《超棒的单片机》PPT课件.ppt

第四章人机接口的设计 智能装置通过人机接口与系统操作者进行信息交换和传输 人机接口由输入 输出设备和相应的连接与控制硬 软件组成 在实现最基本的信息交换功能的同时 人机接口在很大程度上也决定了测控仪器的可操作性和外观性能 其相关的程序通常是测控仪器监控程序的主体 人机接口的设计 OUTLINE 一 开关及接口二 按键 键盘及接口三 LED显示器及接口四 液晶显示器 LCD 及其接口 一 开关及接口 开关在智能装置中被用来设置工作状态和命令 以便选择不同的功能 开关只有 断开 与 闭合 两种稳定 由机械保证 的 下图为一些常用开关的例子 1 开关的基本形式 一 开关及接口 1 开关的基本形式 通过简单的电路可将这两种状态转换为逻辑电平的 0 与 1 从而在接口电路的控制下被CPU所检测 图1是一个简单的开关接口电路 开关的状态直接与I O端口连接 图2的一些开关的状态则通过三态缓冲器再与微机的总线相连接 一 开关及接口 2 互锁式开关 互锁式开关是多个开关的组合 任何时刻仅仅只有一个开关闭合或全部断开 按动某一开关闭合时 则互锁作用将使原处于闭合的开关断开 互锁式开关的外部结构通常为琴键式或波段旋钮式的结构 前者可自由地从一个位置切换到另一个位置 而后者则只能按旋转方向顺序选择 且有暂态选择输出 在软件处理上应加以注意 互锁式开关多用于不同功能的选择 图3所示的是互锁式开关的一个应用实例 一 开关及接口 3 数字拨码盘 数字拨码盘是一种数据输入器件 其外型如图4 a 所示 在圆形轮盘上标有0 9十个数字 按动一次 按钮 轮盘转动 数字加1 按动一次 按钮则数字减1 数字拨码盘的内部是一个8 4 2 1码的四位组合开关 其电路可等效为图4 b 所示的四位开关组合 但开关的闭合状态则以BCD码对应于轮盘所显示的数字 BCD拨码盘 在图4 b 中 若以1表示开关闭合 0表示断开 则拨出数字5所对应的开关S3 S2 S1 S0输出为0101 二 按键 键盘及接口 按键具有 断开 和 闭合 两种状态 通过接口电路对应于0和1两个逻辑电平 按键的 闭合 是暂态 无保持作用 当操作者停止按压时 按键即恢复到 断开 状态 因此 按键适用于连续快速的输入操作 按键通常与输出显示配合使用 利用显示输出对按键操作给予反馈 另外 按键则是在操作中输入的 动态 因此 按键需解决抖动和单次键入的问题 以协调操作的机械过程慢与CPU读入判断过程快之间的矛盾 1 按键及其接口 按键 键盘 键盘 键盘 二 按键 键盘及接口 按键的去抖动按键从最初按下到稳定接触要经过数毫秒的抖动过程 按键松开时也存在同样的问题 如图5所示 对于高速运行的微机系统 这数毫秒的抖动将引起多次读数的误动作 因此 按键必须进行去抖动处理 去抖动通常有硬件 互锁 和软件 延时 两种方案 现在基本都用软件方法 1 按键及其接口 二 按键 键盘及接口 按键的单次键入 操作者按下键 观察到系统响应 再松开按键的一次按键操作过程的时间量为秒级 会造成按键单次键入而CPU却多次响应的问题 通常仍采用软件的方法来解决按键单次键入的问题 即当CPU测得按键按下的信号时 不立即转入处理程序 而是反复检测按键的状态 直到按键被松开才认为一次按键操作有效 图7和图8分别为软件方式去抖动示意图和按键单次键入的程序流程图 1 按键及其接口 二 按键 键盘及接口 串键处理当多个按键并列使用时 因操作因素可能将双键或多键同时按下 此时程序应考虑对串键的处理 方法 采用双键锁定的原则 即串键时不判断键值 只到按着仅剩的一个键时 才判断键值 按键接口的工作形式对按键的处理应具有实时性 CPU处理按键的方式可采用中断或定时查询的方式 1 按键及其接口 二 按键 键盘及接口 矩阵式键盘矩阵式键盘又称行列式键盘 