1、第8章 输入输出通道及接口技术,8.1 输入输出通道概述 8.2 当电隔离接口 8.3 常用人机交互设备接口 8.4 D/A、A/D转换器及其接口 8.5 步进电机及其接口,8.1 输入输出通道概述,8.1.1输入通道将单片机用作测控系统时，系统都会有一个被测信号的输入通道，单片机通过输入通道拾取必要的输入信号。对于测量系统而言，如何准确获取被测信号是核心任务;而对于测控系统来讲，对被测对象状态的测试和对控制条件的监察也是不可缺少的环节。,下一页,返回,8.1 输入输出通道概述,输入通道是设置在单片机和被测对象之间的信息传送和转换的连接通道，单片机对被测对象状态的拾取，一般离不开传感器或敏感元
2、件。这是因为被测信号的状态参数通常是一种非电量的物理量(如温度、压力、载荷、位移等)，而单片机只能识别处理电信号的数字量，因此利用传感器将非电量的物理量转换成电信号才能实现测量和控制的任务。输入通道的结构，如图8-1所示。,下一页,返回,上一页,8.1 输入输出通道概述,输入通道的特点:(1)输入通道的类型取决于从传感器送入信号的类型，由于不同的信号需要不同的转换电路，这也就决定了输入通道的类型。(2)输入通道对于传感器输出的微弱信号必须加以放大。(3)输入通道的主要技术指标是信号的转换精度和速度，它们是选择转换器件的依据。(4)对于被测现场环境较差的情况，为防止干扰信号进入单片机控制系统，需
3、要在输入通道中加入抗干扰措施。,下一页,返回,上一页,8.1 输入输出通道概述,8. 1. 2输出通道输出通道是单片机用以连接各种被控装置的信号通道。单片机完成对输入通道所输入的数据处理后，总是以数字信号送往输出通道的。根据被控装置控制信号的要求，在输出通道中将送入的信号进行变化，以达到控制被控装置的目的输出通道的结构，如图8 -2所示。,下一页,返回,上一页,8.1 输入输出通道概述,输出通道的特点:(1)小信号输入，大功率控制。在目前的集成电路制造工艺下，单片机还不能输出直接控制装置所要求的功率信号，因此在输出后必须进行功率放大。(2)输出通道直接与控制装置的执行机构连接，而控制装置多为大
4、功率的伺服驱动机构，各类电磁干扰会经输出通道窜入微机系统，因此必须在输出通道中采取抗干扰措施。,返回,上一页,8.2 光电隔离接口,8. 2. 1光电藕合器概述在单片机控制系统中，往往要求将单片机部分和强电回路的信号进行隔离，以防止强电磁场或工频干扰电压通过输出通道影响到单片机控制系统。信号的隔离，最常用的是光电藕合器，因为光信号的传送不受电场、磁场的干扰，可以有效地隔离电信号。,下一页,返回,8.2 光电隔离接口,光电藕合器是以“光-电-光”转换的过程进行工作的。内部包括发光部分和受光部分，组装在一个密封管壳内。发光部分为发光二极管，作为输入端;受光部分为光敏元件，作为输出端。图8 -3为常
5、用的三极管型光电藕合器原理图。当输入端加上电信号，发光二极管导通发光，光敏三极管受到光照后产生光电流，光敏三极管导通。这样就以光为媒介，实现了电信号的传输。,下一页,返回,上一页,8.2 光电隔离接口,光电藕合器之所以在传输信号的同时能有效地抑制尖脉冲和各种噪声干扰，使通道上的信号噪声比大为提高，主要有以下几方面的原因:(1)光电藕合器的输入阻抗很小，只有几百欧姆，而干扰源的阻抗较大，通常为105106 。即使干扰电压的幅度较大，到光电藕合器输入端的噪声电压也会很小，只能形成很微弱的电流，由于没有足够的能量而不能使二极管发光，从而被抑制掉了。,下一页,返回,上一页,8.2 光电隔离接口,(2)
