　　　人机界面是人与机器进行交互的操作方式，而交互设计就是设计支持人们日常工作与生活的交互式产品，随着现阶段人们对计算机的普及，人机交互界面越来越受到人们的重视。在现代各类仪器的开发中，人机交互功能正起着无可替代的作用。机器与人类的友好性发展使得人机交互界面更适用于当今社会，从而提高人们的工作效率。本次设计主要研究人机交互界面中的数据交互，数据交互通常是指操作员通过输入设备给计算机输入数据指令，计算机之后执行指令并将结果通过输出设备表示出来。本文采用单片机、锁存器、矩阵键盘和数码管显示四大部分构成人机交互系统，在掌握交互原理的基础上对人机交互系统进行了整体的系统分析，设计出交互系统的硬件电路图和各部分所需要的软件程序。并对人机交互实验改进提出了个人想法。文章最后对本次设计进行了总结和展望。

关键词：人机界面,交互设计,单片机

第一章绪论1

1.1选题目的及意义1

1.2 人机交互国内外发展现状1

1.3 本次课题主要研究内容2

第二章人机交互模块设计原理与整体方案3

2.1 人机交互模块基本构成3

2.2 人机交互模块设计原理3

2.2.1 MCS51单片机的选择3

2.2.2 矩阵键盘选择4

2.2.3数码管显示原理5

2.3 人机交互模块整体设计方案7

2.4本章小结7

第三章人机交互模块硬件电路设计8

3.1 单片机最小系统8

3.1.1 晶振电路8

3.1.2 复位电路9

3.2 4*4矩阵键盘硬件电路的设计9

3.3 数码管锁存器硬件连接10

3.3.1 锁存器原理10

3.3.2数码管选择11

3.3.3 数码管锁存器硬件连接电路图11

3.4 本章小结12

第四章人机交互模块软件程序设计13

4.1 锁存器锁存程序13

4.2 行列扫描程序13

4.3 延时函数设计14

4.4整体程序设计15

4.4.1整体程序设计流程图15

4.4.2程序设计16

4.5 本章小结16

第五章 proteus调试与仿真并绘制PCB板17

5.1 proteus软件简介17

5.2 软件功能特点17

5.3 实验仿真功能实现17

5.3.1 HEX文件生成17

5.3.2实验硬件电路连接19

5.4 用proteus进行调试19

5.5 用protel DXP绘制PCB板21

5.6 本章小结：22

第六章人机交互实验改进23

6.1 人机交互实验教学的现状23

6.1.1 教学内容不足23

6.1.2 教学手段的落后23

6.2 实验教学改进思考23

本章小结：24

第七章总结与展望25

7.1 工作总结25

7.2 本次设计展望25

致谢26

参考文献27

附录128

附录232

1.2 人机交互国内外发展现状

　　　随着计算机技术的发展，操作命令也越来越多，功能也越来越强。随着模式识别，如语音识别、汉字识别等输入设备的发展，操作员和计算机在类似于自然语言或受限制的自然语言这一级上进行交互成为可能。此外，通过图形进行人机交互也吸引着人们去进行研究。这些人机交互可称为智能化的人机交互。这方面的研究工作正在积极开展。人机交互技术是指通过计算机输入、输出设备，以有效的方式实现人与计算机对话、交换信息的技术。人们可以借助键盘、鼠标、操作杆、位置跟踪器、数据手套等设备，用手、脚、声音、姿态和身体的动作、视线甚至脑电波等向计算机传递信息；计算机通过打印机，绘图仪、头盔式显示器、音频等输出设备或显示设备给人提供信息。

　　　目前，人机交互技术正处于多通道、多媒体的智能人机交互阶段，已经取得了不少研究成果，不少产品已经问世。侧重多媒体技术的有:触摸式显示屏实现的“桌面”计算机，能够随意折叠的柔性显示屏制造的电子书，从电影院搬进客厅指日可待的3D显示器，使用红绿蓝光激光二极管的视网膜成像显示器；侧重多通道技术的有：“汉王笔”手写汉字识别系统，结合在微软的Tablet PC 操作系统中数字墨水技术，广泛应用于Office/XP的中文版等办公、应用软件中的IBM/Via Voice连续中文语音识别系统，输入设备为摄像机、图像采集卡的手势识别技术，以IPHONE手机为代表的可支持更复杂的姿势识别的多触点式触摸屏技术，以及IPHONE中基于传感器的捕捉用户意图的隐式输入技术。

　　　人机交互技术领域热点技术的应用潜力已经开始展现，比如智能手机配备的地理空间跟踪技术，应用于可穿戴式计算机、隐身技术、浸入式游戏等的动作识别技术，应用于虚拟现实、遥控机器人及远程医疗等的触觉交互技术，应用于呼叫路由、家庭自动化及语音拨号等场合的语音识别技术，对于有语言障碍的人士的无声语音识别，应用于广告、网站、产品目录、杂志效用测试的眼动跟踪技术，针对有语言和行动障碍人开发的“意念轮椅”采用的基于脑电波的人机界面技术等。热点技术的应用开发是机遇也是挑战，基于视觉的手势识别率低，实时性差，需要研究各种算法来改善识别的精度和速度，眼睛虹膜、掌纹、笔迹、步态、语音、唇读、人脸、DNA等人类特征的研发应用也正受到关注，自然语言理解虽然目前在语言模型、语料库等方面有进展外，仍将是人机交互的重要目标，多通道的整合也是人机交互的热点，另外，与“无所不在的计算”、“云计算”等相关技术的融合与促进也需要继续探索。

1.3 本次课题主要研究内容

　　　本课题主要研究MCS51单片机人机交换系统中的数据交互，数据交互是人通过输入数据的方式与计算机进行交流的一种方式，它是人机交互的重要内容和形式。其一般的交互过程是：用户首先通过矩阵键盘为输入设备把数据输入单片机；然后，系统响应用户输入，给出反馈信息，并显示在数码管显示屏上，具体设计任务如下：