在结构上由m行n列的线构成矩阵 在每个行 列线的空间交叉接点上可跨接一个按键 则构成m n个按键的键盘 按压键判断是矩阵式键盘的中心问题 通常可采用逐行扫描法行按压键的判断 1 按键及其接口 逐行扫描法右上图所示的是4 4键盘与MCS 51单片机P1口的接口电路 设P1 0 P1 3为行输出口线 P1 4 P1 7为列输入口线 说明 对于矩阵式键盘 行 列只是个相对概念 但为了与 逐行扫描法 的名称对应 我们固定称扫描输出为行 状态输入为列 三 LED显示器及接口 下图为最常见的七段数码显示器的示意图 显示器主体由七个条形LED 发光二极管 组成 分别被称做a b c d e f g七段 点亮不同的段 可组成数字0 9和一些英文字母及特殊的符号 一般在右下角还有一圆形LED用于显示小数点 称做dp段 共8段 在实际应用中 显示器的每一段都应接一限流电阻 以保护各段对应的LED 限流电阻阻值R可按如下公式计算 Vcc为接入显示器的驱动电压 Vd Id分别是段LED的压降和工作电流 R取值以适中最好 过大则显示器亮度不足 过小则Id过大 LED进入发光的饱和区 亮度提高不大却降低了器件的使用寿命 一般每段10mA左右 1 LED数码显示器 三 LED显示器及接口 分类 一般 高亮 超高亮 现用得较多的是高亮 在选用LED数码显示器时 有共阴 共阳的极性选择 如下图 还有器件几何尺寸的选择 如0 5 0 3 1 等 不同尺寸器件的引脚排列区别很大 如下图 超大尺寸显示器内的一段是由多个LED共同组成的 要求的驱动电压较高 1 LED显示器 三 LED显示器及接口 数码显示器的段译码为了在七段显示器上显示数字或字符 需要将数字或符号转换为对应的显示器的LED段码 这一过程称段译码 段译码有硬件译码和软件译码两种方法 硬件译码 例如CD4511 输入BCD码 输出段码 软件译码 查表 数字 符号 段码字 PC机字库 2 LED数码显示器与CPU的接口 软件译码 三 LED显示器及接口 显示器的驱动形式分为静态驱动和动态驱动两种形式 静态驱动 见图16 是一个锁存器 可硬译码 也可软译码 对应一位显示器的接口形式 只要将显示信息送入锁存器中 显示器就将持续显示该信息 显示亮度易于保证 软件编程也只是外设的写操作 2 LED数码显示器与CPU的接口 缺点 当显示器位数较多时 需要较多的锁存器 限流电阻等硬件 不但成本高 功耗也大 三 LED显示器及接口 动态驱动 当显示器位数较多时 宜采用动态显示驱动方式 动态显示的原理是利用人生理上的视觉残留现象 使各显示器轮流通电点亮 当每个显示器点亮的通电频率在50Hz以上时 人眼就不会感到显示器的闪动了 如图 通过控制两锁存器的内容按一定时序循环 实现动态显示 2 LED数码显示器与CPU的接口 液晶显示器 LCD 及其接口 液晶显示器 LCD 是一种功耗极低 体积小 重量轻的显示器件 是袖珍仪表和低功耗系统中的首选器件 随着制造技术的发展 液晶显示器的性能价格比不断提高 在智能仪表中的应用日益广泛 四 液晶显示器 LCD 及其接口 液晶显示器正是利用液晶分子排列结构的可极化性和旋光特性工作的 如图 器件由偏振方向垂直的上 下偏振片 反光片 上下电极和封于上下电极之间的液晶材料组成 通电后 液晶分子平行排列 上下扭转90 具有旋光效应 常态 外部光线通过上偏振片后形成偏振光 该偏振光通过分子平行排列的液晶材料后被旋转90 就可以通过下偏振片 再被反射回来 器件看起来是 亮 的透明状态 反之器件呈 暗 的黑色 根据需要 将电极做成字段 图形 或点阵 即可构成段码式 字符点阵式和图像点阵式等各种液晶显示器 1 液晶显示器的原理 四 液晶显示器 LCD 及其接口 液晶显示器以被动的方式进行显示 需要在外界光