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第三章 显示装置设计
在人机系统中，显示装置是将设备的信息传递给操作者，使之能做出正确判断和决策，进行合理操作的装置。人们根据显示信息了解和掌握设备的运行状况，从而控制和操作设备正常运行。它的特征是能够把设备的有关信息以人能接收的形式显示给人。
在显示装置中，处理要确切的反映设备的状况外，还应根据人的感觉器官的生理特征来确定其结构，使人于显示装置之间能够充分协调。也就是说,显示装置的形状、大小分度、标记、空间布局、颜色、照明等因素，都必须使人能很好地接受信息并进行处理，使人能迅速接受显示的信息，信息的分辩率要高，而且可靠。在进行显示装置的造型设计时，还必须从系统整体出发，即要考虑到人的生理心理特征，又要考虑到系统整体的需要和美观。
按人接受信息的感觉器官的不同，可将显示装置分为视觉显示、听觉传示和触觉传递装置。触觉传递是利用人的皮肤受到触压刺激后产生感觉而向人们传递信息，一般很少使用。听觉传示是利用人的声音信号的感知时间比对光信号的感知时间短，所以，听觉传示作为报警装置比视觉显示具有更大的优越性。视觉显示是由于人的视觉能接受长的和复杂的信息，而且视觉信号比听觉信号容易记录和存储，所以应用更广泛。
第一节 仪表显示设计
一．仪表显示的类型与特征
（一）按显示功能分类
1． 读数用仪表
适用于要求提供准确的测量值、计量值和变化值的场合。此种仪表刻度的具体数值显示设备的状态和参数，供操作者读出数值之用。如：汽车的时速表、飞机的高度表和家庭的水表、电度表、煤气表等。
2． 检查用仪表
这种仪表用了显示设备或系统状态参数偏离正常值的情况。它们大部分有数字指示，一般无需读出确切数值，只是为了检查仪表指针的指示是否偏离正常位置。当发现偏离正常位置时，应调整设备的运行状况，使仪表读数回到正常位置。
3． 警戒用仪表
这种仪表用来显示设备运行状态是否处于正常范围之内。它们的指示范围一般分为三个区域，即正常区、警戒区和危险区。当仪表指示进入警戒危险区时，要及时进行处理。在显示装置上可用不同颜色或不同图形符号将三个区域明显区别开来，如用绿、黄、红三种不同颜色分别表示正常区、警戒区、危险区。
4． 追踪用仪表
在动态控制系统中，追踪操纵根据显示装置提供的信息进行，以便使设备按照人所要求的动态过程工作，或者按照客观环境的某种动态过程工作。因此，这类装置必须显示实际状态与需要达到状态之间的差距及其变化趋势，如追踪和瞄准飞行中的目标。
5． 调节用仪表
这类仪表只是用来指示操纵装置的调节值，而不指示系统运行的动态过程。如收音机上显示电台频率的仪表就是调节用仪表。这类仪表通常采用由操纵者直接控制指针或刻度盘运动的结构形式。

（二）按显示形式分类
1． 数字式显示仪表
这是直接用数字和字符显示参数或工作状态的显示装置，特点是:认读过程简单直观，只对单一数字串和字符进行辨认，认读速度快、精确度高，无插补误差，而且过载能力强，易于计算机连用，也可显示各种参数的具体数值，显示的信息与人的语言信息必较接近。所以，这类仪表适合人的生理和心理特征，不易产生视觉疲劳。其局限性是显示易跳动和失效。
数字式显示仪表基本形式由两种，一种是以显示数字为主并有少量字符的显示仪表（多为开窗式，如液晶显示、数码管显示等）另一种是以参数、表格、模拟曲线以及数量较多的各种字符为主的显示仪表，多为屏幕式，如各种监视器。
发展趋势是采用大规模的集成电路，以提高可靠性，并发展智能化显示。
2． 模拟式显示仪表
这是用标定在刻度上的指针显示设备的参数和状态的显示装置。这类显示装置的特点是显示的信息形象化，能直观地反映信息的变化趋势，使人对模拟值在全量程范围内所处的位置看得非常清楚，并能给出偏差量，可靠性与稳定性好，其局限性是显示速度较慢，易受振动的影响，过载能力差，质量控制困难。它的发展趋势是提高精度和速度，采用模拟与数字混合型显示仪表。模拟式显示最常见的如手表、电压表、电流表等。这类显示仪表式样繁多，有指针动或表盘动。

