甚至小于10ns 。
图2 光电耦合器件图b是光电耦合器的接口电路，图中的VT1是大功率晶体管，W是步进电动机、接触器等的线圈，VD2 是续流二极管。
机电一体化技术接口技术
② 七段LED显示器接口电路设计 a. 静态工作方式的接口电路 8255 PC0···PC7 PB0···PB7 PA0···PA7
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。
② 低速性 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。
③ 高性能性
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。
返回 5
二． 输入接口设计
1
2 a DPY
3b
a
c
4 5
f
d
g
b
e
6
e
f
d
c
7 g
dp
8
dp
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。
a b c d e f g dp
COM 共阳极
a b c d e f g dp
COM 共阴极
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。 常用的输出设备：状态指示灯，发光二极管，液晶显示器，微型 打印机，阴极摄像管显示器，扬声器等。
4
① 专用性
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。
机电一体化技术接口技术
② 键盘接口方法
P1.7 P1.6
P1.5
P1.4
8031 P1.0
0
P1.1 1
2
P1.2
3
P1.3
48C 59D 6 AE 7BF
+5V
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。
返回
Ⅲ.输出接口设计
① 发光二极管显示器（Light Emitting Diode）的接口设计
10
② 七段LED显示器接口电路设计 a. 静态工作方式的接口电路 8255 PC0···PC7 PB0···PB7 PA0···PA7
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。
输出接口
• 在机电一体化产品中，很多被控对 象要求模拟量作控制信号，如交流 电动机变频调速器、直流电动机调 速器、滑差电动机调速器等，而计 算机系统是数字系统。
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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。
a b c d e f g dp
COM 共阳极
a b c d e f g dp
COM 共阴极
史密斯触 发器的输出
人机接口设计分析实验报告
人机接口设计分析实验报告1. 引言人机接口设计是将人与机器之间的交互过程优化和改善的关键环节。
本实验旨在通过对既定的人机接口进行分析比较，了解不同设计的优劣势，以期为未来的人机接口设计提供参考和指导。
2. 实验过程2.1 实验设备本次实验使用的实验设备包括一台电脑和两个键盘鼠标组合。
其中，键盘鼠标组合A为常见的传统设计，键盘鼠标组合B为采用了人体工学原理设计的新型设备。
2.2 实验步骤实验分为两个阶段进行，每个阶段分别测试使用键盘和鼠标进行文字输入和屏幕点击操作的效果。
- 阶段一：使用键盘进行文字输入1. 使用键盘鼠标组合A，在规定时间内，尽可能快速而准确地输入一段文字。
2. 记录需要的时间和错误率。
3. 重复步骤1和2，使用键盘鼠标组合B进行测试。
- 阶段二：使用鼠标进行屏幕点击操作1. 使用键盘鼠标组合A，在规定时间内，完成规定数量的屏幕点击操作。
2. 记录需要的时间和错误率。
3. 重复步骤1和2，使用键盘鼠标组合B进行测试。
2.3 实验结果根据实验步骤中记录的数据，统计和分析实验结果，得出以下结论：1. 阶段一的结果显示，键盘鼠标组合B相比于组合A，文字输入效率更高且错误率更低。
这可能与组合B采用了人体工学原理设计，使得按键更加平滑，操作者的手指在按下按键时不易产生错误。
2. 阶段二的结果显示，键盘鼠标组合B相比于组合A，屏幕点击操作更加稳定且反应更快。
这可能与组合B鼠标的形状和按键的设计更加符合人体工程学原理，使得使用者更容易准确点击屏幕上的目标。
3. 分析和讨论通过对实验结果的分析和讨论，得出以下结论：1. 人体工学原理对人机接口设计具有重要影响。
组合B采用了人体工学原理设计，因此在实验中表现出更好的效果。
传统设计的组合A在一定程度上限制了使用者的操作效率和准确性。
2. 人机接口设计应充分考虑人的生理和心理特点。
组合B在形状、按键、鼠标灵敏度等方面进行了优化，从而提高了使用者的操作体验。
机电一体化 第4章 接口设计概述
4.3.1 输入接口 在机电一体化系统中，常见的输入设备有控 制开关，按键，键盘等，它们共同的特点就 是在CPU允许输入接口进行数据输入的时候， 将外设的数据传送到数据总线上。
1、简单开关输入接口设计
输入 波形 输 入 口
R:上拉电阻 OFF:高电平 ON: 低电平
简单的开关输入电路
开关：OFF 开关：ON
4.2.1 ISA总线与EISA总线 （1）ISA（industrial standard architecture）总线标 准是IBM 公司1984年为推出PC/AT机而建立的系统 总线标准，所以也叫AT总线。它是对XT总线的扩 展，以适应8/16位数据总线要求。 ISA总线采用独立于CPU的总线时钟，因此CPU可 采用比总线频率更高的时钟，有利于CPU性能的提 高。但ISA总线没有支持总线仲裁的硬件逻辑，因 此不支持多台主设备系统，且ISA上的所有数据的 传送必须通过CPU或DMA接口来管理，因此使CPU 花费了大量时间来控制与外部设备交换数据。ISA 总线时钟频率为8MHz，最大传输率为16MB/s。
CPU
Cache
RAM VESA总线 RAM
传统总线控制器
高速设备
传统总线（ISA、EISA、MCA、...）
设备
...
