人机交互接口.ppt

*,单片机原理及应用,机械类专业必修课,2012,年,10,月,主讲人：王红星,专 业,:,机械制造及其自动化,0,教学内容,0,、课程准备,1,、微型计算机基础,3,、中断、定时与串行通信,2,、微机系统结构及编程,4,、人机交互接口,5,、信号转换接口,1,第四讲,人机交互接口,4.1,键盘及其接口,在单片机应用系统中，往往,需要向单片机输入一些指令或参数,，而,单片机的运行结果有时也需要通过外部显示器或打印机输出出来,，以供操作者及时了解和掌握单片机的运行状况。这样就构成了一种人机的交互接口。由于单片机本身的特点决定了其无法具备键盘、显示器、打印机等人机交互部件，所以,只能通过其,I/O,口来扩展,这些功能。,2,第四讲,人机交互接口,1,、键盘的分类,键盘分,编码键盘,和,非编码键盘,。键盘上闭合键的识别由专用的硬件编码器实现，并产生键编码号或键值的称为编码键盘，如计算机键盘,.,靠软件编程来识别的称为非编码键盘；,在,单片机组成的各种系统中，用的最多的是非编码键盘,。,非编码键盘有分为：,独立键盘,和,行列式,（又称为矩阵式）键盘。,3,第四讲,人机交互接口,2,、键盘的抖动问题,按键在闭合和断开时，触点会存在抖动现象：,4,第四讲,人机交互接口,3,、独立式键盘接口,独立式键盘就是每个键都单独与一个,I/O,口相连，各键的输入状态互不影响。单片机通过检测对应,I/O,口的电平高低就可以判断出是哪个键被按下。,由于每个键要占用一个,I/O,口，当按键数目较多时，独立式键盘就要占用更多,I/O,口，所以这种方式的键盘只适合于按键数目较少时，多用于设置控制键、功能键等。其优点是硬件、软件结构简单，判键速度快，使用方便；缺点是占,I/O,口线多。,5,第四讲,人机交互接口,独立式键盘当没有键被按下时，所有的数据输入线都为高电平；当有任意一个键被按下时，与之相连的数据输入线将变为低电平；通过对相应端口进行检测，可以判断是否有键按下。,6,第四讲,人机交互接口,4,、矩阵式键盘接口,说明：,在单片机应用系统中，如果需要的按键数量较多时，则无法采用独立式键盘接口方式来实现，此时通常采用矩阵式（也称行列式）键盘。,特点：,矩阵式键盘接口方式对硬件资源的利用效率要比独立式键盘接口方式高，,但判键速度稍慢一些,。多用于设置数字键，以及键数较多的场合。,用途：,多用于设置数字键，以及键数较多的场合。,7,第四讲,人机交互接口,矩阵式键盘的结构及原理,矩阵式键盘由行线和列线组成，所以有时也称行列式键盘。按键位于行、列线的交叉点上，行、列线又分别与,I/O,端口相连。其结构如图所示。,8,第四讲,人机交互接口,矩阵式键盘按键的识别,识别按键的方法有三种：,扫描法,、,线反转法,和,中断法,。其中，最常见的方法是扫描法。,（,1,）扫描法,采用扫描法来判断被按键位置的过程主要分两步来实现。,第一步，判断有无键被按下。把与行线相连的,I/O,端口设置为输入状态，与列线相连的,I/O,端口设置为输出状态。首先，将列线,03,输出置为“,0”,。如果单片机扫描行线端口全为“,1”,的话，则表示没有键被按下，如果有行线不为“,1”,，则说明有键被按下。,第二步，判断被按键的位置。先令某根列线，例如,0,号列线输出为“,0”,，其余三根列线输出为“,1”,。再依次扫描行线的状态，如有某根行线为“,0”,，则表示该行线与,0,号列线交叉处的键被按下。如果行线都为“,1”,，则没有键被按下。同样，可以依次将下一根列线置“,0”,，同时其余列线置“,1”,，并扫描行线，这样就可以判断出被按键的位置。,9,第四讲,人机交互接口,（,2,）反转法,扫描法需要逐列的扫描，根据被按键的位置不同，每次扫描的次数也不一样。如果被按键位于最后一列时，则要经过多次扫描查询才能得到该键的位置。反转法则克服了扫描法的不足，无论被按键位于什么位置，都只需要两步就可以判断出键的位置。