1．分析各类基于MCS51系列单片机的人机互换模块设计，主要包括矩阵式键盘、LED显示；

2．设计出人机互换模块的电路原理图，并用proteus完成部分模块的仿真；

3．在面包板上调试电路，确定硬件电路，用DXP软件画出电路的PCB板；

4．编写相应软件程序，进行软件的调试；

5．进行系统软件、硬件结合进行整机调试，实现人机互换的输入输出；

6. 针对本科单片机课程实验教学，进行人机交互模块实验方法的更新和改进。

基于MCS51单片机的实验开发系统人机交互模块设计与实验改进.gif

内容简介：: 西安文理学院本科毕业设计（论文）中期检查表题目基于MCS51单片机的实验开发系统人机交互模块设计与实验改进学生姓名王玮学号08102080236专业名称机械设计制造及其自动化指导教师吕建波罗振元检查时间班级08级（2）班毕业设计（论文）进展情况通过对单片机相关资料的学习，以及对整个设计的了解，现基本完成以下设计工作：1.完成人机互换模块的设计与分析。此部分包含两部分内容：分别是4*4矩阵键盘和数码管的分析设计。 2.确定整个模块电路图、4*4矩阵键盘扫描方式为行列扫描（带中断），数码管选择4位8段数码管。3.开始进行基于行列扫描（带中断）的人机互换程序设计。下一步用proteus完成部分模块的仿真，在面包板上进行电路实验，画出PCB板。最后针对本科单片机课程实验教学，进行人机交互模块实验方法的更新和改进。指导教师意见签字：年月日教研室意见签字：年月日西安文理学院本科毕业设计（论文）任务书题目基于MCS51单片机的实验开发系统人机交互模块设计与实验改进学生姓名王玮学号08102080236专业班级08机械设计制造及其自动化（2）班指导教师吕建波罗振元职称助理实验师工程师教研室实验室实训中心毕业设计（论文）任务与要求1、查阅国内外MCS51系列单片机应用的研究现状，了解MCS51系列单片机人机模块的构成，撰写开题报告和不少于1000字的外文翻译；2、分析各类基于MCS51系列单片机的人机模块设计，主要包括矩阵式键盘和LED显示；3、设计通用模块的电路原理图，用proteus完成部分模块的仿真，在面包板上进行电路实验，画出PCB板；4、编写相应的软件程序，并进行软硬件综合调试，实现系统与用户之间的交互关系；5、针对本科单片机课程实验教学，进行人机交互模块实验方法的更新和改进；6、撰写毕业论文，进行毕业答辩。毕业设计（论文）工作进程起止时间工作内容2012.1.10 - 3.62012.3.7 3.152012.3.16 3.252012.3.26 4.52012.4.6 4.152012.4.16 4.202012.4.21 5.12012.5.1 - 5.52012.5.2 5.11查阅资料，了解MCS51系列单片机应用的国内外研究现状和人机互换模块的构成，撰写开题报告和不少于1000字的外文翻译；分析各类基于MCS51系列单片机的人机互换模块设计，主要包括矩阵式键盘和LED显示；设计出人机交互模块电路原理图，用proteus完成部分模块的仿真，选取元器件；在面包板上调试电路，确定硬件电路，画出电路的PCB板，有条件情况下进行PCB制板；编写相应软件程序，进行软件的调试；系统软件、硬件结合进行整机调试，实现系统与用户之间的交互关系；进行测控接口模块实验方法的更新和改进；撰写毕业论文初稿；修改论文并定稿，整理全部资料，准备毕业答辩。开始日期 2012.1.10 完成日期 2012.5.11 教研室主任（签字）系主任（签字）西安文理学院机械电子工程系本科毕业设计（论文）题目基于MCS51单片机的实验开发系统人机交互模块设计与实验改进专业班级 08机械设计制造及其自动化（2）班学号 08102080236 学生姓名王玮指导教师吕建波、罗振元设计所在单位西安文理学院 2012年 5 月西安文理学院本科毕业设计（论文）开题报告题目基于MCS51单片机的实验开发系统人机交互模块设计与实验改进学生姓名王玮学号08102080236专业名称机械设计制造及其自动化指导教师吕建波罗振元开题时间2012.3.2班级08机电（2）班一、选题目的和意义人机互动是一门研究系统与用户之间的交互关系的学问，系统可以是各种各样的机器，也可以是计算机化的系统和软件。人机交互界面通常是指用户可见的部分，用户通过人机交互界面与系统交流，并进行操作。小如收音机的播放按键，大至飞机上的仪表板、或是发电厂的控制室。人机交互的主要作用是控制有关设备的运行和理解并执行通过人机交互设备传来的有关的各种命令和要求。有了交互，多媒体程序才具有和用户对话的能力，有和用户对话的能力，才能让用户随心所欲控制多媒体程序的走向。本文以MCS51系列单片机为核心处理器，通过操作员从键盘打入命令，操作系统接到命令后立即执行并将结果通过显示器显示的这一过程，设计出单片机的人机互换模块，并在proteus环境下进行仿真，进一步熟悉和掌握单片机的结构及工作原理通过实际程序设计和调试，逐步掌握模块化程序设计方法和调试技术。通过完成人机交互模块的完整过程，从而从实践了解到单片机系统，强化了所学理论知识。二、本课题在国内外的研究状况及发展趋势为了能和计算机进行更加人性化的交互，各种人机交互技术不断出现，每一种新技术的出现带来的都是对人机交互研究的历史性跨越。目前，人机交互技术正处于多通道、多媒体的智能人机交互阶段，已经取得了不少研究成果，不少产品已经问世。侧重多媒体技术的有:触摸式显示屏实现的“桌面”计算机，能够随意折叠的柔性显示屏制造的电子书，从电影院搬进客厅指日可待的3D显示器，使用红绿蓝光激光二极管的视网膜成像显示器；侧重多通道技术的有：“汉王笔”手写汉字识别系统，结合在微软的Tablet PC 操作系统中数字墨水技术，广泛应用于Office/XP的中文版等办公、应用软件中的IBM/Via Voice连续中文语音识别系统，输入设备为摄像机、图像采集卡的手势识别技术，以IPHONE手机为代表的可支持更复杂的姿势识别的多触点式触摸屏技术，以及IPHONE中基于传感器的捕捉用户意图的隐式输入技术。目前，人机交互的发展趋势为：高科技化、自然化和人性化。其中高科技化包括平面化、超薄型化、便携式；自然化是在设计中运用进步的图形学、软件工程、人工智能、窗口系统等软件技术，充分发挥整合和协调的作用，并在入图形艺术、心理学和人机工程等方面做深入的研究；而人性化的最大体现在于计算机虚拟现实技术的实用化。人机交互的发展仍将延续由以计算机为中心的交互向以人为中心的交互转变，理想的人机交互模式就是“用户自由”，“用户自由”指的是能听、说、读、写、感觉却不可见的计算机，然而计算会无所不在，不可见的人机交互也将会无所不在。随着人机交互技术与计算机始终相伴发展、CPU、GPU的运算能力日趋强大，网络和通信技术的快速发展，显示技术的重大突破，人机交互将步入一个新的起点与高度。三、主要研究内容本课题主要研究MCS-51单片机人机交换系统中的数据交互，数据交互是人通过输入数据的方式与计算机进行交流的一种方式，它是人机交互的重要内容和形式。其一般的交互过程是：用户首先通过输入设备把数据输入计算机；然后，系统响应用户输入，给出反馈信息，并显示在屏幕上（或者以其他方式显示），具体设计任务如下： 1分析各类基于MCS51系列单片机的人机互换模块设计，主要包括矩阵式键盘、LED显示；2设计出人机互换模块的电路原理图，并用proteus完成部分模块的仿真； 3在面包板上调试电路，确定硬件电路，用DXP软件画出电路的PCB板； 4编写相应软件程序，进行软件的调试；5进行系统软件、硬件结合进行整机调试，实现人机互换的输入输出。；6. 针对本科单片机课程实验教学，进行测控接口模块实验方法的更新和改进。