6、光电藕合器的输入回路与输出回路之间没有电气联系，也没有共地，之间的分布电容极小，而绝缘电阻又很大，因此回路一边的各种干扰噪声都很难通过光电藕合器馈送到另一边去，避免了共阻抗藕合的干扰信号的产生。(3)光电藕合器可起到很好的安全保障作用，当外部设备出现故障，甚至输入信号线短接时，也不会损坏仪表。因为光藕合器件的输入回路和输出回路之间可以承受几千伏的高压。,下一页,返回,上一页,8.2 光电隔离接口,(4)光电藕合器的响应速度极快，其响应延迟时间只有10 s左右，适于对响应速度要求很高的场合。光电藕合器的发光部分一般采用砷化镓发光二极管，受光部分的结构不同可分为晶体管型、晶闸管型和集成电路型3种类
7、型。,下一页,返回,上一页,8.2 光电隔离接口,8.2.2常用的光电藕合器件光电藕合器具有体积小、使用寿命长、工作温度范围宽、抗干扰性能强、无触点且输入与输出在电气上完全隔离等特点。因而在各种电子设备上得到广泛的应用。光电藕合器可用于隔离电路、负载接口及各种家用电器等电路中。常见的光电藕合器件有以下几种。(1)二极管- 晶体管藕合的4N25、TLP541;(2)二极管- 达林顿管藕合的4N38、TPL570;(3)二极管- TTL藕合的6N137。,下一页,返回,上一页,8.2 光电隔离接口,8. 2. 3光电藕合器接口电路1.微机中的光电隔离接口电路微机接口电路中常用的光电隔离器件TLP5
8、41 - 4的引脚，如图8-4 (a)所示。由其构成的光电隔离接口电路，如图8-4 (b)所示。R1取4001000 ,R2取200400 。因为普通光电藕合器的电流传输比比较小，所以一般要用三极管对输出电流进行放大，也可以直接采用达林顿型光电藕合器来代替普通光藕合器件，如东芝公司的4N30、4N38等器件。对于输出功率要求更高的场合，可以选用达林顿晶体管来替代普通三极管，如ULN2800高压大电流达林顿晶体管阵列系列产品，它的输出电流和输出电压分别达到500mA和50V。,下一页,返回,上一页,8.2 光电隔离接口,2.功率驱动中的光电隔离接口电路在微机控制系统中，大量应用的是开关量的控制，
9、这些开关量一般经过微机的I/ O输出，而I/O的驱动能力有限，一般不足以驱动一些电磁执行器件，必须加接驱动接口电路。为避免微机受到驱动电路的干扰，须采取隔离措施。如晶闸管所在的主电路一般是交流强电回路，电压较高，电流较大，不易与微机直接相连，此时可应用光电藕合器将微机控制信号与晶闸管触发电路进行隔离。功率驱动电路中的光电隔离接口电路，如图8 -5所示。,下一页,返回,上一页,8.2 光电隔离接口,在电机控制电路中，也可采用光电藕合器来把控制电路和电机高压电路隔离开。电机靠OSFET或IGBT功率管提供驱动电流，功率管的开关控制信号和大功率管之间需隔离放大级。在光藕隔离级一放大器级一大功率管的连