设备
VESA总线系统结构
4.2.3 PCI总线 PCI(peripheral component interconnect)总线是当 前最流行的总线之一。 与CPU时钟频率无关，自身采用33MHz的时钟频 率，定义了32位数据总线，且可扩展为64位，数据 传输率达132～246MB/s。 PCI总线主板插槽的体积比原ISA总线插槽还小， 其功能比VESA、ISA有极大的改善，支持突发读写 操作，最大传输速率为132MB/s，可同时支持多组 外围设备。 PCI控制器有多级缓冲，可把一批数据快速写入缓 冲器中。在这些数据不断写入PCI设备过程中；CPU 可以执行其他操作，即PCI总线上的外设与CPU可以 并行工作。
机电一体化人机接口类型及特点
机电一体化人机接口类型及特点人机接口：操与机电系统(主要是掌握微机)之间进行信息交换的接口。
人机接口分类：
根据信息的传递方向，可以分作两大类：输入接口与输出接口。
人机接口作用：
（１）通过输出接口向操显示系统的各种状态、运行参数及结果等信息；
（２）通过输入接口向机电系统输入各种掌握命令，干预系统的运行状态，以实现所要求完成的任务。
常用的输入设备有：掌握开关、BCD二—十进制码拨盘、键盘等；
常用的输出设备有：状态指示灯、发光二极管显示器、液晶显示器、微型打印机、阴极射线管显示器等，扬声器
设计人机接口时的要求：
1．专用性
人机接口的设计方案要依据产品的要求而定，来完成产品特定的功能。
例如：对于一些简洁的二值性的掌握参数，可以考虑采纳掌握开关；对于一些少量的数值型参数的输入可以考虑使用BCD码拨盘；而当系统要求输入的掌握命令和参数比较多时，则应考虑使用行列式键盘等等。
2．低速性
在进行人机接口设计时，要考虑掌握微机与接口设备间的速度匹配，提高掌握微机的工作效率。
3．高性能价格比
在进行人机接口设计时，在满意功能要求前提下，输入、输出设备配置以小型、微型、廉价型为原则。
机电一体化第4章 控制系统及接口设计(4.9显示器和键盘)
5
控制系统及接口设计-接口技术
2．LED动态显示方式 静态LED显示法有着显示亮度大，软件较为简单的优点， 但硬件上使用芯片多，每个LED显示器需要一个驱动电路。 动态扫描是指采用分时的方法，轮流控制各个显示器 的COM端，使各个显示器轮流点亮。基本做法在于分时 轮流选通数码管的公共端，使得各数码管轮流导通，在选 通相应LED后，即在显示字段上得到显示字形码。这种方 式不但能提高数码管的发光效率，而且由于各个数码管的 字段线是并联使用的，从而大大简化了硬件线路。 在轮流点亮扫描过程中，每位显示器的点亮时间是极 为短暂的（约1ms），但由于人的视觉暂留现象及发光 二极管的余辉效应，尽管实际上各位显示器并非同时点亮， 但只要扫描的速度足够快，给人的印象就是一组稳定的显 示数据，不会有闪烁感。
5
控制系统及接口设计-接口技术
4、键盘工作方式
（1）键盘中有无键按下是由列线送入全扫描字，读入行线状态来判别的。 其方法是：PA口输出00H，即所有列线置成低电平，然后将行线电平状态 读入累加器A中。如果有键按下，总会有一根行线电平被拉至低电平，从 而使行输入状态不全为“1”。 （2）通常在键数较少时，可用硬件方法消除键抖动。RS触发器为常用的 硬件去抖电路。单片机系统中常用软件延时法。 （3）键盘中哪一个键按下是由列线逐列置低电平后，检查行输入状态， 称为逐列扫描。为求取键码，在逐列扫描时，可用计数器记录下当前扫描 列的列号，然后用行线值为“0”的行首键码加列号的办法计算。 （4）键闭合一次仅进行一次功能操作。
5
控制系统及接口设计-接口技术
8155扩展I/O口组成的行列式键盘图
5
控制系统及接口设计-接口技术
开 始
有键按下否 N 调用6 ms延时子程序
机电一体化技术-接口技术
③ 点阵式LED显示器及接口设计
74LS06 P1.0 1
…
P1.6 1
8031
P3.0 1 P3.4 1
…
75452 75452
点阵式LED显示器接口电路
+5V
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。