,线反转法原理图,第一步，将列线设置为输出线，行线设置为输入线。并将列线置“,0”,，则行线中为“,0”,的行就是被按键所在的行，如果所有的行线都为“,1”,，则没有键被按下。,第二步，将行、列线的输入、输出状态反转一下，即将行线设置为输出线，列线设置为输入线。并将行线置“,0”,，则列线中为“,0”,的列就是被按键所在的列。由此便确定了被按键的位置。,10,第四讲,人机交互接口,采用上述扫描键盘的工作方式，虽然可以及时响应按键信息，但是这种方式不管键盘上有无键按下，,CPU,总要不断地扫描键盘，占用很多的,CPU,处理时间。为了进一步提高,CPU,的工作效率，可采用中断扫描工作方式。即当键盘上有键被按下时才产生中断请求，,CPU,响应中断请求后，转去执行中断服务程序，对键盘进行扫描，获取按键的相关信息。如图,6-4,为中断法的原理图。,（,3,）中断法,中断法原理图,11,第四讲,人机交互接口,4.2 LED,显示器接口,单片机系统中常用的显示器有：,发光二极管,LED(Light Emitting Diode),显示器、液晶,LCD(Liquid Crystal Display),显示器、,CRT,显示器等。,LED,、,LCD,显示器有两种显示结构：段显示（,7,段、米字型等）和点阵显示（,5,8,、,8,8,点阵等）。,12,第四讲,人机交互接口,1,、,LED,数码管的结构,常见的,LED,数码管为,“,8,”,字型,的，共计,8,段,。,每一段对应一个发光二极管,。有,共阳极,和,共阴极,两种。,共阴极,发光二极管的阴极连在一起，通常公共阴极接地。当,阳极为高电平,时，发光二极管点亮。,同样，,共阳极,LED,数码管的发光二极管的,阳极连接在一起,，公共阳极,接正电压,，当某个发光二极管的阴极接低电平时，发光二极管被点亮，相应的段被显示。,13,第四讲,人机交互接口,使用,LED,显示器时，要注意区分这两种不同的接法。为了显示数字或字符，必须对数字或字符进行编码。七段数码管加上一个小数点，共计,8,段。,因此为,LED,显示器提供的编码正好是一个字节。,14,第四讲,人机交互接口,为了使数码管显示,不同的符号或数字,，要把某些段发光二极管点亮，就要为,LED,数码管提供,段码,（,字型码,）。,LED,数码管共计,8,段,。正好是,一个字节,。习惯上是,以“,a,”,段对应段码字节的最低位,。,按照上述格式，显示各种字符的,8,段,LED,数码管的段码如,表,6-5,所示。,15,第四讲,人机交互接口,16,第四讲,人机交互接口,共阴数码管码表,0 x3f,0 x06,0 x5b,0 x4f,0 x66,0 x6d,0 1 2 3 4 5,0 x7d,0 x07,0 x7f ,0 x6f,0 x77,0 x7c,6 7 8 9 A B,0 x39,0 x5e,0 x79,0 x71,0 x00,C D E F,无显示,17,第四讲,人机交互接口,其他字形的,LED,显示器,课堂上,只列出了部分段码，工程开发过程中可以根据实际情况选用，或重新定义。,除“,8,”,字型的,LED,数码管外，市面上还有“,1,”,型、“米”字型和“点阵”型,LED,显示器，,本讲重点以“,8,”,字型的,LED,数码管为主进行讨论,。,18,第四讲,人机交互接口,2,、,LED,数码管的显示方式,如图,所示为显示,4,位字符的,LED,数码管的结构原理图。,N,位,位选线,和,8,N,条,段码线,。,段码线控制,显示,字型,，而,位选线,控制着该显示位的,LED,数码管的,亮或暗,。,19,第四讲,人机交互接口,74LS138,译码器芯片,20,当一个选通端（,E1,）为高电平，另两个选通端（,(/E2),和,/(E3),）为低电平时，可将地址端（,A0,、,A1,、,A2,）的,二进制编码,在,Y0,至,Y7,对应的输出端以低电平译出。,比如,：,A2A1A0=110,时，则,Y6,输出端输出低,电平信号,。