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第二节人机接口设计,本节主要学习内容：一、人机接口的特点二、人机接口中设备及信号形式三、人机接口的输入接口设计方法四、人机接口的输出接口设计方法重点掌握典型人机接口输入/输出接口的设计方法,一、人机接口的特点,人机接口是操作者与机电系统之间的信息交换接口，操作者的指令要通过输入元件经输入接口输入计算机，机电系统的工作状态信息由计算机通过输出接口送给输出元件显示、记录等。人机接口的形式取决于所用的人机接口中的输入输出设备，不同的设备和软件的结合构成不同的人机界面。,一、人机接口的特点（续）,因此人机接口有自身的特点：1、专用性要根据每个机电系统的功能和操作方法设计。2、低速性和计算机工作速度相比，人机接口元件的工作速度低，加之人的操作速度更低，因此需要根据这一特点匹配速度。3、高性能价格比人机接口设备大多性能优、功能强，但价格低。对人机接口的设计要求是：新颖、宜人（符合人机工程所遵行的设计规律）、操作方便、工作可靠、经济性好。,二、人机接口的输入输出设备（元件）及其信号类型,1、人机接口的输入设备及其信号类型输入设备开关(单刀、多刀、多位）、键盘、BCD码拨码盘、电位器等,(2)输入设备的信号类型,开关、按钮、键类的输入设备由于它们的工作状态仅为通、断两种状态，把这两种状态转换成电路信号对应高、低电平，因此这类信号称作二值量信号。拨码盘BCD码的拨码盘给出四位二进制表示的十进制数，称作数字信号。多个按键组成键盘也是数字信号。电位器给出的是连续的电压信号称作模拟信号。,(3)输出设备,人机接口的输出设备有指示灯、数码显示器、图形显示器、微型打印机、蜂鸣器等,（4）输出设备的信号形式,输出设备的信号形式是指计算机输出什么信号才能使输出设备工作。指示灯、蜂鸣器需要二值量信号。数码显示器、图形显示器、微型打印机需要数字量信号。,三、人机接口的输入接口设计,1、开关输入接口设计（二值量信号接口）接口的内容：开关的状态转换成电信号、电平匹配、开关信号的消抖、接口口线确定、信号输入程序设计。a）开关状态转换成电信号,b）电平匹配,输入计算机口线的信号电平是有一定要求的，对采用5V电源的计算机电路，输入的高电平（也就是逻辑“1”）基本在2-5V，低电平（逻辑“0”）在0V-2V。因此，输入计算机电路的信号必须转换成在上述范围内。,b）电平匹配（续）,电平转换电路：,c）消除开关抖动,开关、按键在状态变化的瞬间由于是机械动作，会产生抖动，其抖动的波形如下图所示：消抖的方法有两种：硬件消抖和软件消抖硬件消抖-采用消抖电路，典型消抖电路是双稳态触发器软件消抖-利用延时程序，在开关稳定时再输入开关状态。软件消抖是一种简便、常用的方法。,d）计算机口线确定,开关量（二值量）输入计算机一般接入计算机的普通I/O（输入/输出）接口，也就是一般用途的I/O接口，一般的并行接口。输入单片机一般用途的I/O接口：,d）计算机口线确定（续）,输入扩展的接口芯片：DB为数据总线，AB为地址总线，CB为控制总线,e）信号输入程序,信号进入计算机的目的是要计算机根据输入信号判断开关状态。首先在信号进入计算机口线前确定信号高、低电平（逻辑“1”、逻辑“0”）所对应的开关状态。如下图：按钮SB断开输入P1.0口的是逻辑“1”，按钮SB闭合输入P1.0口的是逻辑“0”。,e）信号输入程序（续）,SHURU:JBP1.0，DUANKAIBIHE：.SJMPSHURUDUANKAI:.SJMPSHURU以上开关量输入计算机的a)e)接口设计过程适用于大部分开关量的接口设计，特别是带有光电耦合器的电平转换电路的方式适用于机电接口中的开关量输入接口。,2、拨码盘输入接口设计,a)拨码盘输出形式拨码盘是一种十进制（用四位二进制数表示的十进制数）的输入器件，每一个拨码盘输出一位十进制数，把多个拨码盘组合在一起就可以表达多位十进制数。