输入
波形
输A 入 口
R：上拉电阻
OFF：高电平 ON： 低电平
简单的开关输入电路
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
开关：OFF
于开关簧片的反弹会导致输出信号 开关：ON
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 开关：OFF
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。
• 表示一个D／A转换器输入/输出特性的有以下几个方面：输 入/输出缓冲能力、输入码制、输入数据的宽度、是电流型 还是电压型、是单极性输出还是多极性输出等。
(3)D／A转换器选择要点
• 在选用D/A芯片时，首先根据用户需要，合理选择转换速度、 精度及分辨率以满足设计任务所要求的技术指标。但要注意 到，一般情况下，位数愈多精度愈高，其转换的时间愈长； 如果要求高速度又高精度，则芯片价格也就愈昂贵。其次是 看芯片内部是否带有数据输入缓冲器，这—点在设计接口电 路时特别重要。
进行实际接口设计时可以采用以下
开关：ON
发生抖动的时 间在10ms以下
机电一体化第三章接口设计
动态方式LED显示接口
机电一体化系统设计 第三章 接口设计
（2）确定数码管个数及显示方式 数码管个数：2个 显示方式：动态显示，共阴极
（3）画接口电路
40 P1.0 P1.1 P1.2 P1.3 P1.4 P1.5 P1.6 P1.7
18
a b c d e f g
dp
a
100¦ Έ×8
如：A/D转换接口 V/F转换接口等
（二）控制接口 如：D/A转换接口 光电耦合驱动接口 开关接口等
机电一体化系统设计 第三章 接口设计
§3.2 接口设计实例
以智能电饭锅微机控制系统为例，讲解人机接口及机电接口设计。
一、功能分析 外观照片 1、加温、控温功能 不同的食物有不同的加热模式。 2、定时功能 3、人机对话功能 操作面板 工作录像
≥1 WR P3.7
20 检测接口（温度采集接口）
机电一体化系统设计 第三章 接口设计
2、控制接口设计
控制接口包括开关控制和数据控制。
开关控制：实现隔离与放大功能。
数据控制：D/A转换，放大。
（1)光电耦合驱动器
光电耦合结构和特点： A、引脚及 结构
引脚图见图a 结构图见图b B、特点
输入与输出完全隔离, 电阻高达十万兆欧； 能承受较高的电压(2000V以上)； 响应快(小于几个微秒)； 寿命长。 光电耦合的作用：避免干扰信号串入微机系统。 光电耦合接口：右图c 为接口电路一例。 二极管输入电流范围: 5 ~ 20mA 光敏三极管输出电流范围为几毫安至几十毫安, 若要驱动大功率器件,需要放大。 （2）智能电饭锅控制接口（开关控制）： 控制接口
A/D 转换种类很多，常用的有: 双积分式 特点: 速度慢, 精度高 (如MC14433转换器) 逐次比较式 特点: 速度快, 精度低 (ADC0809转换器)
机电一体化控制系统的组成与接口设计
第3章：机电一体化控制系统的组成与接口设计3.1 控制系统的一般设计思路3.1.1专用与通用、硬件与软件的权衡与抉择控制系统的设计是综合运用各种知识的过程。
不同产品所需要的控制功能、控制形式和动作控制方式也不尽相同。
由于采用微机作为机电一体化系统或产品的控制器，因此，其控制系统的设计就是选用微机、设计接口、选用控制形式和动作控制方式的问题。
这不仅需要微机控制理论、数字电路、软件设计等方面的知识，也需要一定的生活和生产工艺知识。
通常由机电一体化设计人员首先提出总的设计要求，然后由各专业人员通力协作。
在设计中，首先会遇到的问题有以下几种。
1．专用与通用的抉择专用控制系统适合于大批量生产的机电一体化产品。
在开发新产品时，如果要求具有机械与电子有机结合的紧凑结构，也只有专用控制系统才能做到。
专用控制系统的设计问题，实际上就是选用适当的通用IC芯片来组成控制系统，以便与执行元件和检测传感器相匹配，或重新设计制作专用集成电路，把整个控制系统集成在一块或几块芯片上。