10、接形式中，要求光电藕合器具有高输出电压、高速和高共模抑制。,下一页,返回,上一页,8.2 光电隔离接口,3.远距离传送中的光电隔离接口电路在计算机应用系统中，由于测控系统与被测和被控设备之间不可避免地要进行长线传输，信号在传输过程中很易受到干扰，导致传输信号发生畸变或失真，另外，在通过较长电缆连接的相距较远的设备之间，常因设备间的地线电位差，导致低环路电流，对电路形成差模干扰电压。为确保长线传输的可靠性，可采用光电藕合隔离措施，将2个电路的电气连接隔开，切断可能形成的环路，使他们相互独立，提高电路系统的抗干扰性能。若传输线较长，现场干扰严重，可通过两级光电藕合器将长线完全“浮置”起来。远距离传
11、送的光电隔离接口电路，如图8-6所示。,下一页,返回,上一页,8.2 光电隔离接口,长线的“浮置”去掉了长线两端间的公共地线，不但有效消除了各电路的电流经公共地线时所产生噪声电压形成相互窜扰，而且也有效地解决了长线驱动和阻抗匹配问题;同时，受控设备短路时，还能保护系统不受损害。,下一页,返回,上一页,8.2 光电隔离接口,4.过零检测中的光电隔离接口电路过零检测，即零交叉，是指交流电压过零点被自动检测进而产生驱动信号，使电子开关在此时刻开始开通。现代的零交叉技术已与光电藕合技术相结合。过零检测电路中的光电隔离接口电路，如图8 -7所示。,下一页,返回,上一页,8.2 光电隔离接口,5.注意事项
12、(1)在光电藕合器的输入部分和输出部分必须分别采用独立的电源，若两端共用一个电源，则光电藕合器的隔离作用将失去意义。(2)当用光电藕合器来隔离输入输出通道时，必须对所有的信号(包括数字量信号、控制量信号、状态信号)全部隔离，使得被隔离设备的两边没有任何电气上的联系，否则这种隔离是没有意义的。,返回,上一页,8.3 常用人机交互设备接口,8. 3. 1键盘接口电路在单片机应用系统中键盘是最常用的输入设备。通过键盘可以输入数据和命令，实现简单的人机对话。键盘可分为编码键盘和非编码键盘两种。编码键盘采用硬件线路来实现键盘编码，每按一个键，键盘能自动生成按键代码;非编码键盘仅提供键的开关状态，依靠软件
13、来识别闭合的键，并去除抖动以及产生相应的代码。,下一页,返回,8.3 常用人机交互设备接口,全编码键盘能够由硬件逻辑自动提供与键对应的编码，此外，一般还具有去抖动和多键、窜键保护电路。这种键盘使用方便，但需要较多的硬件，价格较贵，一般的单片机应用系统较少采用。本节主要讨论单片机应用系统中使用较多的非编码键盘的接口方法。 非编码键盘的结构形式有两种，即独立式键盘和矩阵式键盘。,下一页,返回,上一页,8.3 常用人机交互设备接口,1.独立式键盘独立式键盘的各个按键相互独立，各按键的状态互不影响，其结构如图8 -8所示。当键盘上没有键闭合时，其数据线X0X7状态呈现高电平。当键盘上某个键闭合时，该键
14、相对应的数据线状态被拉至低电平。单片机可以通过检测其各数据线的状态，来判断是否有键闭合以及哪一个键闭合。,下一页,返回,上一页,8.3 常用人机交互设备接口,2.矩阵式键盘矩阵式键盘的结构如图8 -9所示。图中列线Y3Y0 (Pl. 7P1. 4)定义为输出口，行线X3 X0 (P1. 3 P1. 0 )定义为输入口。在程序控制下，首先使列线Y3(Pl. 7)为低电平，其余3根列线Y2Y0 (Pl. 6P1. 4)为高电平，然后单片机通过输入口读行线的状态，如果X3X0 (P1.3Pl. 0)都为高电平，则说明此列上无键闭合;如果X3X0 (P1. 3P1. 0)中有一个不为高电平，则说明此列