,74LS138,译码器芯片,21,第四讲,人机交互接口,22,第四讲,人机交互接口,无论从逻辑图还是功能表我们都可以看到,74LS138,的八个输出管脚，任何时刻要么全为高电平,1,芯片处于不工作状态，要么只有一个为低电平,0,，其余,7,个输出管脚全为高电平,1,。,23,第四讲,人机交互接口,CD4511BCD,锁存,/7,段译码器,/,驱动器芯片,CD4511,是一个用于驱动共阴极,LED,（数码管）显示器的,BCD,码,七段码译码器，,特点：,具有,BCD,转换、消隐和锁存控制、七段译码及驱动功能的,CMOS,电路能提供较大的拉电流。可直接驱动,LED,显示器。,24,第四讲,人机交互接口,25,第四讲,人机交互接口,2.1,、静态显示接口,静态显示,是指各个,LED,数码管上能稳定地同时显示各自的字符并维持不变，直到显示下一个字符为止。相应的发光二极管恒定导通或恒定截止。,各位数码管相互独立，公共端恒定接地,（共阴极）或接正电源（共阳极）。每个数码管的,8,个段分别与一个,8,位,I/O,端口地址相连，,I/O,端口只要有段码输出，相应,字符即显示出来，并保持不变，直到,I/O,端口输出新的段码,。,26,多位,LED,显示器，每位必需有一个,8,位锁存器，单片机将要显示的段码锁存在,8,位锁存器中，当需要对显示内容进行更新时，只要将新的段码送入,8,位锁存器中锁存即可。采用静态显示方式，较小的电流即可获得较高的亮度，且占用,CPU,时间少，编程简单，显示便于监测和控制，但其,占用的口线多，硬件电路复杂，成本高，只适合于显示位数较少的场合。,第四讲,人机交互接口,27,并行方式扩展,LED,显示接口,案例分析：,用,4,片,CD4511(U1,U2,U3,U4),分别驱动,4,个,LED,显示器（,US,U6,U7,U8,）电路。其中,R1R4,是为,P0,口输出上拉电阻，可取,2K,。,R5R32,为限流电阻，取,270,。,74LS138,用来给,4,片,CD4511,确定不同的地址。,P0.0P0.6,和,P2.0P2.2,的信号来自单片机的,P0,口和,P2,口。,P0.0P0.3,将要显示的数以,BCD,码的形式发送给,CD4511,，再经,CD4511,转换成段码送入对应的,LED,显示器中。,第四讲,人机交互接口,28,第四讲,人机交互接口,29,第四讲,人机交互接口,#include,void main(),unsigned char led =0 x00,0 x11,0 x22,0 x33;/,定义显示的数字及片选编码,unsigned char i;,P2=0 x04;,while(1),for(i,=0;i=3;i+),P0=ledi;,要使四个,LED,分别显示,03,，程序如下：,30,动态显示是一位一位地轮流点亮各位数码管，这种逐位点亮显示器的方式称为位扫描。,通常，各位数码管的段选线相应并联在一起，由一个,8,位的,I/O,口控制；各位的位选线（公共阴极或阳极）由另外的,I/O,口线控制。动态方式显示时，各数码管分时轮流选通，要使其稳定显示必须采用扫描方式，即在某一时刻只选通一位数码管，并送出相应的段码，在另一时刻选通另一位数码管，并送出相应的段码，依此规律循环，即可使各位数码管显示将要显示的字符。,虽然这些字符是在不同的时刻分别显示，但由于人眼存在视觉暂留效应，只要每位显示间隔足够短就可以给人同时显示的感觉。,第四讲,人机交互接口,2.2,、动态显示接口,31,第四讲,人机交互接口,74LS273,数字锁存器,74LS273,是一种带清除功能的,8D,触发器，,1D,8D,为数据输入端，,1Q,8Q,为数据输出端，正脉冲触发，低电平清除，常用作数据锁存器,地址锁存器。,D0,D7,：出入；,Q0Q7,：输出,第一脚,WR,：主清除端，低电平触发，即当为低电平时，芯片被清除，输出全为,0,（低电平）；,CP,（,CLK,）：触发端，上升沿触发，即当,CP,从低到高电平时，,D0D7,的数据通过芯片将数据锁存，,D0D7,的数据不变。