对于多品种、中小批量生产的机电一体化产品来说，由于还在不断改进，结构还不十分稳定，特别是对现有设备进行改造时，采用通用控制系统比较合理。
通用控制系统的设计，主要是合理选择主控制微机机型，设计与其执行元件和检测传感器之间的接口，并在此基础上编制应用软件的问题。
这实质上就是通过接口设计和软件编制来使通用微机专用化的问题。
2．硬件与软件的权衡无论是采用通用控制系统还是专用控制系统，都存在硬件和软件的权衡问题。
有些功能，例如运算与判断处理等，适宜用软件来实现。
而在其余大多数情况下，对于某种功能来说，既可用硬件来实现，又可用软件来实现。
因此，控制系统中硬件和软件的合理组成，通常要根据经济性和可靠性的标准权衡决定。
在用分立元件组成硬件的情况下，不如采用软件。
如果能用通用的LSI芯片（大规模集成电路）来组成所需的电路，则最好采用硬件。
这是因为与采用分立元件组成的电路相比，采用软件不需要焊接，并且易于修改，所以采用软件有利。
机电一体化技术课件：接口设计概述
4.3.1 輸入介面
在機電一體化系統中，常見的輸入設備有控 制開關，按鍵，鍵盤等，它們共同的特點就 是在CPU允許輸入介面進行數據輸入的時候， 將外設的數據傳送到數據匯流排上。
1、簡單開關輸入介面設計
输入
波形 R:上拉电阻 输
入
口
OFF:高电平
ON: 低电平
簡單的開關輸入電路
开关：OFF 开关：ON
PCI Express的介面根據匯流排位寬不同而有所差 異，包括X1、X4、X8以及X16（X2模式將用於內 部介面而非插槽模式）。較短的PCI Express卡可 以插入較長的PCI Express插槽中使用。
PCI Express介面能夠支持熱拔插，這也是個不小 的飛躍。
用於取代AGP介面的PCI Express介面位寬為X16， 將能夠提供5GB/s的帶寬，即便有編碼上的損耗但 仍能夠提4GB/s左右的實際帶寬，遠遠超過AGP 8X 的2.1GB/s的帶寬。
介面電路是介面的骨架，用來實現在被傳輸 的數據、資訊在電氣上、時間上的匹配；介 面程式是介面的中樞，完成介面數據的輸入 輸出，傳送可編程介面器件的方式設定、中 斷設定等控制資訊。
介面設計需要滿足資訊傳輸和轉換的要求
資訊採集（信號輸入） 驅動控制（信號輸出） 變送單元
4.2 常用匯流排
任何一個微處理器都要與一定數量的部件和 週邊設備連接，但如果將各部件和每一種週 邊設備都分別用一組線路與CPU直接連接， 則系統比較複雜。
人機介面設計中應考慮的因素：
不同的機電一體化產品有其自身的特點功能， 對接口有不同的要求，要根據具體情況而定；
微機與介面設備的速度匹配問題；
軟硬體相結合，二者缺一不可；
儘量利用電腦系統成熟的人機介面；
浅谈机电一体化中的接口技术
浅谈机电一体化中的接口技术第一篇：浅谈机电一体化中的接口技术浅谈机电一体化中的接口技术摘要:接口技术是在机电一体化技术的基础上发展起来的,随着机电一体化技术的发展而变得越来越重要。
文章以机电一体化控制系统(微电子系统)为例,将接口分为人机接口与机电接口两大类进行探讨。
关键词:机电一体化;接口技术;人机接口;机电接口机电一体化系统可分为机械和微电子系统两大部分,各部分连接须具备一定条件,这个联系条件通常称为接口。
各分系统又由各要素(子系统)组成。
本文以机电一体化控制系统(微电子系统)为例,将接口分为人机与机电接口两大类。
一、机电接口由于机械系统与微电子系统在性质上有很大差别,两者间的联系须通过机电接口进行调整、匹配、缓冲,因此机电接口起着非常重要的作用:(1)行电平转换和功率放大。
一般微机的I/O芯片都是TTL电平,而控制设备则不一定,因此必须进行电平转换;另外,在大负载时还需要进行功率放大;(2)抗干扰隔离。
为防止干扰信号的串入,可以使用光电耦合器、脉冲变压器或继电器等把微机系统和控制设备在电器上加以隔离;(3)进行A/D或D/A转换。
当被控对象的检测和控制信号为模拟量时,必须在微机系统和被控对象之间设置A/D和D/A转换电路,以保证微机所处理的数字量与被控的模拟量之间的匹配。
1、模拟信号输入接口。