指导教师意见及建议：签字：年月日教研室审核意见：签字：年月日基于MCS51单片机的实验开发系统人机交互模块设计与实验改进班级 08级机电2班姓名王玮学号 08102080236指导老师吕建波罗振元一研究概述研究背景交互设计就是设计支持人们日常工作与生活的交互式产品随着现阶段人们对计算机的普及人机交互界面越来越受到人们的重视在现代各类仪器的开发中人机交互功能起着无可替代的作用研究问题以MCS51系列单片机为核心处理器通过操作员从键盘打入命令操作系统接到命令后立即执行并将结果通过数码管显示器显示的这一过程设计出人机互换模块二人机交互基本框架设计主要包括四部分其中4 4矩阵键盘作为系统输入设备 4位8段数码管显示作为输出设备 89C52单片机作为核心处理器一个段锁存器和一个位锁存器来完成数据锁存处理这四部分模块对数据的基本执行流程及其相互之间关系如下图1 1所示图1 1人机交互基本流程图三89C52单片机最小系统四矩阵键盘硬件电路五数码管锁存器硬件电路图六整体程序设计人机交互模块程序设计中首先是在按键按下之后程序进行行列扫描扫描完成之后进入按键处理将相应值送往断码和位码进行数码管扫描显示因为数码管共8位所以当位选进入第八位断码显示之后程序进行清屏处理等待下次8位数字的键入图1 2是整体程序设计流程图图1 2整体程序设计流程图软件设计应注意问题程序中必须在每次有按键按下时都要去抖动后再检测该按键是否按下因为在按键的实际波形图1 5 在按下和释放时都存在抖动若不去除抖动 CPU会误将抖动认为按键多次按下使程序混乱 voidDelayUs2x unsignedchart while t voidDelayMs unsignedchart while t DelayUs2x 245 DelayUs2x 245 图1 5按键按下时实际波形按键行列扫描七PROTEUS仿真原理图八实验改进探讨传统实验方案存在的问题 1 上课老师只讲理论学生被动学习缺乏积极性 2 实验课程时间紧张学生只是按部就班缺少循序渐进的思考方式改进方法 1 由以往教师在课堂上纯理论教学转变成实验室现场教学老师做完实验学生根据老师的现场教学随后做实验这样学生能较快的吸收老师所讲述的内容并对课堂上学习的课程及时得到温故 2 利用Proteus仿真软件辅助实验教学通过Proteus软件讲解实验中硬件电路及工作过程现场连线并演示运行结果老师可以通过连线对学生讲解每条连线的意义避免学生盲目连线却不了解其中意义 3 开展相应的实验技能竞赛提高学生自主学习能力 4 为了切实可行地给学生创造学习条件学校还设立相应的开放实验室学生除了可以在课堂上接受知识之外还可以通过开放实验室自行进行实验如果上课实验没有完成或者是有想法需要验证开放实验室都可以提供相应的帮助总结本次设计以89C52单片机为核心处理器通过对硬件和软件的设计并在proteus环境下进行仿真进一步熟悉和掌握了单片机的结构及工作原理并从实践了解到单片机系统强化了所学理论知识致谢在此首先要感谢我的导师吕建波罗振元老师是您的细心指导和关怀使我能够顺利的完成毕业设计其次向在百忙中抽出时间对本文进行评审并提出宝贵意见的各位专家表示衷心地感谢西安文理学院机械电子工程系本科毕业设计（论文）题目基于MCS51单片机的实验开发系统人机交互模块设计与实验改进专业班级 08机械设计制造及其自动化（2）班学号 08102080236 学生姓名王玮指导教师吕建波、罗振元设计所在单位西安文理学院 2012年 5 月西安文理学院本科毕业设计（论文）任务书题目基于MCS51单片机的实验开发系统人机交互模块设计与实验改进学生姓名王玮学号08102080236专业班级08机械设计制造及其自动化（2）班指导教师吕建波罗振元职称助理实验师工程师教研室实验室实训中心毕业设计（论文）任务与要求1、查阅国内外MCS51系列单片机应用的研究现状，了解MCS51系列单片机人机模块的构成，撰写开题报告和不少于1000字的外文翻译；2、分析各类基于MCS51系列单片机的人机模块设计，主要包括矩阵式键盘和LED显示；3、设计通用模块的电路原理图，用proteus完成部分模块的仿真，在面包板上进行电路实验，画出PCB板；4、编写相应的软件程序，并进行软硬件综合调试，实现系统与用户之间的交互关系；5、针对本科单片机课程实验教学，进行人机交互模块实验方法的更新和改进；6、撰写毕业论文，进行毕业答辩。毕业设计（论文）工作进程起止时间工作内容2012.1.10 . 3.62012.3.7 3.152012.3.16 3.252012.3.26 4.52012.4.6 4.152012.4.16 4.202012.4.21 5.12012.5.1 . 5.52012.5.2 5.11查阅资料，了解MCS51系列单片机应用的国内外研究现状和人机互换模块的构成，撰写开题报告和不少于1000字的外文翻译；分析各类基于MCS51系列单片机的人机互换模块设计，主要包括矩阵式键盘和LED显示；设计出人机交互模块电路原理图，用proteus完成部分模块的仿真，选取元器件；在面包板上调试电路，确定硬件电路，画出电路的PCB板，有条件情况下进行PCB制板；编写相应软件程序，进行软件的调试；系统软件、硬件结合进行整机调试，实现系统与用户之间的交互关系；进行测控接口模块实验方法的更新和改进；撰写毕业论文初稿；修改论文并定稿，整理全部资料，准备毕业答辩。开始日期 2012.1.10 完成日期 2012.5.11 教研室主任（签字）系主任（签字）西安文理学院本科毕业设计（论文）开题报告题目基于MCS51单片机的实验开发系统人机交互模块设计与实验改进学生姓名王玮学号08102080236专业名称机械设计制造及其自动化指导教师吕建波罗振元开题时间2012.3.2班级08机电（2）班一、选题目的和意义人机互动是一门研究系统与用户之间的交互关系的学问，系统可以是各种各样的机器，也可以是计算机化的系统和软件。人机交互界面通常是指用户可见的部分，用户通过人机交互界面与系统交流，并进行操作。小如收音机的播放按键，大至飞机上的仪表板、或是发电厂的控制室。人机交互的主要作用是控制有关设备的运行和理解并执行通过人机交互设备传来的有关的各种命令和要求。有了交互，多媒体程序才具有和用户对话的能力，有和用户对话的能力，才能让用户随心所欲控制多媒体程序的走向。本文以MCS51系列单片机为核心处理器，通过操作员从键盘打入命令，操作系统接到命令后立即执行并将结果通过显示器显示的这一过程，设计出单片机的人机互换模块，并在proteus环境下进行仿真，进一步熟悉和掌握单片机的结构及工作原理通过实际程序设计和调试，逐步掌握模块化程序设计方法和调试技术。通过完成人机交互模块的完整过程，从而从实践了解到单片机系统，强化了所学理论知识。二、本课题在国内外的研究状况及发展趋势为了能和计算机进行更加人性化的交互，各种人机交互技术不断出现，每一种新技术的出现带来的都是对人机交互研究的历史性跨越。目前，人机交互技术正处于多通道、多媒体的智能人机交互阶段，已经取得了不少研究成果，不少产品已经问世。侧重多媒体技术的有:触摸式显示屏实现的“桌面”计算机，能够随意折叠的柔性显示屏制造的电子书，从电影院搬进客厅指日可待的3D显示器，使用红绿蓝光激光二极管的视网膜成像显示器；侧重多通道技术的有：“汉王笔”手写汉字识别系统，结合在微软的Tablet PC 操作系统中数字墨水技术，广泛应用于Office/XP的中文版等办公、应用软件中的IBM/Via Voice连续中文语音识别系统，输入设备为摄像机、图像采集卡的手势识别技术，以IPHONE手机为代表的可支持更复杂的姿势识别的多触点式触摸屏技术，以及IPHONE中基于传感器的捕捉用户意图的隐式输入技术。目前，人机交互的发展趋势为：高科技化、自然化和人性化。其中高科技化包括平面化、超薄型化、便携式；自然化是在设计中运用进步的图形学、软件工程、人工智能、窗口系统等软件技术，充分发挥整合和协调的作用，并在入图形艺术、心理学和人机工程等方面做深入的研究；而人性化的最大体现在于计算机虚拟现实技术的实用化。人机交互的发展仍将延续由以计算机为中心的交互向以人为中心的交互转变，理想的人机交互模式就是“用户自由”，“用户自由”指的是能听、说、读、写、感觉却不可见的计算机，然而计算会无所不在，不可见的人机交互也将会无所不在。随着人机交互技术与计算机始终相伴发展、CPU、GPU的运算能力日趋强大，网络和通信技术的快速发展，显示技术的重大突破，人机交互将步入一个新的起点与高度。三、主要研究内容本课题主要研究MCS51单片机人机交换系统中的数据交互，数据交互是人通过输入数据的方式与计算机进行交流的一种方式，它是人机交互的重要内容和形式。其一般的交互过程是：用户首先通过输入设备把数据输入计算机；然后，系统响应用户输入，给出反馈信息，并显示在屏幕上（或者以其他方式显示），具体设计任务如下： 1分析各类基于MCS51系列单片机的人机互换模块设计，主要包括矩阵式键盘、LED显示；2设计出人机互换模块的电路原理图，并用proteus完成部分模块的仿真； 3在面包板上调试电路，确定硬件电路，用DXP软件画出电路的PCB板； 4编写相应软件程序，进行软件的调试；5进行系统软件、硬件结合进行整机调试，实现人机互换的输入输出。；6. 针对本科单片机课程实验教学，进行人机交互模块实验方法的更新和改进。