15、上有键闭合，闭合键为低电平的行线和Y3相交的键。,下一页,返回,上一页,8.3 常用人机交互设备接口,如果Y3这一列线上没有键闭合，接着再使列线Y2为低电平，其余的列线为高电平。用同样的方法检查Y2这一列上有无键闭合。以此类推，最后使Y0为低电平，其余的列为为高电平，检查Y0这一列上是否有闭合键。这种逐行逐列地检查键盘状态的过程称为对键盘的一次扫描。3.键盘的工作方式在单片机应用系统中，为了节省硬件，通常采用矩阵式键盘。键盘的工作方式一般有程序控制扫描方式和中断扫描方式。,下一页,返回,上一页,8.3 常用人机交互设备接口,1)程序控制扫描方式这种方式是利用CPU在完成其他工作的空余时间调用键
16、盘扫描子程序，来响应键盘的输入要求。其键盘扫描程序一般应具备如下功能:(1)判断键盘有无按下。即扫描口输出全“0” （Y0Y3均为低电平)，再读取入X0X3的状态，判断其是否为全“1“:若是则为无键按下，否则为有键按下。,下一页,返回,上一页,8.3 常用人机交互设备接口,(2)去键抖动影响。键盘是一个机械开关，当按键在闭合或断开时会产生机械抖动，一般抖动时间为510ms。因此当判断到有键按下后，可采用软件延时一段时间(一般1015 ms)，再判断键盘状态，如果仍为有键按下状态，则认为有一个确定的键被按下，否则按照键抖动处理。,下一页,返回,上一页,8.3 常用人机交互设备接口,(3)确定闭合
17、键的键号。根据前面介绍的键盘扫面方法，对键盘进行逐行逐列的扫描，以确定闭合键的键号。如图8-9所示，从Y3Y0依次输入列扫描字0111B、1011B、1101B、 1110B，即依次使键盘的一根列线为“0”，其余为+1。相应地依次读取X3X0的值，若全为“1”，则列线为“0”的这一列上没有键闭合。若其中某位为“0”，则这次扫描有键闭合。闭合键的键号等于低电平的行首键号加上低电平的列号。,下一页,返回,上一页,8.3 常用人机交互设备接口,例如:输出列扫描字为1011 B时(第1列为低电平、列编号是从0开始)，读取Pl. 3P1. 0为11018(第2行为低电平、行编号也是从0开始)，则1列2行
18、相交的键处于闭合状态。第2行的键号为8，列号为1，闭合键的键号为N=行首键号+列键号=8+1 =9(4)判断闭合的键是否释放。键闭合一次仅作一次键功能处理，其方法是当确认有键闭合，等待直到按键释放，才可进入执行键的功能操作。,下一页,返回,上一页,8.3 常用人机交互设备接口,2)中断扫描方式为了克服程序控制扫描与定时扫描浪费了CPU的时间的缺点，采用中断扫描方式既提高CPU的效率，又能及时响应键盘的输入请求。即只要键盘上有键闭合，就向CPU发出中断请求，CPU响应中断，立即中断当前正在运行的程序，转入执行中断服务程序，判断键盘上闭合键的键号，并作相应的键功能处理。,下一页,返回,上一页,8.