在机电一体化系统中,反映被控对象运行状态信号是传感器或变送器的输出信号,通常这些输出信号是模拟电压或电流信号(如位置检测用的差动变压器、温度检测用的热偶电阻、温敏电阻、转速检测用的测速发电机等)计算机要对被控对象进行控制,必须获得反映系统运行的状态信号,而计算机只能接受数字信号,要达到获取信息的目的,就应将模拟电信号转换为数字信号的接口——模拟信号输入接口。
2、模拟信号输出接口。
在机电一体化系统中,控制生产过程执行器的信号通常是模拟电压或电流信号,如交流电动机变频调速、直流电动机调速器、滑差电动机调速器等。
机电一体化技术-机电一体化技术-5.1 机电一体化系统的接口设计
第五章 机电一体化系统的接口与电磁兼容技术
12
2.输出接口设计
数字显示器接口电路的设计：单 片机应用系统中，常使用LED、CRT显 示器和LCD等作为显示器件。
点亮显示器由静态和动态两种方
法。
R×8 a b c
+5V R×8 a b c
d
d
e
e
f
f
g
g
dp
dp
a) 共阴极
b) 共阳极 七段LED显示块
4
第五章 机电一体化系统的接口与电磁兼容技术
5
按照所联系的子系统不同分类
以控制微机（微电子系统）为出发点，将接口 分为人机接口与机电接口两大类。
第五章 机电一体化系统的接口与电磁兼容技术
6
2.接口设计的要求
1）计算机接口
计算机接口通常由接口电路和与之配套的接口程序（驱 动程序）组成。
接口电路：能够使被传输的数据实现在电气上、时间上 相互匹配的电路，它是接口的骨架；
按照信息传递的方向可以分为信息采集接口（传感 器接口）和控制量输出接口。
第五章 机电一体化系统的接口与电磁兼容技术
16
信息采集接口的任务与特点 针对传感器输出的不同种类信号进行不同处理；抗
干扰设计。
控制输出接口的任务与特点 根据执行元件的需要不同，控制接口任务不同；抗
干扰设计。
第五章 机电一体化系统的接口与电磁兼容技术
开关：OFF 开关：ON
开关：OFF 开关：ON
无抖动
时间 有抖动
高电平
(b) 输入电路波形
第五章 机电一体化系统的接口与电磁兼容技术
10
硬件消抖
第五章 机电一体化系统的接口与电磁兼容技术
机电一体化6接口
WR 6 接口技术6.1概述一组导线（或一对标准件），如 PC 机上的打印机接口一般是指 25 芯连接件，RS - 232C 是一种串口，是一个25 芯或9芯连接器信息采集接口（A/D 转换芯片） 机电接口控制输出接口（D/A 转换芯片） 芯片简单输入口74LS245输入接口可编程输入口8255（并行） 人机接口 简单输出口74LS273 输出接口可编程输出口8255（并行）在设计机电一体化产品时，一般应首先画出产品的结构框图，框图中的每一个方框代表一个设备，连接二个方框的直线代表二个设备的联系，它也就是本章要讲的接口，如图6-1所示（教材图5-1）。
其中本门课程重点掌握的是人机接口芯片。
图 6 - 1 机电一体化产品基本组成及接口从图6-1看出，人机对话输入和输出设备没有和 CPU 直接连接，而是通过 I / O 口与 CPU 连接在一起。
外设和 CPU 不能直接连接的原因有下面两个： ①人机对话设备和 CPU 的阻抗不匹配；②CPU 不能直接控制人机对话设备（键盘、LED 等）的接通和关闭。
在以 CPU 为核心的机电一体化产品中， CPU 必须能够有效地控制各种外部设备。
I / O 口是专为解决以上问题而设计的，I / O 口通过数据信号线和外设相连接，I / O 口和 CPU 则通过数据信号线、地址信号线和控制信号线相连接。
CPU 通过地址译码器、 和 等控制 I / O 口的接通和关闭，从而控制外设的接通和关闭。
本章介绍 I / O 口和CPU 的接口问题、I / O 口和外设接口中带有普遍性的问题以及人机对话输入设备、输出设备和 I / O 口的具体接口问题。
本章涉及到的 CPU 一般指 MCS-51 系列单片机，例如 8031 等。