指导教师意见及建议：签字：年月日教研室审核意见：签字：年月日西安文理学院本科毕业设计（论文）中期检查表题目基于MCS51单片机的实验开发系统人机交互模块设计与实验改进学生姓名王玮学号08102080236专业名称机械设计制造及其自动化指导教师吕建波罗振元检查时间班级08级（2）班毕业设计（论文）进展情况通过对单片机相关资料的学习，以及对整个设计的了解，现基本完成以下设计工作：1.完成人机互换模块的设计与分析。此部分包含两部分内容：分别是4*4矩阵键盘和数码管的分析设计。 2.确定整个模块电路图、4*4矩阵键盘扫描方式为行列扫描（带中断），数码管选择4位8段数码管。3.开始进行基于行列扫描（带中断）的人机互换程序设计。下一步用proteus完成部分模块的仿真，在面包板上进行电路实验，画出PCB板。最后针对本科单片机课程实验教学，进行人机交互模块实验方法的更新和改进。指导教师意见签字：年月日教研室意见签字：年月日西安文理学院本科毕业设计（论文）指导教师评分表学生姓名王玮学号08102080236专业机械设计制造及其自动化班级08级2班毕业设计（论文）题目基于MCS51单片机的实验开发系统人机交互模块设计与实验改进设计（论文）起止时间 2012 年 1 月 10 日至 2012 年 5 月 11 日指导教师评语：建议成绩：指导教师签名：年月日西安文理学院本科毕业设计（论文）评阅教师评分表学生姓名王玮学号08102080236专业机械设计制造及其自动化班级08级2班毕业设计（论文）题目基于MCS51单片机的实验开发系统人机交互模块设计与实验改进设计（论文）起止时间 2012 年 1 月 10 日至 2012 年 5 月 11 日评阅教师评语：建议成绩：评阅教师签名：年月日西安文理学院本科毕业设计（论文）答辩记录学生姓名王玮学号08102080236专业名称机械设计制造及其自动化答辩时间2012年5月18日答辩地点B0405指导教师吕建波、罗振元题目基于MCS51单片机的实验开发系统人机交互模块设计与实验改进答辩小组成员姓名职称姓名职称提问及回答情况记录：记录人签字：年月日答辩成绩：答辩小组组长签名：年月日毕业论文成绩答辩委员会认定成绩毕业论文等级系（院）答辩委员会意见：负责人签名：年月日注：1、毕业论文成绩=指导教师成绩40%评阅教师成绩20%答辩成绩40%；2、答辩委员会认定成绩是根据该生毕业设计期间的表现及该专业整体论文情况的综合评定成绩。3、论文等级分优秀（90分）、良好（8089分）、中等（7079分）、及格（6069分）、不及格（60分）。基于MCS51单片机的实验开发系统人机交互模块设计与实验改进摘要：人机界面是人与机器进行交互的操作方式，而交互设计就是设计支持人们日常工作与生活的交互式产品，随着现阶段人们对计算机的普及，人机交互界面越来越受到人们的重视。在现代各类仪器的开发中，人机交互功能正起着无可替代的作用。机器与人类的友好性发展使得人机交互界面更适用于当今社会，从而提高人们的工作效率。本次设计主要研究人机交互界面中的数据交互，数据交互通常是指操作员通过输入设备给计算机输入数据指令，计算机之后执行指令并将结果通过输出设备表示出来。本文采用单片机、锁存器、矩阵键盘和数码管显示四大部分构成人机交互系统，在掌握交互原理的基础上对人机交互系统进行了整体的系统分析，设计出交互系统的硬件电路图和各部分所需要的软件程序。并对人机交互实验改进提出了个人想法。文章最后对本次设计进行了总结和展望。关键词：人机界面,交互设计,单片机 The Design of Human and Machine Interface Module based on MCS51 Single Chip Experiment Development System and Experiment ImprovementAbstract: The human machine interface is a mode of operation of human and machine interactive, and the interaction design is to design the products which support our life and work, along with the present stage of the popularization of computer, human computer interaction interface has been paid more and more attention.With all kinds of modern instrument development,the function of man machine interaction plays an irreplaceable role. The friendly development of machine and human makes puter interaction interface used in todays society, so as to improve peoples working efficiency. The design of man machine interface is data interaction, data interaction usually refers to the thing that operator via the input device to input data instruction,then the computer instruction is executed and the results expressed by output device. This paper uses the Single Chip,the latch,the matrix keyboard and the digital display to build a human computer interaction, we do system analysis through mastering the interaction principle of human computer interaction system and design the hardware circuit diagram and the part of the required software program. And put forward personal ideas to the improvements of interactive experimental . At the end of this design are summarized and prospects.Key word: Humane Interface, Interaction Design, Single Chip目录第一章绪论11.1选题目的及意义11.2 人机交互国内外发展现状11.3 本次课题主要研究内容2第二章人机交互模块设计原理与整体方案32.1 人机交互模块基本构成32.2 人机交互模块设计原理32.2.1 MCS51单片机的选择32.2.2 矩阵键盘选择42.2.3数码管显示原理52.3 人机交互模块整体设计方案72.4本章小结7第三章人机交互模块硬件电路设计83.1 单片机最小系统83.1.1 晶振电路83.1.2 复位电路93.2 4*4矩阵键盘硬件电路的设计93.3 数码管锁存器硬件连接103.3.1 锁存器原理103.3.2数码管选择113.3.3 数码管锁存器硬件连接电路图113.4 本章小结12第四章人机交互模块软件程序设计134.1 锁存器锁存程序134.2 行列扫描程序134.3 延时函数设计144.4整体程序设计154.4.1整体程序设计流程图154.4.2程序设计164.5 本章小结16第五章 proteus调试与仿真并绘制PCB板175.1 proteus软件简介175.2 软件功能特点175.3 实验仿真功能实现175.3.1 HEX文件生成175.3.2实验硬件电路连接195.4 用proteus进行调试195.5 用protel DXP绘制PCB板215.6 本章小结：22第六章人机交互实验改进236.1 人机交互实验教学的现状236.1.1 教学内容不足236.1.2 教学手段的落后236.2 实验教学改进思考23本章小结：24第七章总结与展望257.1 工作总结257.2 本次设计展望25致谢26参考文献27附录128附录232 西安文理学院本科毕业设计（论文）第一章绪论1.1选题目的及意义人机交互、人机互动（Human Computer Interface，简写HCI，又称用户界面或使用者界面）：是一门研究系统与用户之间的互动关系的学问。