二．设计中人机工程因素与设计原则
（一） 设计中人机工程因素
1．人接受信息的特性
操作着应能根据任何显示仪表显示的信息迅速准确地得出结论。所以，仪表设计应把人接受信息时的视觉特性作为必要的因素考虑。与仪表显示有关的视觉特性有下列几方面：
1）人的视觉水平运动比垂直运动快，且眼睛沿垂直方向运动比沿水平方向运动容易引起疲劳。所以尽量采用水平式显示效率高差错率低。
2) 人们的视线习惯从左到右或从上到下运动，顺时针方向，所以各种形式的显示仪表和多个仪表的排列顺序，一般应遵循这一特点进行设计。
3)在偏离视觉中心相同情况下，人眼对左上角的观察效率优于右上角，其次左下、右下。这是显示仪表板面合理布局的依据。
4）人对视野最佳范围内的目标，认读迅速而准确；对视野有效范围内的目标，不易引起视觉疲劳、因此，重要的显示仪表应布置在最佳视野范围内，而视野最大范围内不应布置显示仪表，或只布置不经常认读的仪表。
5）在特殊条件下，人的视觉特性会发生变化。如在过分摇晃或振动严重的情况下，人的视觉能力会受到损害，影响视觉显示信号的认读；又如在缺氧的条件下，人的视觉机能减弱。所以，在设计时要考虑环境对视觉机能的影响。

2．人的信息传递能力
一般情况下，同样的参数尽量采用同一种显示方式，而单位时间内显示的信息数量不得超过人的感觉通道传递信息能力的生理限度。在试验条件下，人的视觉通道信息的传递率一般在3～10比特/s之间，在经常性的操作中，人在单位时间内传递的信息量应在这个范围之内。
人对信息的反应视觉随信息量增加而延长

3． 仪表显示与人的反应相协调
人的感觉与人的反应之间有适宜的关系。某些信号对某些反应方式有利，而某些信号则对某些反应方式不利。当对应与某种显示方式而采用某种反应方式最为合适时，这种对应关系称为显示－反应通道相协调。
对于一般仪表的显示，口头读数时的反应比手动动作时的反应（按开关）要快；对于不同空间位置的信号灯作定位反应，则手动作反应（按下对应位置的按钮）比口头报告方式要快；对于连续变化的信号作追踪反应（如汽车驾驶员）以采用操纵杆和足蹬等连续操作为最佳。显示－反应通道协调性好的系统，其操作效率高，人为差错率低。如：显示仪表的指针运动方向与操纵器运动方向一致，可以减少人对信息加工的复杂处理。
一般所说的显示与控制相和性指操作者面向显示仪表的情况。
4． 作业环境因素

人的感管、运动器官和大脑思维的敏锐程度都会受到作业环境（温度、湿度、强光、噪声、振动以及有毒气体的影响。因此，在设计和选择显示仪表时，应考虑显示信号的强度、形式、数值大小、信噪比等，使其突出与其它视觉或听觉背景，以利于操作者正确理解、接受和判断及反应。
（二） 仪表显示设计的基本原则
1． 仪表显示设计应以上节所述的人接受信息的视觉特征为依据，以保证操作者迅速二正确的获得需要的信息。显示精度应与人的视觉辨认特性和系统要求相适应。
2． 仪表显示信息的种类和数目不能过多，同样的参数应尽量采用同一种显示方式。显示的信息数量应限制在人的视觉通道容量所允许的范围内，使之处于最佳信息条件下。显示的格式应简单明了，显示的意义应明确易懂，以利于操作者迅速接受信息，正确理解和判断信息。
3． 仪表的指针、刻度、标记、字符等与刻度盘之间，在形状、颜色、亮度等方面应保持对比关系，以使目标清晰可辨。一般目标应有确定的形状、较强的亮度和鲜明的颜色。相对于目标而言，背景亮度应低些，颜色应暗些。同时，也要考虑与其它感觉器官的配合。
4． 仪表显示应在空间关系、运动关系和概念上与系统中其它显示装置、操纵装置兼容、显示装置的编码应与相关操纵装置的编码一致，运动方向应相同。