6.2 地址译码器、I / O 口与CPU 的接口对于任何一个机电一体化产品，都连接多个输入及输出设备，而CPU 在工作时，一个时刻只能接通一个外设，那么这是如何实现的呢？实际上，在机电一体化产品中，多个外设都与CPU 是时刻相连的，CPU 在工作时，由地址译码器分时选中不同的外设工作，接下来我们看一个地址译码器的结构和工作原理。
4.机电一体化计算机接口设计(上)
三、完成的主要工作
1. 单片机控制板设计 芯片选择： 系列单片机 芯片选择：C8051F系列 系列 优点：资源丰富，内部有AD、DA等可以使用软 件进行配置，大大简化了硬件电路，也大大方 便了功能扩展；运行速度快，70％的指令只需 1～2个系统时钟周期，而不用进行12分频，最 高可达25M速度，比传统51单片机快至少10倍。 并且其片内调试电路提供全速、非侵入式的在 系统调试，不需要仿真器，而只需要一个适配 器就可以进行在线调试。
给定信号
控制器
执行机构
被控对象
被控参数
开环控制系统框图
3
机电一体化计算机接口设计
控制器用微型计算机来代替， 控制器用微型计算机来代替，就可以构成微型计算机控 制系统。在微型计算机控制系统中， 制系统。在微型计算机控制系统中，只要运用各种指 就能编出符合某种控制规律的程序。 令，就能编出符合某种控制规律的程序。微处理器执 行这样的程序，就能实现对被控参数的控制。 行这样的程序，就能实现对被控参数的控制。
单片机控制板原理图：
显示模块原理 图
2. 执行器： 采用伺服舵机 执行器： ★ 实现各环节运动控制； ★ 能同时控制多个关节的运动； ★ 有较高的定位精度。
伺服舵机控制图
伺服舵机定位控制原理
3. 上位机人机界面 设计 采用VB编写 ★ 采用 编写 ★ 界面图
串口配置：
4. RS232串行通信 串行通信
★ 接口电路设计 ★ 接口程序设计 单片机通信方式：
通信时序——采用方式 采用方式1 通信时序 采用方式
方式1提供标准的异步、全双工通信，每 个数据字节共使用10位：一个起始位、8个 数据位（LSB在先）和一个停止位。数据从 TX引脚发送，在RX引脚接收（。在接收时， TX RX 8个数据位存入SBUF，停止位进入RB8 （SCON.2）
机电一体化的人机接口设计机电一体化
机电一体化的人机接口设计 - 机电一体化机电一体化系统通常都由很多要素和子系统构成，为了确保各个要素与系统之间能够顺当的进行信息，物质能量的传输和转换，在它们之间必需具备有肯定的联系条件，这些联系条件都统称为接口。
机电一体化系统的基本组成接口的分类按接口的变换和调整功能分为零接口、被动接口、主动接口、智能接口。
按接口的输入输出功能分为机械接口、物理接口、信息接口、环境接口。
按接口所联系的子系统不同分为人机接口、机电接口。
按信息和能量的传递方向信息采集接口、把握输出接口。
任何一个微处理器都要与肯定数量的部件和外围设备连接，但假如将各部件和每一种外围设备都分别用一组线路与CPU直接连接。
为了简化硬件电路设计、简化系统结构，常用一组线路，配置以适当的接口电路，与各部件和外围设备连接，这组共用的连接线路被称为总线。
总线的主要功能是传送数据，总线的数据传送力量如何，可以用以下3个主要指标来衡量：（1）总线宽度（2）总线频率（3）总线带宽1、ISA总线ISA（industrial standard architecture）总线标准是IBM 公司1984年为推出PC/AT机而建立的系统总线标准，所以也叫AT总线。
它是对XT总线的扩展，以适应8/16位数据总线要求。
2、VESA 总线VESA（video electronics standard association）总线是 1992年由60家附件卡制造商联合推出的一种基于80486CPU的32位局部总线，简称为VL (VESA local bus) 总线。
3、PCI总线PCI（peripheral component interconnect）总线是当前最流行的总线之一。
它支持33MHZ的时钟频率，定义了32位数据总线，且可扩展为64位。
PCI总线主板插槽的体积比原ISA总线插槽还小，其功能比VESA、ISA有极大的改善，支持突发读写操作，最大传输速率为132MB/s，可同时支持多组外围设备。
机电一体化系统的机电接口设计