系统可以是各种各样的机器，也可以是计算机化的系统和软件。人机交互界面通常是指用户可见的部分。用户通过人机交互界面与系统交流，并进行操作。小如收音机的播放按键，大至飞机上的仪表板、或是发电厂的控制室。操作系统的人机交互功能是决定计算机系统“友善性”的一个重要因素。人机交互功能主要靠可输入输出的外部设备和相应的软件来完成。可供人机交互使用的设备主要有键盘显示、鼠标、各种模式识别设备等。与这些设备相应的软件就是操作系统提供人机交互功能的部分。人机交互部分的主要作用是执行通过人机交互设备传来的有关的各种命令和要求。本文以MCS51系列单片机为核心处理器，通过操作员从键盘打入命令，操作系统接到命令后立即执行并将结果通过显示器显示的这一过程，设计出单片机的人机互换模块，并在proteus环境下进行仿真，进一步熟悉和掌握单片机的结构及工作原理通过实际程序设计和调试，逐步掌握模块化程序设计方法和调试技术。通过完成人机交互模块的完整过程，从而从实践了解到单片机系统，强化了所学理论知识。1.2 人机交互国内外发展现状随着计算机技术的发展，操作命令也越来越多，功能也越来越强。随着模式识别，如语音识别、汉字识别等输入设备的发展，操作员和计算机在类似于自然语言或受限制的自然语言这一级上进行交互成为可能。此外，通过图形进行人机交互也吸引着人们去进行研究。这些人机交互可称为智能化的人机交互。这方面的研究工作正在积极开展。人机交互技术是指通过计算机输入、输出设备，以有效的方式实现人与计算机对话、交换信息的技术。人们可以借助键盘、鼠标、操作杆、位置跟踪器、数据手套等设备，用手、脚、声音、姿态和身体的动作、视线甚至脑电波等向计算机传递信息；计算机通过打印机，绘图仪、头盔式显示器、音频等输出设备或显示设备给人提供信息。目前，人机交互技术正处于多通道、多媒体的智能人机交互阶段，已经取得了不少研究成果，不少产品已经问世。侧重多媒体技术的有:触摸式显示屏实现的“桌面”计算机，能够随意折叠的柔性显示屏制造的电子书，从电影院搬进客厅指日可待的3D显示器，使用红绿蓝光激光二极管的视网膜成像显示器；侧重多通道技术的有：“汉王笔”手写汉字识别系统，结合在微软的Tablet PC 操作系统中数字墨水技术，广泛应用于Office/XP的中文版等办公、应用软件中的IBM/Via Voice连续中文语音识别系统，输入设备为摄像机、图像采集卡的手势识别技术，以IPHONE手机为代表的可支持更复杂的姿势识别的多触点式触摸屏技术，以及IPHONE中基于传感器的捕捉用户意图的隐式输入技术。人机交互技术领域热点技术的应用潜力已经开始展现，比如智能手机配备的地理空间跟踪技术，应用于可穿戴式计算机、隐身技术、浸入式游戏等的动作识别技术，应用于虚拟现实、遥控机器人及远程医疗等的触觉交互技术，应用于呼叫路由、家庭自动化及语音拨号等场合的语音识别技术，对于有语言障碍的人士的无声语音识别，应用于广告、网站、产品目录、杂志效用测试的眼动跟踪技术，针对有语言和行动障碍人开发的“意念轮椅”采用的基于脑电波的人机界面技术等。热点技术的应用开发是机遇也是挑战，基于视觉的手势识别率低，实时性差，需要研究各种算法来改善识别的精度和速度，眼睛虹膜、掌纹、笔迹、步态、语音、唇读、人脸、DNA等人类特征的研发应用也正受到关注，自然语言理解虽然目前在语言模型、语料库等方面有进展外，仍将是人机交互的重要目标，多通道的整合也是人机交互的热点，另外，与“无所不在的计算”、“云计算”等相关技术的融合与促进也需要继续探索。1.3 本次课题主要研究内容本课题主要研究MCS51单片机人机交换系统中的数据交互，数据交互是人通过输入数据的方式与计算机进行交流的一种方式，它是人机交互的重要内容和形式。其一般的交互过程是：用户首先通过矩阵键盘为输入设备把数据输入单片机；然后，系统响应用户输入，给出反馈信息，并显示在数码管显示屏上，具体设计任务如下： 1分析各类基于MCS51系列单片机的人机互换模块设计，主要包括矩阵式键盘、LED显示； 2设计出人机互换模块的电路原理图，并用proteus完成部分模块的仿真； 3在面包板上调试电路，确定硬件电路，用DXP软件画出电路的PCB板； 4编写相应软件程序，进行软件的调试； 5进行系统软件、硬件结合进行整机调试，实现人机互换的输入输出； 6. 针对本科单片机课程实验教学，进行人机交互模块实验方法的更新和改进。第二章人机交互模块设计原理与整体方案2.1 人机交互模块基本构成人机交互过程即为人们通过输入设备输入信息，系统响应输入，再通过输出设备将信号反馈出来。本次设计主要包括四部分，其中4*4矩阵键盘作为系统输入设备，4位8段数码管显示作为输出设备，MCS51单片机作为核心处理器，一个段锁存器和一个位锁存器来完成数据锁存处理。这四部分模块对数据的基本执行流程及其相互之间关系如下图2.1所示。图2.1 人机交互模块基本流程2.2 人机交互模块设计原理2.2.1 MCS51单片机的选择 MCS51是指由美国INTEL公司生产的一系列单片机的总称，这一系列单片机包括了好些品种，如8031，8051，8751，8032，8052，8752等。该系列单片机的生产工艺有两种。一是早期的HMOS工艺（即高密度短沟道MOS工艺），二是现在的CHMOS工艺（即互补金属氧化物的HMOS工艺）。CHMOS工艺即保持了HMOS的高速度和高密度的特点，还具有HMOS的低功耗的特点。在产品中凡带有字母型号C的即为CHMOS芯片，不带有字母C的即为HMOS芯片。HMOS芯片的电平与TTL电平兼容，而CHMOS的电平即与TTL电平兼容又与CMOS电平兼容。所以，现在单片机应用系统中都采用CHMOS工艺的芯片。在功能上，该系列单片机分为基本型和增强型两类，通常以芯片型号的末位数字来区分，“1” 为基本型“2” 为增强型。MCS51单片机基本型包含：CPU系统，存储器系统，I/O口和其他控制单元。其中CPU系统包括8位CPU，含布尔处理器，时钟电路和总线控制。存储器系统包括4K字节的程序存储器，128字节的数据存储器和特殊功能寄存器SFR。I/O口和其他控制单元包括4个并行I/O口，2个16位定时/计数器。1个全双工异步串行口和由5个中断源2个优先级组成的中断系统。MCS51共有7种寻址方式包括立即寻址，直接寻址，寄存器寻址，寄存器间接寻址，变址寻址，相对寻址，位寻址。本次设计使用的是89C52单片机。89C52单片机采用的是具有总线扩展引脚的DIP40封装，其中VCC为电源接入引脚。Vss为电源接入引脚，XTAL1和XTAL2为晶体振荡器接入的两个引脚，ALE为地址锁存允许信号，EA为内外存储器引脚。PSEN为外部程序存储器选通信号输出引脚，P0.0.P0.7为一般I/O口引脚或数据/低位地址总线复用引脚，P1.0.P1.7一般I/O口引脚，P2.0.P2.7为I/O口引脚或高位地址总线引脚，P3.0.P3.7为一般I/O口引脚或第二功能引脚。图2.2 89C52单片机引脚功能2.2.2 矩阵键盘选择在键盘中按键数量较多时，为了减少I/O口的占用，通常将按键排列成矩阵形式，如图2.6所示。在矩阵式键盘中，每条水平线和垂直线在交叉处不直接连通，而是通过一个按键加以连接。这样，8条端口线就可以构成4*4=16个按键，比之直接将端口线用于键盘多出了一倍，而且线数越多，区别越明显，比如再多加一条线就可以构成20键的键盘，而直接用端口线则只能多出一键。本次设计我们采用4*4矩阵键盘，原理图如下图2.3所示。图2.3 矩阵键盘原理图上图中，列线通过电阻接正电源，并将行线所接的单片机的I/O口作为输出端，而列线所接的I/O口则作为输入。这样，当按键没有按下时，所有的输入端都是高电平，代表无键按下。行线输出是低电平，一旦有键按下，则输入线就会被拉低，这样，通过读入输入线的状态就可得知是否有键按下了。按键扫描方式有两种，一种是行列扫描法，另外一种是翻转法，具体介绍如下：（1）行列扫描法行列扫描法又称为逐行（或列）扫描查询法，是一种最常用的按键识别方法，如上图所示键盘，具体过程如下。1、判断键盘中有无键按下：将全部行线P14.P17置低电平，然后检测列线的状态。只要有一列的电平为低，则表示键盘中有键被按下，而且闭合的键位于低电平线与4根行线相交叉的4个按键之中。