三、模拟式显示仪表设计
模拟式显示仪表的设计要求是选择好刻度盘、指针、字符，并使颜色匹配，使它们之间相互协调，以符合人对信息的感受，从而使人能迅速而准确地接受信息。同时，要求仪表造型美观耐用。
（一） 刻度盘的设计
1． 刻度盘的形状和大小设计
1） 刻度盘的形状 开窗式 －圆形（半圆形）－水平直线式－垂直直线式
2） 仪表刻度盘的大小 仪表刻度盘的大小对仪表的认读速度和准确性有很大影响，并直接影响认读效果。它与刻度盘上刻度标记的数量和观察距离有密切关系。当刻度盘的直径在25～35mm时，认读效果随直径增大而提高；当刻度盘直径为35～70mm时，认读效果趋于稳定；当刻度盘直径超过70mm时，认读效果反而下降。直径小于17.5mm时，无错认读速度大为下降。过小的刻度盘刻度标记、数码等细小而密集，难以辨认从而影响认读速度和准确性。过大，使人的眼睛的中心视力分散，扫描路径变长，视敏度降低，影响认读速度和准确性。试验证明使观察者的视角为2.5~5度时的刻度盘直径最佳。
在空间受限制时，为了保证仪表具有良好的可读性，必须按刻度盘上的刻度标记的数量和观察距离来选择刻度盘的最小直径。表3－2圆形刻度盘最小直径与标记数量和观察距离的关系。
2． 刻度的设计
刻度盘上两个最小刻度标记（刻度线）间的距离和刻度标记统称为刻度。认读速度和认读准确性与刻度间距、刻度标记、刻度标数有关。
1）刻度间距 指两个最小刻度标记的间隔距离，它与人眼睛的分辩能力和距离大小有关。仪表认读效率随刻度间距的增大而提高在达到临界值后，认读效率下降。临界间距一般在视角为10分（弧度）附近。在视距为750mm时，大体上相当于刻度间距1
～2。5mm。所以刻度间距最小尺寸一般在1～2。5之间选取。在观察时间很短（如0。5～0。25s）的情况下，可选取2。3～3。8mm间距，而不宜过小。当采用放大镜时间距可取1/Xmm(X
为放大倍数).此外，刻度间距因刻度盘的材料不同也有差异。
2)刻度标记 即刻度线，每一刻度标记代表一定的读数单位。为便于认读和记忆，刻度标记一般分长、中、短标记三类。各类刻度标记尺寸的设计应以短刻度标记为基准。短刻度标记的尺寸应根据人的视觉分辩能力、观察距离以及照明水平等因素确定。刻度标记的长度及标注在刻度盘上的文字或数字高度数值见表3-3.刻度标记的宽度以占刻度间距的1/5~1/20为宜。
图3－7示出长、中、短三类刻度标记的间距和刻度标记宽度的最小值。近几年发展了一种宽线标记的刻度，其标记的宽度等于两刻度标记间的距离。这个宽度按人观察时的最小视角设计，增加了刻度标记与背景的对比度，使认读迅速而准确。主要应用于动态和瞬间认读仪表。
3）刻度方向 刻度方向是指刻度盘上刻度值的递增方向和认读方向。其设计必须遵循视觉运动规律，而形式可依刻度盘的不同而不同。
4）刻度单位 刻度单位是定量显示数值的表示方式，每一刻度值所代表的测量值为单位值。为了避免认读换算，单位值应尽量取整数，最好为1、2、5个单位值，或1、2、5的10n倍个单位值，而不宜代表其它值。
5）刻度标数和数字立位 最小的刻度一般不标数，最大的刻度必须标数。数字的立位必须和指针相垂直，在任何情况下都应正对着操作者，以利于认读。指针在仪表内时，若仪表表面的空间足够大，则数字置于刻度的外测，可避免被指针挡住。开窗式仪表的窗口大小应至少显示出被指示数字及其上下两侧的两个数，以便看清指示运动的方向和趋势。
刻度标数进级是指指标尺上不同刻度标记指示的数值关系。一般以相邻的刻度标记所指示的数值差表示。当标尺上的长、中、短三类刻度都要标记时，各类刻度的标数进级系统应相互兼容。如长、中、短三类刻度分别用0、10 20 30 40 和0 5 10 15 20 以及0 1 2 3 4 的标数进级系统。对同时使用的功能相同的多个仪表，刻度标数进级系统应一致。
3．字符的设计
仪表中印刻的数字、字母、汉字等统称为字符。
1） 字符的形状 应该简明、易读、醒目，多用直角与尖角形，以突出各个字符的形状特征，避免字的相似性与其之间的混淆。汉字推荐用宋体或黑体印刷体。
2） 字符的大小 字符应尽量大些，通常其高度约为视距的1/200或见表3－3。字符的高度与宽度至比取5：3。5 ＝0。7，这种比例在正常照度下易于认读。若在暗光下采用发光字符
宜用1：1。字符笔划宽度与字高比一般为：1：6～1：8。表3－5不同照明条件和对比度下字符的笔划宽。
（二）指针的设计
指针是模拟式仪表的重要组成部分，它指示仪表所要显示的信息。因此，指针的设计是否符合人的视觉特性，将直接影响仪表的认读速度和准确度.指针可分为运动指针和固定指针，其要求是相同的。
1． 指针的形状
指针的形状应该力求简洁、明快、不加任何装饰，具有明显的指示性形状。指针由针尖、针体和针尾三部分构成，一般以针尖尖、尾部平、中间等宽或狭长三角形为好。
2． 指针的宽度与长度
指针的宽度设计，最重要的是确定针尖的宽度。一般来说，针尖的宽度应与刻度标记的宽度相对应，可与短刻度线等宽，也可为刻度间距的10-n倍（n为整数）。应注意，针尖宽度不得小于短刻度标记的宽度，否则不易看清。针体的宽度一般不受限制，视结构因素而定。针尾主要起平衡重量作用，其宽度由平衡要求而定。指针的长度应以与刻度线间留有1～2mm的间隙为好，不可覆盖刻度标记。此外，指针设计应充分考虑造型美观的要求。
3． 指针与刻度盘面的关系
由于刻度盘面和指针间有相对运动，它们之间的间隙要尽可能小，其指针表面应与刻度盘面处于相互靠近的平行面内，以免观察视线不垂直表盘时产生视觉误差。设计双指针时，上面的指针可稍长一些，且使指针尖部弯向刻度盘平面。
刻度盘运动型仪表，其指针是不动的，为使指针鲜明醒目，将其设计成着色三角形。÷
4． 指针的零点位置
仪表指针零点位置大都置于时钟12点上，追踪仪表有时置于9点位置。
（三）仪表的色彩设计
仪表的色彩设计是指刻度盘面、刻度标记、指针以及字符的颜色和它们之间颜色的匹配。它对仪表的认读、造型是否适用、美观有很大影响，也是仪表设计中不可忽视的。
1． 颜色的搭配
仪表是靠指针指示刻度和数字表示信息的，所以表盘面、刻度、指针和数字的颜色选择应使显示的信息认读清晰醒目而又不易引起疲劳。因此彼此之间应统一协调，其颜色的搭配须符合规律。表3－6是经科学测定的颜色搭配规律，其中最清晰的是黑与黄，最模糊的搭配是黑与篮，其余的搭配介于之间。仪表的用色还应注意搭配醒目色，因为醒目色是与周围色调特别不同的颜色，能突出醒目色代表的含义，适用于作仪表警戒部分或危险信号部分的颜色，但不能大面积使用。
2． 仪表的色彩设计
试验研究表明，墨绿色的刻度盘配以白色的刻度标记或淡黄色的刻度盘配以黑色的刻度标记，误差率最小，即色彩搭配最好。指针的颜色应与刻度盘的颜色有鲜明的对比，而与刻度标记以及字符的颜色尽可能保持一致。
在一般情况下，黑白两种颜色的明度对比最高，而且符合仪表习惯用色。在不需要暗适应的条件下，以亮地暗字为佳；当仪表在暗处，而观察者在明处，以暗底亮字为好。