机电一体化系统的机电接口设计机电接口，是指机电一体化产品中的机械装置与掌握微机间的接口。
同人机接口一样。
根据信息的传递方向可以将机电接口分为信息采集接口(传感器接口)与掌握量输出接口。
1、输入接口在机电一体化产品常用的传感器中，有许多是以模拟量形式输出信号的，如位置检测用的差动变压器、温度检测用的热电偶、温敏电阻、转速检测用的测速发电机等，而掌握微机却是一个数字系统(有些型号单片机内部集成了模/数转换器件，如MCS-96系列单片机等)。
传感器与微机连接2、输出接口在机电一体化产品中，许多被控对象要求模拟量作掌握信号，如沟通电动机变频调速器、直流电动机调速器、滑差电动机调速器等，而计算机系统是数字系统。
（1）D/A转换器的主要参数1) 辨别率：D/A转换器所能辨别的最小电压增量，或者说D／A转换器能够转换的二进制位数，位数多，辨别率就高。
2) 转换时间：指数字量从输入到完成转换，输出达到最终值并稳定为止所需的时间。
3) 精度：D/A转换器实际输出电压与理论值之间的误差。
4) 线性度：当数字量变化时，D／A转换器模拟量按比例关系变化的程度。
(2) D／A转换器的输入/输出特性DAC是系统或设备中的一个功能学元，当把它接人系统或设备中与其他器件发生关系时，对不同用途的场合，它的输入/输出端有不同的要求。
表示一个D／A转换器输入/输出特性的有以下几个方面：输入/输出缓冲力量、输入码制、输入数据的宽度、是电流型还是电压型、是单极性输出还是多极性输出等。
(3)D／A转换器选择要点在选用D/A芯片时，首先依据用户需要，合理选择转换速度、精度及辨别率以满意设计任务所要求的技术指标。
但要留意到，一般状况下，位数愈多精度愈高，其转换的时间愈长；假如要求高速度又高精度，则芯片价格也就愈昂贵。
其次是看芯片内部是否带有数据输入缓冲器，这—点在设计接口电路时特殊重要。
D/A转换器输入的是数字量，经转换后输出的是模拟量。
有关D/A 转换器的技术性能指标：1) 分辩率：辨别率是D/A转换器对输入量变化敏感程度的描述，与输入数字量的位数有关。
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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
胡永旭
1
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
2
一．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：
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。
19
③ 点阵式LED显示器及接口设计
74LS06 P1.0 1
…
P1.6 1
8031
P3.0 1 P3.4 1
…
75452 75452
点阵式LED显示器接口电路
+5V
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。
3
常用输入设备
控制开关
拨码码盘
键盘
5
① 专用性
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。
② 低速性 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
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。
18
…
…
b. 动态工作方式接口电路 7407
PB0 1
PB7 1 8155
75452
PA5 1 PA0 1
20
③ LCD（ Liquid Crystal Display ）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 出来产生画面 。
④ 打印机接口设计:打印机是机电产品中常用的一种硬拷贝输出设备， 尤其是微型打印机，以其体积小、价格低、接口简单被广泛使用。
从5个引脚上分别焊接引线的方式使用.