特点是直观、操作简便，被经常采用。,2、拨码盘输入接口设计（续1）,单位拨码盘的电路由下图表示：,拨码值输出8421码0000010001200103001191001,b）单位拨码盘接口,单片（位）拨码盘接口：,数字读入程序：MOVA，P1ANLA，#0FH这样该位拨码盘所拨的十进制数对应的BCD码就存在累加器A中（低四位）如果多位拨码盘采用这样的接口方式就需要很多口线。试问如果有4位拨码盘需要多少根口线？,c）多片（位）拨码盘接口：,首先认识到下面两张图输出信号的区别（左图输出BCD码的反码）(右图不管拨在什么数输出都是1111）：,采用动态读入方式：,读数程序,MOVR0,#30HMOVP1,#7FH;P1.7=0MOVA,P1SWAPAMOVR0,A;千位值送30H的高4位MOVP1，#0BFH；P1.6=0MOVA，P1XCHDA，R0;百位值送30H的低4位INCR0.;下面只要将7FH改成0DFH，0BFH改成0EFH，重复上面第二条指令开始的程序就可完成十位和个位的读数程序，把它们存在31H单元中,3、键盘输入接口设计,多个按键构成键盘，键的组成形式为矩阵形式。,*每个按键在行列的节点处，*键闭合时把列线（或行线）状态传给行线（或列线）。*行和列接入计算机要规定计算机口线的输入和输出线，有上拉电阻的线为输入线。*接成矩阵式键盘计算机对键盘状态读入方式为动态扫描方式。,a）键盘的接口,采用单片机的I/O口线或扩展的I/O芯片（如8255、8155、8279等）的口线，作输入输出口线。下图P1.0P1.3作输入线读入键的状态，P1.4P1.7作输出线输出扫描信号。,b）键盘的动态扫描原理,扫描-给相应的输出线送“0”1）全扫描判断是否有健按下，给全部输出线送“0”。如给P1.4P1.7输出0000则只要键盘上有键按下，P1.0P1.3就必有“0”信号出现。2）逐行逐列扫描-轮流给各条输出线送“0”，判断哪个键按下。,c）键盘键的判定原理,给键编号-键值编号有规律-行号+列首键号=键值（行作输入线）列号+行首键号=键值（列作输入线）,d）键的输入程序的功能,1）全扫描-判定是否有键按下2）逐行逐列扫描-根据键的判定原理计算获得键值3）消除键抖动-采用软件消抖方法（延时程序大约10-20毫秒左右）延时以后，再判定结果未变，即确认该键按下。4）键的单次响应-保证按键一次计算机仅响应一次。等待键释放以后再进入键处理程序。,e）键盘输入程序框图,KEYS：ACALLKS1JNZKEY1KEY0：RETKEY1：ACALLKS2MOV20H，AACALLDL10ACALLKS2CJNEA，20H，KEY0KEY2：ACALLKS1JNZKEY2ACALLDL10ACALLKS1JNZKEY2RET,f）键盘输入程序框图(续）,KS1：MOVP1，#OOHMOVA，P1ORLA，#0F0HCPLARETKS2：MOVP1，#0EFH；P1.4=0MOV21H，#00HMOVA，P1ORLA，#0F0HCPLAJNZKS20；零列有键闭合MOVP1，#0DFH；P1.5=0MOV21H，#04H,KS20：ADDA，#03HMOVCA，A+PCADDA，21HRETDB00H,00H,01HDB02H,02H,03HDB03H,03H,03H,四、人机接口的输出接口设计,常用的显示设备有LED指示灯、蜂鸣器需要二值量信号。LED数码显示器需要数字量信号。特点是需要驱动环节。,1、人机接口输出接口中的环节,1）计算机的接口或接口芯片输出需要的逻辑电平2）经电平转换变成输出设备所需的工作电平3）功率放大或称驱动给出设备所需的电流,2、LED数码管的接口设计,a）LED数码管的工作原理是由多个LED发光元件按共阴、共阳形式连接而成。