四．数字式显示仪表设计
数字式显示仪表是直接用数字和字符等显示设备运行过程中的有关参数或状态的仪表。它在显示速度、精度等方面比模拟式显示仪表高，并且具有数字清晰、醒目、便于较远距离视读。
（一） 机械式数字显示仪表
机械式数字显示仪表依靠机械装置实现数字显示。它将数字印刷在滚筒上或金属片上，通过滚筒的转动或金属片的移动，显示数字及其变化。机械式数字显示仪表的优点是：结构简单、使用方便，缺点是有可能在显示窗口只显示半个字形，引起读数错误，也容易出现阻卡现象。
机械式数字显示中的字符设计，如字体高度、宽度等可参考模拟式显示仪表的字符设计。但由于数字式显示仪表是以显示数字为主要目的，因此，对数字有一定的特殊要求。
1． 数字的形状
首先要保证数字之间易于区别，其次数字形状要简单易认，加强数字本身特有的笔划，突出其形态特征。在光照和视觉条件较好的情况下，字体形状以尖、直角和弧形相结合的结构为最佳；而在能见度较差的和需要快速辨认的情况下，则具有尖角较多的数字为好。
2．数字的尺寸
数字的适宜尺寸与观察距离、照明和阅读条件等因素有关。有人经过试验提出数字和字母适宜高度的计算公式如下：H=0.0022L+K1＋K2 H－字高（mm）L－观察距离（mm）;
K1－照明和阅读条件修正系数 K2－重要性修正系数
数字的高宽比和笔划宽度与字高比，可参考模拟显示仪表数字尺寸的设计。高与宽之比可取3：2或5：3，一般不采用狭长形，否则会因移动而产生视觉变形，不利于认读。字体笔划宽度与字高之比，一般为1：8～1：6。字与字之间横向间隔取为一个笔划宽度，上下两行间隔应为字高1/3为好。
3．字体与背景和照明的关系
字体设计中要充分考虑背景和照明因素。一般不采用光反射强的材料做字体的背景，因为强反射背景会产生闪烁炫目的现象，影响认读效果。字体和背景在色彩上要对比度强一些，可增加清晰度。此外，还须根据显示仪表所处环境的照明条件确定字体与背景的明暗关系。一般仪表在暗处时，用暗底亮字好，在明处时用亮底暗字好。表3－9不同照明条件下的字体与背景的比较。
（二） 电子式数字显示仪表