9
位置
8
4
2
1
0
0
0
0
0
1
0
0
0
1
2
0
0
1
0
3
0
0
1
l
4
0
1
0
0
5
0
1
0
1
6
0
1
1
0
7
0
1
1
l
8
1
0
0
0
9
1
0
0
1
BCD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
，要考虑速度匹配问题。
③ 高性能 性价格 比
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。
6
二．输入接口设计
I. 开关输入接口设计
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。
进行实际接口设计时可以采用以下
开关：ON
发生抖动的时 间在10ms以下
两种方法去抖：
OFF
① 软件去抖 ，通过程序对输入 积分电路
ON
的开关信号进行处理，在检测到
积分后
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 史密斯
的输出
态相同则认为有效，否则按抖动 触发器
处理。
② 硬件去抖，采用如右图所示 的去抖电路。
P1.5
P1.4
8031 P1.0
0
P1.1 1
2
P1.2
3
P1.3
48C 59D 6 AE 7BF
+5V
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。
15
③ 键输入程序设计方法
bP线 P线 若ac号闭的起.11d一释..送输不...73后合闭的次放判~~出出全判 法 部 的去PP使延则合。处后断11高为为断为送状除控时认是..理再40闭电““送的键在“态键制1为由处合，0平01出状0盘扫，的微有于m””理”键方的，，，低态s上描若机机效机,。的再法则这相然电，有线全械对，械键次为有一应后平若无部P抖键否抖1号读等列键地读，全键为动.的则动7键待上闭顺~，取并为闭“，一认 或P盘闭合没序方1P从 “合1方干为次.”1，4合。有读法，其1.，法上扰前闭3”若键键状~入为，则他其为全合所述P此态闭依1则无列方读引键仅.0键为合次列取做；从键 低电平键的闭键合的，行若号不加全上为其“所1”在，列则的有列 首号即键为闭该合键。键号。
; P1.7=0
; 千位值送（30H）.4~7 ; P1.6=0 ; 百位值送（30H). 0~3 ; P1.5=0
; 十位值送（31H）.4~7 ; P1.4=0 ; 个位值送（31H）.0~3
13
III. 键盘输入接口设计
① 矩阵式键盘工作原理
Y0 Y1 Y2 Y3 +5V
X0 0
48 C
X1 1
12
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RAM 30H、31H中，则相应程序可设计如下：
MOV MOV MOV SWAP MOV MOV MOV XCHD INC MOV MOV SWAP MOV MOV MOV XCHD RET
R0 , #30H P1 , #7FH A , P1 A @R0 , A P1 , #0BFH A , P1 A , @R0 R0 P1 , #0DFH A , P1 A @R0 , A P1 , #0EFH A , P1 A , @R0
输入
波形
输A 入 口
R：上拉电阻
OFF：高电平 ON： 低电平
简单的开关输入电路
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
开关：OFF
于开关簧片的反弹会导致输出信号 开关：ON
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 开关：OFF
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。
f
d
g
b
e
6
e
f
d
c
7 g
dp
8
dp
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。
a b c d e f g dp
COM 共阳极
a b c d e f g dp
COM 共阴极
17
② 七段LED显示器接口电路设计 a. 静态工作方式的接口电路 8255 PC0···PC7 PB0···PB7 PA0···PA7
8155扩展6位动态LED显示器的接口电路
+5V 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。
59D
2
X2
3
X3
6 AE 7BF
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。
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② 键盘接口方法
P1.7 P1.6
⑤ CRT显示器接口：CRT(阴极摄像管显示器)可以实现复杂的文字 图像的显示，但驱动接口设计相对复杂。
⑥ 扬声器接口设计：在机电系统的人机接口设计中，常用扬声器或 蜂鸣器产生声音信号，以提示系统状态。蜂鸣器为一个双端子器件， 只要在两级间加上适当的电压，即可发声，但蜂鸣器音量较小，在噪 声较大的环境通常采用扬声器作声音输出，扬声器要求以音频信号驱 动。
单片BCD拨盘与8031的接口电路
11
b. 动态接口方法
P1.0
&