若所有列线均为高电平，则键盘中无键按下。2、判断闭合键所在的位置：在确认有键按下后，即可进入确定具体闭合键的过程。其方法是：依次将行线置为低电平，即在置某根行线为低电平时，其它线为高电平。在确定某根行线位置为低电平后，再逐行检测各列线的电平状态。若某列为低，则该列线与置为低电平的行线交叉处的按键就是闭合的按键。（2）高低电平翻转法首先让P1口高四位为1，低四位为0。若有按键按下，则高四位中会有一个1翻转为0，低四位不会变，此时即可确定被按下的键的行位置。然后让P1口高四位为0，低四位为1。若有按键按下，则低四位中会有一个1翻转为0，高四位不会变，此时即可确定被按下的键的列位置。本次设计我们采用行列扫描法，具体流程图见第四章。2.2.2 数码管显示原理 LED数码管实际上是由七个发光管组成8字形构成的，加上小数点就是8个。这些段分别由字母a,b,c,d,e,f,g,dp来表示，如图2.4。当数码管特定的段加上电压后，这些特定的段就会发亮，以形成我们眼睛看到的 2个8数码管字样了。如：显示一个“2”字，那么应当是a亮b亮g亮e亮d亮f不亮c不亮dp不亮。LED数码管有一般亮和超亮等不同之分，也有0.5寸、1寸等不同的尺寸。小尺寸数码管的显示笔画常用一个发光二极管组成，而大尺寸的数码管由二个或多个发光二极管组成，一般情况下，单个发光二极管的管压降为1.8V左右，电流不超过30mA。常用LED数码管显示的数字和字符是0、1、2、3、4、5、6、7、8、9、A、B、C、D、E、F。图2.4 八段数码管及其硬件电路连接根据LED的接法不同分为共阴和共阳两类，发光二极管的阳极连接到一起连接到电源正极的称为共阳数码管，发光二极管的阴极连接到一起连接到电源负极的称为共阴数码管。与普通二极管一样发光二极管也具有单向导电性。当给发光二极管加上正向电压（大于LED 的正向压降）就会发光，当给发光二极管加上负向电压就不会发光。图2.5是共阴和共阳极数码管的内部电路，它们的发光原理是一样的，只是它们的电源极性不同而已。图2.5 共阴和共阳极数码管的内部电路图2.2.4 数码管驱动方式数码管要正常显示，就要用驱动电路来驱动数码管的各个段码，从而显示出我们要的数字，因此根据数码管的驱动方式的不同，可以分为静态式和动态式两类。（1）静态显示驱动静态驱动也称直流驱动。静态驱动是指每个数码管的每一个段码都由一个单片机的I/O端口进行驱动。静态驱动的优点是编程简单，显示亮度高，缺点是占用I/O端口多，如驱动5个数码管静态显示则需要58=40根I/O端口来驱动，实际应用时必须增加译码驱动器进行驱动，增加了硬件电路的复杂性。（2）动态显示驱动动态驱动是将所有数码管的8个显示笔划a,b,c,d,e,f,g,dp的同名端连在一起，另外为每个数码管的公共极COM增加位选通控制电路，位选通由各自独立的I/O线控制，当单片机输出字形码时，所有数码管都接收到相同的字形码，但究竟是那个数码管会显示出字形，取决于单片机对位选通COM端电路的控制，所以我们只要将需要显示的数码管的选通控制打开，该位就显示出字形，没有选通的数码管就不会亮。通过分时轮流控制各个数码管的的COM端，就使各个数码管轮流受控显示，这就是动态驱动。在轮流显示过程中，每位数码管的点亮时间为12ms，由于人的视觉暂留现象及发光二极管的余辉效应，尽管实际上各位数码管并非同时点亮，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，动态显示的效果和静态显示是一样的，能够节省大量的I/O端口，而且功耗更低。由于任一时刻只能显示一种数字，当需要多位数码管显示多位数据的时候就需要动态扫描。动态扫描实际上执行的是动态显示，由于动态速度很快，人眼分辨不出是在动态显示，所以看上去是静态显示，这种效果正是我们所需要的，所以我们选用动态显示驱动。2.3 人机交互模块整体设计方案本次设计选择MCS51单片机中的89C52为核心驱动，4*4矩阵键盘为系统的输入设备，两个四位八段数码管显示为系统的输出设备，两个74HC573为数据锁存器，一个为段锁存器，另一个为位锁存器，各部分间相互间具体联系及其数据流向如下图2.6所示。图2.6 人机交互整体设计方案及其数据流程图2.4本章小结本章主要介绍了矩阵键盘、数码管显示、51单片机与锁存器的结构及原理，选取了键盘、数码管、单片机及其锁存器的类型，设计出人机交互模块整体方案，并确定模块中的数据流程。第三章人机交互模块硬件电路设计3.1 单片机最小系统如下图3.1所示为本次设计单片机最小系统，其中包括晶振电路和复位电路。图中RESPACK8为排阻，因51单片机P0口内部没有上拉电阻，因此不能输出高电平，排阻在这里就是上拉电阻，保证单片机P0口正常输出。图3.1 单片机最小系统3.1.1 晶振电路单片机的工作过程是：取一条指令、译码、进行微操作，再取一条指令、译码、进行为微操作，这样自动的一步一步的由微操作依序完成相应指令规定的功能。各指令的微操作在时间上有严格的次序，这种为操作的时间次序为时序。51单片机的时钟信号通常有两种方式产生。一种是内部时钟方式，一种是外部时钟方式。内部时钟方式是在单片机的XTAL1和XTAL2引脚外接晶振即可。两个电容的作用是用来稳定频率和快速起振，电容值在530pF，典型值为30pF。晶振CYS的振荡频率要小于12MHZ，典型值为6HMz、12MHz、或11.0592MHz。外部时钟方式是把外部已有的时钟信号引入到单片机内。本次设计运用内部时钟方式，其电路图如下图3.2所示。图3.2 内部时钟震荡电路3.1.2 复位电路复位是使单片机或系统中的其他部件处于某种确定的初始状态。单片机的工作就是从复位开始的。当RST引脚加高电平复位信号时，单片机内部就执行复位操作。复位信号变低电平时，单片机开始执行程序。实际应用中，复位操作有两种基本形式：一种是上电复位，另一种是上电与按键均有效的复位。上电复位要求接通电源后，单片机自动实现复位操作。上电瞬间RST引脚获得高电平，随着电容充电，RST引脚的点评逐渐降低，RST引脚的高电平只要能保持足够的时间（2个机器周期），单片机就可以进行复位操作。按键与上电均有效为上电原理和按键均可复位，这样可以提高操作的可靠性。为提高可靠性，我们使用上电与按键均有效复位（图3.3）。图3.3 上电与按键均有效复位电路3.2 4*4矩阵键盘硬件电路的设计如下3.4所示为矩阵式键盘硬件电路图，为提高CPU的工作效率，现将其设计为带中断，即每根列线连接一个二极管，当有按键被按下时，该列线所接二极管导通，当 CPU得知按键按下，单片机开始工作。图3.4 4*4矩阵键盘矩阵键盘中的数据输出端J24接89C52单片机的P1口，作为键盘数据输出端。 3.3 数码管锁存器硬件连接对于89C52输出的数据，并不将其直接送给数码管，而是通过锁存器将数据缓存之后送给数码管，如图3.8。本次设计选择所存器的是74HC573，接下来将介绍锁存器相关内容。3.3.1 锁存器原理所谓锁存器就是把当前的状态锁存起来，使 CPU 送出的数据在接口电路的输出端保持一段时间锁存后状态不再发生变化，直到解除锁定。本次设计采用74HC573作为系统中的锁存器，来实现数据的缓存，其引脚结构如图3.5所示。图3.5 74HC573锁存器74HC573锁存器中，引脚OE为输出使能端，并为低电平有效，即当OE为0时，输出端才能正常输出。LE为数据锁存使能端，当LE为高电平时，锁存器呈透明态，即数据锁存输出端数据等于输入端数据，当输入的数据消失时,在芯片的输出端,数据仍然保持。当LE为低电平时，锁存器成锁存态，即输出端的数据保持不变。我们可以通过控制锁存引脚，来控制 74HC573 后端输出数据。该锁存器的真值表如下表3.6所示。表3.6 74HC573真值表DnLEOEOnHHLHLHLLXLLQoXXHZ在应用中，我们将数码管与锁存器连接，用来锁存数码管位选和段选所需要的数据，数码管再根据位选片和段选片所给的出的数据进行位选和段选，来确定是数码管的那位亮，和该位的哪段亮，这样在数码管显示屏上，我们就可以清楚地看到键盘按下时，相应的数字便会亮。3.3.2数码管选择本次设计中我们的数码管采用4位8段共阴数码管，其中共阴数码管在应用时应将公共极COM接到地线GND上，为使二极管发光，则其对应的段码应为高电平时，该段对应的数码管亮，当数码管对应断码为低电平时，数码管中对应的二极管不导通，数码管中对应的段不发亮。表3.7为数码管显示的字型与8段数码管各自的电平以及对应的16进制字符码的对应方式。