版式设计原则

视距cm
最小高度cm
推荐高度cm
各种视距相应的界面尺寸（文字的高度）
35
0.15
0.22
70
0.33
0.50
105
0.48
0.72
140
0.66
0.99
字体
最通用的字体应在文字大小、对比度、明亮程度和阅读时间都适当的情况下容易辨认笔画宽度和高度的比例

最大值
最小值
深色文字淡黄色背景
1：6
1：8
深色文字深色背景
1：8
1：10
字母宽度和高度的比例
最常用的比例为3：5
特殊情况：1：5 用于I 1 4:5 用于M W 4
提高易读性的措施
综合使用大小写字母表述连贯的内容
主要标题用大写（所有第一个字母大写）
字母之间保持一定的间隙，各单词之间应保持一个字母的间隔
新段落起始，应至少缩进一个空格
着重强调部分采用黑体字
每行长度35~70字母
文字标记的设计原则
用途
用于识别控制面板、控制按钮、组件等
控制面板
例如汽车环境控制系统控制面板的文字标记
控制单元
例如空调控制的文字标记
组件
例如空调控制中的温度控制文字标记
标明各组件的功能，除非其功能非常明显
传达简明的信息（例如警示标志）
内容
显示面板或控制面板的文字标记不仅要标明设备的名称，更重要是表现设备的功能
设备
推荐文字标记
设备
推荐文字标记
转速计（汽车）
RPM
声音控制（音响）
音量
速度计（汽车）
Km/h
恒温器（家庭用）
温度
调节旋钮（电视）
频道
调速器（割草机）
慢。。。。快
文字标记应简洁明晰，尽量运用使用者容易理解的语句。除非意思非常明显或者空间上受约束，否则尽量不要使用缩写
位置
对于垂直方向上的控制面板，如果其位置低于眼高，则文字标记应在其相对应的控制元件的上方
文字标记应尽量标在水平方向
各种文字标记文字的推荐高度cm
控制板名称
0.47
组件图形符号
0.32
控制单元
0.40
组件小标题
0.24
副标题
0.32

7