按确定的显示代码点亮相应的段，从而组成字符的。显示代码又称为段选码。如使共阴数码管亮出2，显示代码为5BH。,b）LED数码管的显示方式,两种显示方式：静态显示和动态显示（动态扫描显示）静态显示-多位数码管同时工作，亮度大稳定，但需要用计算机较多口线或硬件电路。用在数码位数较少的场合。动态显示-各个数码管轮流工作，需要的接口较少，是目前常采用的方法。,c）LED数码管的动态显示接口方式,（1）动态显示原理及段选和位选多位数码管用于显示多位十进制数采用动态扫描显示，即各管轮流显示需要位选和段选协调工作。段选负责点亮各位数码管相应段位选-负责把段选码显示在所选的位上，位选码也就是扫描码（轮流选中各位）显示时间-轮流显示每位的显示时间，t1一般为12毫秒,t2时间确定要使人眼产生视觉暂留，使显示看起来是稳定的，一般选在20毫秒以内。,c）LED数码管的动态显示接口方式（续1）,（2）驱动数码管需要一定的工作电流才能发光，一般小型数码管每段的电流小于20毫安，而单片机I/O口的输出电流达不到要求，需要驱动。数码管的为电流就更大，因为它是各段电流的汇集端，如果按20毫安的段电流，8个段全点亮，位电流有160毫安。常用的驱动电路有：三极管、集成电路驱动芯片如7407、7406（反向）、75451、75452（反向）、74LS244、74LS245或采用三极管等。,（3）接口形式-位选输出接口和段选输出接口,需要两个输出口采用单片机或扩展的I/O口芯片提供的输出接口，下图是采用多功能接口芯片8155的A口作位选输出口，B口作段选输出口，7407作段驱动，75452作位驱动，因为位电流是各段电流总和，驱动电流要大。,（3）接口形式-位选输出接口和段选输出接口（续）,采用扩展8255A的数码管动态接口,（4）动态扫描显示程序,程序准备：1）确定显示缓冲区显示缓冲区用于存放需要显示的数，一般每位数码管固定对应一个存储单元比如根据图3-17扩展8155作接口，有6位数码管，从个位到十万位，显示缓冲区在51系列单片机内部RAM的30H-35H6个单元中，30H的数显示在个位数码管，依次35H的数显示在十万位上。2）显示代码显示的数要经一定方法转换成显示代码才能输出给数码管。动态扫描程序一般把显示代码根据接口电路确定后，按照数码顺序建立一个常数表格，程序中根据要显示的数码查表获得显示代码。3）显示时间编程前确定显示时间，编制好延时子程序供调用。,程序功能框图：,XS：MOVDPTR，#7FF8HMOVA，#03HMOVXDPTR,AMOVR0,#30HMOVR1,#01HMOVA,R1XS1:MOVDPTR,#7FF9HMOVXDPTR,AMOVA,R0MOVDPTR,#TABMOVCA,A+DPTRMOVDPTR,#7FFAHMOVXDPTR,AACALLDL1INCR0MOVA,R1,JBAcc.5，XS2RLAMOVR1，ASJMPXS1XS2：RETTAB：DB3FH，06HDB5BH，4FHDB66H，6DHDB7DH，07HDB7FH，6FH,3、其它显示形式,前面讲的是LED数码显示，实际应用中还有其它显示器件。比如LCD数码显示、LED和LCD点阵图形显示、CRT显示器等。目前LCD显示器件一般都将接口和显示器集成在一起，设计人员只要把它们作为一块接口芯片使用。,五、人机接口总结,重要知识点：人机接口的特点-专用性、慢速性、高性价比开关量输入接口-电平转换拨码盘输入接口-动态读数电路键盘接口键盘组成、键号确定、输入输出线、键的全扫描、键的逐行逐列扫描求键值、键的消抖方法、键的单次响应。开关量输出接口-电平转换、驱动LED数码管接口-数码管动态显示原理、接口电路、显示代码产生、显示程序流程图。,实际人机接口例,键盘和显示综合接口：,
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