表3.7 共阴数码管显示字型与字符码对应关系显示字型Dp g f e d c b a字符码00 0 1 1 1 1 1 13FH10 0 0 0 0 1 1 006H 20 1 0 1 1 0 1 15BH 30 1 0 0 1 1 1 14FH 40 1 1 0 0 1 1 066H 50 1 1 0 1 1 0 16DH 60 1 1 1 1 1 0 17DH 70 0 0 0 0 1 1 1 07H 80 1 1 1 1 1 1 1 7FH 90 1 1 0 1 1 1 1 6FH A0 1 1 1 0 1 1 1 77H B0 1 1 1 1 1 0 0 7CH C0 0 1 1 1 0 0 1 39H D0 1 0 1 1 1 1 0 5EH E0 1 1 1 1 0 0 1 79H F0 1 1 1 0 0 0 1 71H3.3.3 数码管锁存器硬件连接电路图图3.8 数码管与锁存器硬件连接电路图图中89C52单片机的P0口接下图中的J3端，并同时接入两个74HC573的1D-8D。P2.2接J2(2)为74HC573的段锁存使能端。P2.3接J2(3)，为74HC573的位锁存使能端。段锁存器74HC573的1Q-8Q接至两个4位8段共阴数码管的a-dp端口。位锁存器74HC573中1Q-8Q于高位至地位依次接入2个数码管的com端。因为共阴数码管，所以位选为低电平时数码管该位才会被选中。将矩阵键盘电路与数码管锁存器硬件连接电路通过89C52单片机连接，即构成了人机交互整体硬件电路。3.4 本章小结本章主要讲述了人机交互系统的硬件电路连接结构，其中包括4*4矩阵键盘与89C52单片机，89C52单片机与数码管、74HC573锁存器的选择与各端口的电路连接。第四章人机交互模块软件程序设计4.1 锁存器锁存程序锁存器锁存使能端LE为下降沿有效，输出使能端OE为低电平有效，所以在数据锁存之前，先将输出使能端OE设为0，确保数据能正常输出，然后输入数据至锁存器，再将锁存使能端LE从0设1再设0，这时所需要输出的数据就锁存在锁存器输出端上了，并且输入的数据变化也影响不到输出数据，直到下次LE转变为1。锁存器锁存流程图如下图4.1所示。图4.1 锁存器锁存流程图4.2 行列扫描程序在该程序中我们采用行列扫描方式进行按键的扫描，即逐行设置连接单片机8个I/O口的矩阵键盘的行列电平，首先设置第一行电平为0，其余为1，如果被按下的按键在第一行，由于在按键按下之后，该按键所在的列线电平被拉低，单片机P1口数据发生变化，记录键值。若按下的按键不在第一行，随即设置矩阵键盘第二行为电平为1，其余为0，同理，如果键盘在第二行，I/O口的数据发生变化，记录键值。若不在第二行，程序进入第三行行列扫描，即设置矩阵键盘第三行为0，其余行列均为1，该行有按键按下时记录键值，没有按键按下时进入第四行扫描。将第四行行线设为0，其余行列线设为1，按键在该行时，I/O口数据改变，记录键值，该行没有按键按下时等待下次按键按下。其具体流程图如下图4.2所示。图4.2 行列扫描流程图4.3 延时函数设计程序中必须在每次有按键按下时都要去抖动后再检测该按键是否按下，因为在按键按下时的实际波形与理想波形并不一致，实际波形在按下和释放时都存在抖动，如图4.3所示，键盘抖动会引起一次按键被误读多次，为了使CPU对键盘的一次闭合仅做一次处理，必须去除键盘抖动。图4.3 按键按下时实际波形图去抖动消除的方法有硬件和软件两种方法。硬件方法为定时器每隔一段时间定时扫描一次，当扫描到按键按下时CPU执行处理程序。一般在键较少时可用硬件方法；如果键较多，常用软件的方法，检测出键闭合后执行一个延时程序，产生几毫秒的延时，再检测键的闭合状态，确认键是否真的被按下，当检测到按键释放后，也要给出几毫秒的延时，后沿抖动消失后才能转入该键的处理程序。4.4整体程序设计4.4.1整体程序设计流程图人机交互模块程序设计中，先是在按键按下之后，命令按键进行行列扫描，扫描完成之后进入按键处理，将相应值送往断码和位码，进行数码管扫描显示。因为数码管共8位，所以当位选进入第八位，断码显示之后，程序进行清屏处理，等待下次8位数字的键入。图4.4 整体程序设计流程图4.4.2程序设计具体程序设计见附录1。4.5 本章小结本章主要讲述人机交互系统的软件程序设计部分，除了主体程序设计外，还包括按键去抖动程序、中断程序、数据锁存程序和按键扫描程序的执行过程及其对应的程序设计。第五章 proteus调试与仿真并绘制PCB板5.1 proteus软件简介 Proteus软件是英国Labcenter electronics公司出版的EDA工具软件（该软件中国总代理为广州风标电子技术有限公司）。它不仅具有其它EDA工具软件的仿真功能，还能仿真单片机及外围器件。它是目前最好的仿真单片机及外围器件的工具。虽然目前国内推广刚起步，但已受到单片机爱好者、从事单片机教学的教师、致力于单片机开发应用的科技工作者的青睐。Proteus是世界上著名的EDA工具(仿真软件)，从原理图布图、代码调试到单片机与外围电路协同仿真，一键切换到PCB设计，真正实现了从概念到产品的完整设计。是目前世界上唯一将电路仿真软件、PCB设计软件和虚拟模型仿真软件三合一的设计平台，其处理器模型支持8051、HC11、PIC10/12/16/18/24/30/DsPIC33、AVR、ARM、8086和MSP430等，2010年又增加了Cortex和DSP系列处理器，并持续增加其他系列处理器模型。在编译方面，它也支持IAR、Keil和MPLAB等多种编译器。5.2 软件功能特点Proteus软件具有其它EDA工具软件（例：multisim）的功能。这些功能是：实现原理布图；实现PCB自动或人工布线；实现SPICE电路仿真。其革命性的特点有：1互动的电路仿真。用户甚至可以实时采用诸如RAM，ROM，键盘，马达，LED，LCD，AD/DA，部分SPI器件，部分IIC器件。2仿真处理器及其外围电路。可以仿真51系列、AVR、PIC、ARM、等常用主流单片机。还可以直接在基于原理图的虚拟原型。Proteus软件具有其它EDA工具软件(例：Multisim)的功能。这些功能是： (1)原理布图。(2)PCB自动或人工布线。(3)SPICE电路仿真。革命性的特点： (1)互动的电路仿真。用户甚至可以实时采用诸如RAM，ROM，键盘，马达，LED，LCD，AD/DA，部分SPI器件，部分IIC器件。(2)仿真处理器及其外围电路。可以仿真51系列、AVR、PIC、ARM、等常用主流单片机。还可以直接在基于原理图的虚拟原型上编程，再配合显示及输出，能看到运行后输入输出的效果。配合系统配置的虚拟逻辑分析仪、示波器等，Proteus建立了完备的电子设计开发环境。5.3 实验仿真功能实现5.3.1 HEX文件生成在keil中编写完程序后，要将程序通过烧录器烧写到单片机中，这时就需要在keil中产生一个hex格式的文件，只有通过这种格式,烧录器才能将程序烧写到单片机中。hex文件格式是Intel公司提出的按地址排列的数据信息,数据宽度为字节,所有数据使用16进制数字表示, 常用来保存单片机或其他处理器的目标程序代码。它保存物理程序存储区中的目标代码映象。一般的编程器都支持这种格式。在keil中对其进行如下设置，便能产生hex文件：(1)点击菜单“Option for Tagret .”(2)选择“Output”页,钩选“Create HEX File”（3）重编译，如果程序无误，在Project的当前目录即会产生HEX文件。5.3.2实验硬件电路连接在proteus软件下，单机library，选定所需的单片机及其配套元件。根据电路原理连接电路，绘制电路图。即单片机89C52的P1口为矩阵键盘的输入输出，其中P1.0.P1.3为单片机I/O口输出，连接键盘4条行线。P1.4.P1.7为单片机的I/O口输入，连接键盘4条列线。时钟信号产生方式为内部时钟方式，即接晶振，并利用电容快速起振。电路采用按键与上电均有效方式。P0口为单片机的输出口，连接段锁存和位锁存芯片，选取两个74HC573芯片分别作为位锁存和段锁存芯片，段选片的数据输出端接两个显示数码管的a.dp段，位选片的数据输出端接显示屏的位选，其中显示屏采用4位8段数码管显示，所以显示屏共有2*4个位。4个与键盘列线反接的二极管用来实现中断，阳极接入P3.2。双击单片机，弹出对话框，加载利用KILE软件生成的HEX文件，点击OK.在窗口左下方单击播放按钮，在图中按下相应的按键来实现仿真。