人机接口

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）
6A
7A 8A
6B
7B 8B
S5 S6
S7
S8
KEYCS
G
DIR
图3-4 采用74HC245扩展独立式按键
在图3-4中，KEYCS为读键值口地址。按键S1~S8的键值 为00H~07H，如果这八个按键均为功能键，为简化程序设 计，可采用散转程序设计方法。 假设背景机为MCS51及其兼容单片微控制器，则程序设计 如下：
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300 cd/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
3.3 显示技术的发展及其特点
3.3.1 显示技术的发展
20世纪是信息大爆炸的时代。1960~1990年信息的平均年 增长率为20%，到2020年将达到每两个半月翻一番的惊人 速度。大量的信息通过“信息高速公路”传送着，要将这 些信息传送给人们必然要有一个下载的工具，即接口的终 端。 研究表明，在人们经各种感觉器官从外界获得的信息中， 视觉占60%，听觉占20%，触觉占15%，味觉占3%，嗅觉 占2%。可见，近2/3的信息是通过眼睛获得的。所以图像 显示成为信息显示中的最重要的方式。 进入20世纪以来，显示技术作为人机联系和信息展示的窗 口已应用于娱乐、工业、军事、交通、教育、航空航天、 卫星遥感和医疗等各个方面，显示产业已经成为电子信息 工业的一大支柱产业。在我国，显示技术及相关产业的产 品占信息产业总产值的45%左右。
6FH
77H
L
“灭”
C7H
FFH
76H
00H
3.4.2 LED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。
6．发光效率 发光效率是发光型显示器件所发出的光通量与器件所消耗 功率之比，单位为流明每瓦（lm/W）。 7．工作电压与消耗电流 驱动显示器件所施加的电压为工作电压（V），流过的电流 称为消耗电流（A）。工作电压与消耗电流的乘积就是显示 器件的消耗功率。外加电压有交流电压与直流电压之分， 如LCD必须用交流供电，而OLED、LED等则用直流供电。 在计算机控制系统中，常用的显示器有：发光二极管（LED） 显示器，液晶显示器（LCD），阴极射线管（CRT）显示 器。根据不同的应用场合及需要，选择不同的显示器。
+5V 10kΩ VA S
图3-2 按键电路
键的闭合与否，反应在电压上就是呈现出高电平或低电平， 如果高电平表示断开的话，那么低电平则表示闭合，所以对 通过电平的高低状态的检测，便可确认按键按下与否。
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。
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。
3.2.3 键盘的编码
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。
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。 +5V
8255A PA0 PA1
10kΩ×8 S1
S2 S3
PA2 PA3
PA4 PA5
S4
S5 S6
PA6
PA7
S7
S8
图3-3 采用8255A扩展独立式按键
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。
+5V 10kΩ
10kΩ 0 1 2 3 1
4
8 12 1
5
9 13 2
6
10 14 3
7
11 15 4
2
3 4
10kΩ
10kΩ
图3-5 矩阵式键盘结构
3.2.1 矩阵键盘工作原理
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。
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。 +5V
74HC245 D0 D1 1A 2A 1B 2B
10kΩ×8
S1
D2
D3 D4
3A
4A 5A
3B
4B 5B
S2 S3
S4
D5
D6 D7
3.4.1 LED显示器的结构
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。
a
b
c
d
e
f
g
dp
a
b
c
d
e
f
g
dp
COM
图3-7 LED显示器结构图 a
COM
f
g
b
3.1.2 独立式按键扩展实例
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
LJMP LJMP
LJMP LJMP
S3PR S4PR
S5PR S6PR
；转S3功能处理程序 ；转S4功能处理程序
；转S5功能处理程序 ；转S6功能处理程序
LJMP
LJMP
S7PR
S8PR
；转S7功能处理程序
；转S8功能处理程序
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。
e
c dp d
图3-8 LED显示器外形图
在图3-8中，每一段与数据线的对应关系如下。
数据线： LED段： D7 dp D6 g D5 f D4 e D3 d D2 c D1 b D0 a
共阴极和共阳极LED数码显示器的字模如表3-2所示。
表3-2 LED显示器字模表
显示字符 共阳极 共阴极 显示字符 共阳极 共阴极
Lmax （Lmin）之比，即： C Lmin
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。
0
1 2
C0H
F9H A4H
3FH
06H 5BH
b
c d
83H
C6H A1H
7CH
39H 5EH
3
4 5
B0H
99H 92H
H
66H 6DH
E
F p
86H
8EH 8CH
79H
71H 73H
6
7 8
82H
F8H 80H
7DH
07H 7FH
U
Y H
C1H
91H 89H
3EH
31H 6EH
9
A
90H
88H
3.2.2 按键的识别方法
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。）
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。
3.1 独立式键盘接口设计
3.1.1 键盘的特点及确认
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
KEYPR： MOV MOV
MOV ADD ADD
DPTR，#JPTAB A，KEYBUF
B，A A，B A，B
；跳转首地址送DPTR ；从键值缓冲区KEYBUF中取键值
；键值乘3
JMP
JMTAB： LJMP LJMP
@A+DPTR
S1PR S2PR
；转到相应地址
；转S1功能处理程序 ；转S2功能处理程序
键闭合
前沿抖动
图3-1 按键抖动波形
后沿抖动
按键的稳定闭合期长短则是由操作人员的按键动作决定的， 一般为零点几秒到几秒的时间。 2．按键的确认 一个按键的电路如图3-2所示。当按键S按下时，VA=0，为 低电平；当按键S未按下时，VA=1，为高电平。反之，当 VA=0时，表示按键S按下；当VA=1时，表示按键S未按下。
3.4 LED显示器接口设计
发光二极管（Light Emitting Diode, 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；
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-Human Machine Interface或MMIMan Machine Interface），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。