山东大学单片机原理与应用06人机交互接口
148页1、第第6章章 人机交互接口人机交互接口6.1 人机交互输入设备人机交互输入设备键盘键盘6.2 人机交互输入设备人机交互输入设备触摸屏触摸屏6.3 人机交互输出设备人机交互输出设备LED6.4 键盘、键盘、LED显示接口电路显示接口电路6.5 人机交互输出设备人机交互输出设备LCD人机交互接口是指人和计算机之间建立联系、交流信息的有关输入/输出设备的接口。人机交互接口也称为外设接口。它是计算机与用户之间最直接的信息通道,是计算机设备的外在表现。对于一个智能设备来讲,设计人性化的人机接口,方便用户使用,变得越来越重要。6.1 人机交互输入设备人机交互输入设备键盘键盘常用的人机交互输入设备有键盘、鼠标、触摸屏、拨码盘、声讯输入等。对于单片机系统来说,主要的人机交互输入设备主要是键盘、触摸屏,其中键盘是最基本的输入设备,几乎任何单片机系统都需要它,因此,本节主要介绍键盘及其与单片机的接口电路。6.1.1 键盘的种类键盘的种类根据键盘功能和结构形式的不同,通常把键盘分为两种基本类型:编码键盘和非编码键盘。编码键盘编码键盘编码键盘的按键识别由专用的硬件编译码电路实现,按下键后,键盘电路便能自动产生按
2、键代码,如ASCII码、EBCDIC码等。编码键盘使用方便,键盘码产生速度快,占用CPU时间少,但对按键的检测与消除抖动干扰是靠硬件电路来完成的,因而硬件电路复杂、成本高,价格较贵,在单片机系统中应用较少,这里不再过多地介绍。非编码键盘非编码键盘这种键盘只简单地提供按键的通或断状态,而按键的识别、键值的确定等工作全靠软件完成,需要程序控制扫描键盘,判断是否有键被按下、哪个键被按下。非编码键盘硬件电路简单,成本低,但占用CPU的时间较长,相当于用时间换取硬件电路的简单化。非编码键盘又可分为独立式键盘和行列式键盘。独立式键盘是指其中每一个按键均有一条输入线与计算机的接口相连,如图所示,每个按键的电路相互独立。结构简单,连接方便,但缺点是有多少个按键,就需要多少条输入线。这种键盘结构占用硬件资源较多,适合按键不多的场合。行列式键盘是指在键盘中按键数量较多时,为了减少I/O口的占用,按键按行和列来排列,成为矩阵形式,如图所示,又叫矩阵式键盘。以44键盘为例,这种方式可排列44=16个按键,但与计算机的连线线仅为4+4=8条。这种结构适合按键较多的场合。6.1.2 键盘的去抖动技术键盘的去抖动技
3、术按键的按下与释放一般是通过机械触点的闭合与断开来实现,由于机械触点的弹性振动,按键在按下时不会马上稳定地接通,在弹起时也不能立刻完全地断开,因而在按键闭合和断开的瞬间均会出现一连串的抖动。如图所示:一般情况下,正常的按键操作其开关动作时间(抖动时间加上稳定时间)大约100ms左右,而抖动时间一般都不超过10ms。按键的抖动会造成按一次键产生的开关状态被CPU误读几次,即按键一次按下或释放被错误地认为是多次操作。为了使CPU能正确地读取按键状态,必须在按键闭合或断开时,消除产生的前沿或后沿抖动,去抖动的方法有硬件方法和软件方法两种。1、硬件去抖动技术、硬件去抖动技术即在键开关输出端与计算机接口之间加一个硬件消抖电路,如RC滤波电路、单稳态触发器电路、双稳态触发器电路(R-S触发器)等。其中RC滤波去抖动电路如图所示:双稳态去抖动电路如图所示由于硬件去抖技术增加了电路的复杂性,故适用于按键数目较少的场合。2、软件去抖动技术、软件去抖动技术根据下图我们可以发现,当有键按下或释放时,我们可以利用软件延时一段时间再检测就会“躲过”这个不稳定的抖动期,而进入稳定期。例如当我们检查到有键按下以后延
4、时一段时间(10ms20ms),再检查一次看是否有按键按下,若这一次检查不到,则说明前一次结果为干扰或者抖动;若这一次检查到有按键按下,则说明信号已经稳定,确实有键按下。同样,在监测到有按键释放时,也是先延迟一段时间,然后再检查按键是否释放,如果又检测到按键释放后则说明按键已稳定释放。软件键盘去抖动处理流程如图所示。这种软件去抖动的方法最大的特点是成本低,实现起来比较灵活,在键数目较多时,大多采用软件延时法去抖动。6.1.3 键盘的识别技术键盘的识别技术1、独立式键盘的识别技术、独立式键盘的识别技术独立式键盘,每个按键连接了一个独立的输入端口,所以只要CPU定时去查看各个输入口的状态,只要定时时间合适,即可识别出相应的按键状态。但是,如果查询时间不合适或者按键动作太快,就有可能漏判。为防止这种情况的出现,可以利用中断技术实现,具体实现电路如图所示:2、行列式键盘的识别技术、行列式键盘的识别技术行列式键盘识别闭合键的方法有两种:扫描法和线反转法。(1)扫描法)扫描法扫描法中,为了提高效率,识别键盘中有无按键按下是由行线送出全扫描字、列线读入行线状态来判断的,这叫做按键发现。具体确定键盘中
5、哪一个键按下可由行线逐行置低电平后,检查列线输入状态来判断,这叫做按键识别。扫描法按键发现的原理如下图所示:为了发现按键按下,行线(输出信号线)输出全0信号,列线通过上拉电阻连接到Vcc,若无按键按下,读列线(输入信号线),读到的信号各位应该为全1(如图a所示)。当有任何一个按键按下时,该按键将相应的行线与列线短路,而行线输出全是0,所以列线读到的信号应该至少有一个位不是1(如图b所示),哪一个位不是1,说明该按键在哪一列。扫描法按键识别的原理如下图所示:当按键发现部分已经发现有按键按下时,就需要进一步确定具体是哪一个按键被按下,也就是需要具体确定按键的具体位置。方法是先让行线输出第0行为0,其它行都是1,这时读入列线,查看所读入的列线信号是否全为1,如果全为1,则说明该键不在第0行(如图a所示);再让行线输出第1行为0,其它行都为1,再读入列线信号,查看所读入的列线信号是否为1,同样如果全为1,则说明该键不在第1行(如图b);如是再查看第2行,第3行等等。当某一行输出对应的列输入不全是1,则说明按键在该行,同时,根据列输入中为0的位也能够确定该键所在的列,如图d中所示,说明该按键在第
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