图5.1 整体硬件电路图绘制5.4 用proteus进行调试1，调试数码管显示16进制数字37bf,如图5.2所示：图5.2 数码管显示37bf2，调试数码管显示FEDCbA98 图5.3 数码管显示FEDCbA983，调试数码管显示01234567，如图5.4所示。图5.4 数码管显示012345675.5 用protel DXP绘制PCB板根据上述原理图，利用protel DXP软件进行原理图绘制、元器件的制作、产生网络表最终获得PCB板绘制如下图5.5所示。图5.5 印刷电路板的绘制5.6 本章小结：本章主要讲述了proteus软件功能特点及其如何利用KILE 软件进行HEX文件的生成，连接人机交互实验硬件电路，完成了实验调试仿真过程，并通过protel DXP进行了电路板的绘制。第六章人机交互实验改进人机交互技术在近20年中得到迅速的发展，用户通过人机交互界面与系统交流，并进行操作。小如收音机的播放按键，大至飞机上的仪表板、或是发电厂的控制室。单片机原理与接口技术课程已经成为高等院校电子信息、自动化、测控技术等专业的一门必修课程。其中矩阵式键盘及其显示也成为现在教学中尤为重要的章节。作为一门理论与实践应用性很强的课程，不仅需要学生掌握扎实的理论知识，更需要培养学生的实际动手能力和科技创新能力，因此，实验教学环节是该实验的重要组成部分。如何进一步改进实验教学的学模式，充分调动学生的积极性，提高学生独立思考、动手能力的水平是值得思考和关注的问题。6.1 人机交互实验教学的现状6.1.1 教学内容不足人机交互的实验内容主要以验证性实验为主，采用汇编语言为编程语言。学生一般根据实验指导书上的实验原理、流程图和硬件连线在实验箱上来完成实验，动手和思考的机会很少。这就造成一方面学生缺乏对硬件的认识，另一方面不利于学生在动手能力以及综合应用能力方面的培养。另外，学生在C语言方面的练习也少之又少，这就在一定程度上造成学习的知识与社会需求的脱节。6.1.2 教学手段的落后在实验教学过程中，由于实验教学经费紧张和时间的限制，教师只是简单地讲授一下实验的基本思路和操作方法，然后学生跟着做。学生在实验过程中具有盲目性，缺少循序渐进的思考方式，从而导致学生对所做实验感到陌生，严重影响实验教学效果。6.2 实验教学改进思考我们做人机交互键盘显示实验，都是在课堂上听完理论知识，再在下来的实验课程里完成实验。在较短时间内要做出结果，我们只能按照试验书中的内容按部就班，有可能做完试验还不知道每根连线的实际作用。所以，我觉得在实验前应做足全方面的了解，实验时才能做的得心应手，才能将电路与实验相结合。为了让学生更好的理解到交互实验，我提出以下具体的四点改进方式：（1）由以往教师在课堂上纯理论教学转变成实验室现场教学，老师做完实验，学生根据老师的现场教学随后做实验，这样学生能较快的吸收老师所讲述的内容，并对课堂上学习的课程及时得到温故。理论讲述中，老师应在知识讲述过程中带上实体，如开发板。学生可以清楚的认识到独立键盘和矩阵型键盘，老师可以通过开发板实验来演示人机交互过程。通过实体讲解，可以激发学生学习兴趣。随后，学生进行实验，学习的内容可以很快与实验相结合，避免了教学与实验相脱节。（2）利用Proteus仿真软件辅助实验教学。通过Proteus软件讲解人机交互中的硬件电路及工作过程，现场连线并演示运行结果，老师可以通过连线对学生讲解每条连线的意义。如本论文第三章讲述到矩阵键盘中实现中断的二极管应接89C52的P3.2口，通过proteus仿真软件演示，学生可以清楚的了解到中断连接线的意义，而非像往常实验连线，只是盲目的照着实验连线进行连线，并不了解其中硬件电路连接的意义。硬件电路图还可以帮助学生读懂程序，使每句程序都能在电路中得到相应的解释，避免了学生盲目加载程序而不知其意义。（3）开展相应的人机交互仿真技能竞赛，由学生先按照老师上课讲述进行基础性实验仿真，老师通过得分选出优异者进行综合性实验仿真，所谓综合性实验仿真即要求学生通过学习矩阵键盘原理，通过自行更改扫描顺序和键值，并用仿真软件运行结果。之后，综合性仿真的优胜者进入设计性实验仿真，设计性实验仿真是学生不仅要更改电路，还要根据更改后的电路自行设计程序，并用仿真软件进行仿真。上述人机交互仿真技能竞赛具体流程图如下图6.1所示。（4）为了切实可行地给学生创造学习条件，学校还设立相应的开放实验室，并建立开放实验室管理系统，包括实验网上预约系统、实验运行管理系统和门禁管理系统。学生除了可以在课堂上接受知识之外，还可以通过开放实验室自行进行实验，如果上课实验没有完成，或者是有想法需要验证，开放实验室都可以提供相应的帮助。图6.1 人机交互比赛流程图本章小结：本章主要结合人机交互实验现阶段教学内容存在的问题，对交互实验的改进提出了四点思考，包括：试验与教学相结合、利用Proteus仿真软件辅助实验教学、开展相应的人机交互仿真技能竞赛和设立开放性实验室。第七章总结与展望7.1 工作总结2012年1月，我开始了我的毕业论文工作，时至今日，论文基本完成。从最初的茫然，到慢慢的进入状态，再到对思路逐渐的清晰，整个写作过程难以用语言来表达。历经了几个月的奋战，紧张而又充实的毕业设计终于落下了帷幕。回想这段日子的经历和感受，我感慨万千，在这次毕业设计的过程中，我拥有了无数难忘的回忆和收获。 1月初，在导师的交流讨论中我的题目定了下来，是：基于MCS51单片机的实验开发系统人机交互模块设计与实验改进。当选题报告，开题报告定下来的时候，我当时便立刻着手资料的收集工作中，当时面对浩瀚的书海真是有些茫然，不知如何下手。我将这一困难告诉了导师，在导师细心的指导下，终于使我对自己现在的工作方向和方法有了掌握。 3月初，资料已经查找完毕了，我开始进行相关图形的绘制工作和电路的设计工作。为了画出自己满意的电路图，图表等，我仔细学习了Excel的绘图技术。在设计电路初期，由于没有设计经验，觉得无从下手，经过导师的指导，我的设计渐渐有了头绪，通过查阅资料，逐渐确立系统方案。4月我开始编写相应软件程序，进行软件的调试；系统软件、硬件结合进行整机调试，实现系统与用户之间的交互关系并进行人机交互模块实验方法的更新和改进。调试的过程中虽屡战屡败，但最终通过自己的努力，终将实验调试成功。5月开始着手论文的写作。在写作过程中遇到困难我就及时和导师联系，并和同学互相交流，请教专业课老师。在大家的帮助下，困难一个一个解决掉，论文也慢慢成型。当我终于完成了所有打字、绘图、排版、校对的任务后整个人都很累，但同时看着电脑荧屏上的毕业设计稿件我的心里是甜的，我觉得这一切都值了。这次毕业论文的制作过程是我的一次再学习，再提高的过程。在论文中我充分地运用了大学期间所学到的知识。我不会忘记这难忘的几个月的时间。毕业论文的制作给了我难忘的回忆。在我徜徉书海查找资料的日子里，面对无数书本的罗列，最难忘的是每次找到资料时的激动和兴奋；亲手设计电路图的时间里，记忆最深的是每一步小小思路实现时那幸福的心情；为了论文我曾赶稿到深夜，但看着亲手打出的一字一句，心里满满的只有喜悦毫无疲惫。这段旅程看似荆棘密布，实则蕴藏着无尽的宝藏。我从资料的收集中，掌握了很多单片机、矩阵键盘、LED显示屏的知识，让我对我所学过的知识有所巩固和提高。我想这是一次意志的磨练，是对我实际能力的一次提升，也会对我未来的学习和工作有很大的帮助。脚踏实地，认真严谨，实事求是的学习态度，不怕困难、坚持不懈、吃苦耐劳的精神是我在这次设计中最大的收益。在整个过程中，我学到了新知识，增长了见识。7.2 本次设计展望由于我个人理论知识水平有限，本次设计仅仅做出矩阵键盘和LED显示，在今后的学习中，要不断扩充自己，争取做出更高级的人机交互模式。我们可以将矩阵键盘可改为触摸屏，LED显示改为LCD液晶屏，这样就可以进行更准确的进行信息反馈，使设计的人机交互更实用于现实生活。致谢在此更要感谢我的导师吕建波、罗振元老师，是您的细心指导和关怀，使我能够顺利的完成毕业设计。在我的学业和论文的研究工作中无不倾注着老师们辛勤的汗水和心血。老师的严谨治学态度、渊博的知识、无私的奉献精神使我深受启迪。从尊敬的导师身上，我不仅学到了扎实、宽广的专业知识，也学到了做人的道理。在此我要向我的导师致以最衷心的感谢和深深的敬意。最后，向在百忙中抽出时间对本文进行评审并提出宝贵意见的各位专家表示衷心地感谢！参考文献1李全利单片机原理及接口技术高等教育出版社，2009.1:35.2李全利单片机原理及

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