,32,第四讲,人机交互接口,采用动态显示方式比较节省,I/O,口，硬件电路也较静态显示方式简单，但其亮度不如静态显示方式，而且在显示位数较多时，,CPU,要依次扫描，占用,CPU,较多的时间。,ALE,CP,33,第四讲,人机交互接口,图示是动态扫描显示电路，,74LS273,用于对地址进行锁存，,74LS138,译码器对,8,位,LED,进行分时选通，这样在任一时刻，只有一位,LED,是点亮的，但只要扫描的频率足够高,(,一般大于,25Hz),，就可以实现视觉上的稳定输出，从而实现,LED,显示器的动态扫描。,34,第四讲,人机交互接口,动态扫描的频率有一定的要求，频率太低，,LED,将出现闪烁现象。如频率太高，由于每个,LED,点亮的时间太短，,LED,的亮度太低，肉眼无法看清，所以一般均取几个,ms,左右为宜，这就要求在编写程序时，选通某一位,LED,使其点亮并保持一定的时间，程序上常采用的是调用延时子程序。,35,第四讲,人机交互接口,4.3 LCD,液晶显示接口,LCD,（,liquid crystal display,）,液晶显示器是一种功耗极低的显示器件,，,广泛用于智能仪表、便携式电子产品的显示,，,能够显示文字、曲线、图形等信息,，,其显示界面较之数码管有了质的提高。具有低压、微功耗、无电磁辐射、显示清晰、体积小、抗干扰能力强等特点，在单片机系统中得到了广泛的应用。,36,第四讲,人机交互接口,37,第四讲,人机交互接口,38,液晶显示器被动显示，本身并不发光，是利用液晶经过处理后能改变光线通过方向的特性，从而达到白底黑字或黑底白字显示的目的。液晶显示器具有省电、抗干扰能力强等优点，广泛应用在智能仪器仪表和单片机测控系统中。,第四讲,人机交互接口,构成液晶显示器件的三大基本部件：,（,1,）电极基板（,2,）液晶材料（,3,）偏振片,39,第四讲,人机交互接口,LCD,显示器的特点,液晶显示器有以下显著特点。,（,1,）低压微功耗：工作电压只有,3,5V,，工作电流只有几个,A,/cm,2,。,（,2,）平板型结构：,LCD,显示器内由两片平行玻璃组成的夹层盒，面积可大可小，且适合于大批量生产，安装时占用体积小，减小了设备体积。,（,3,）被动显示：液晶本身不发光，而是靠调制外界光进行显示。因此适合人的视觉习惯，不会使人眼睛疲劳。,（,4,）显示信息量大：,LCD,显示器像素很小,相同面积上可容纳更多信息。,（,5,）易于彩色化,（,6,）没有电磁辐射：使用不会产生电磁辐射,对环境无污染,有利健康。,（,7,）寿命长：,LCD,器件本身无老化问题，寿命极长。,40,第四讲,人机交互接口,LCD,显示器分类,在实际应用中，一般是直接使用专用的,LCD,显示驱动器,和,LCD,显示模块,LCM,。,LCM,是把,LCD,显示屏、背景光源、线路板和驱动集成电路等部件构造成一个整体，作为一个独立部件使用。其特点是功能较强、易于控制、接口简单，在单片机系统中应用较多。,LCD,显示模块,LCM,按显示功能可分为：,LCD,段式显示模块,、,LCD,字符型显示模块,、,LCD,点阵图形显示模块,三类。,41,第四讲,人机交互接口,（,1,）段式显示模块,。,以长条状组成字符显示。主要用于数字显示，也可用于显示西文字母或某些字符，已广泛用于电子表、计算器、数字仪表中。,（,2,）字符型显示模块,。专门用于显示字母、数字、符号等。它由,若干,5,8,或,5,11,的点阵,组成，每一点阵显示一字符。广泛应用在各类单片机应用系统中。,（,3,）点阵图形型。,它是在平板上排列多行或多列，形成矩阵式的,晶格点,，点的大小可根据显示的清晰度来设计。广泛应用于图形显示，如用于,笔记本电脑、彩色电视,和,游戏机,等。,42,第四讲,人机交互接口,作业：习题,6-5,43,第四讲,人机交互接口,44,