19、3 常用人机交互设备接口,工作于中断扫描方式的行列式键盘接口电路如图8-10所示。图中8051的P1. 0P 1. 3为输入口线，作为键盘的行线，各行线通过“与”门接到8051的外中断引脚INTO ; Pl. 4 Pl. 7为输出口线，作为键盘的列线。系统初始化时，置P1. 4P 1. 7为“0“,若无键闭合，INTO为高电平“1“，无中断请求。一旦有键闭合时，INTO变为低电平“0“，向CPU发出中断请求，进入中断服务程序扫描键盘),下一页,返回,上一页,8.3 常用人机交互设备接口,8. 3. 2 LED显示器接口电路在单片机应用系统中，显示器是一个不可缺少的人机交互设备之一，是单片机应用
20、系统中最基本的输出装置。通常需要用显示器显示运行状态以及中间结果等信息，便于人们观察和监视单片机系统的运行情况。,下一页,返回,上一页,8.3 常用人机交互设备接口,显示器的种类很多，从发光二极管显示器、液晶显示器到C RT显示器等，都可以与微机配接。其中单片机应用系统中最为常用的显示器是LED ( Light E-mitting Diode发光二极管)数码显示器。LE D显示器具有成本低、配置简单、安装方便和寿命长等特点。但显示内容比较有限，一般不能用于显示图形。,下一页,返回,上一页,8.3 常用人机交互设备接口,1. LED显示器结构和工作原理LE D显示器是由若干个发光二极管组成的，当
21、发光二极管导通时，相应的一个点或一个笔画发亮。控制不同组合的二极管导通，就能显示出各种字符。常用的8段LE D显示器的结构如图8-11所示。LE D显示器有共阴极和共阳极两种结构。LE D数码管的使用与发光二极管类同，根据其材料不同正向压降一般为1.52V，额定电流为10 mA ,最大电流为40 mA静态显示时取10mA为宜，动态扫描显示时，可加大脉冲电流，但一般不超过40mA。,下一页,返回,上一页,8.3 常用人机交互设备接口,要显示各种数字或字符，只需要把不同高低的电平信号送往不同的发光二极管将其点亮即可。这些用来控制LE D显示的不同电平组合的代码称为字符的字段码(也称字形码)。共阴极
22、显示器与共阳极显示器的字段码是逻辑非的关系。字段码的编码顺序与LED显示器字段的关系见表8-1 。 LED显示器显示的数字及字符和字段码的对应关系见表8 -2。,下一页,返回,上一页,8.3 常用人机交互设备接口,2. LED显示器的控制方式控制点亮LE D显示器有静态控制和动态控制两种方式。1)静态显示控制方式静态显示控制方式下每当显示某一个字形时，每一位显示器的字段控制线是独立的。在此显示方式下显示一位数字或字符就需要一个8位输出口控制。如图8 -12所示有4位(个)LE D显示器，则就需要4个8位并行输出口。在应用系统设计时，当显示位数较少时，采用静态显示方法是合适的。,下一页,返回,上
23、一页,8.3 常用人机交互设备接口,2)动态显示控制方式所谓动态显示控制方式，就是采用扫描的方法把多位LE D显示器逐个点亮，利用人眼的视觉暂留效应则可以看到多位LED的整个显示。LED显示器稳定的显示亮度即与LED导通电流有关，也与点亮的持续时间和间隔时间的比值有关。在多位LED显示时，为了简化电路，降低成本，通常将所有位的字段控制线并连在一起，由一个8位的I/O口控制，形成字段码输出口的多路复用。而LED显示器的各位共阴极或共阳极分别由相应的I/O口控制，实现各位的分时选通。图8 -13所示就是一个8位LED动态显示器电路。,下一页,返回,上一页,8.3 常用人机交互设备接口,3.多色LE
24、 D显示器一般来说，当使用单个芯片时，LE D的灯光就是单色的。当两个或多个不同色彩的芯片装入同一个环氧层时，就可以产生多色LE D。封装在同一个环氧层中的红光、绿光及蓝光芯片可以分别控制，这样还可以产生不同的混色及其他纯色。如今，三原色LE D在娱乐业的应用越来越广泛，就因为它能产生混合色彩及其他灯光效果。,下一页,返回,上一页,8.3 常用人机交互设备接口,LE D的发光颜色和发光效率与制作LE D的材料和工艺有关，目前广泛使用的有红、绿、蓝三种。由于LE D工作电压低(仅1. 53V),能主动发光且有一定亮度，亮度又能用电压(或电流)调节，本身又耐冲击、抗振动、寿命长(10万小时)，所以
25、在大型的显示设备中，目前尚无其他的显示方式能与LE D显示方式匹敌。把红色和绿色的LE D放在一起作为一个像素制作的显示屏叫双基色屏或伪彩色屏;把红、绿、蓝三种LE D管放在一起作为一个像素的显示屏叫三基色屏或全彩屏。,下一页,返回,上一页,8.3 常用人机交互设备接口,制作室内LE D屏的像素尺寸一般是210 mm，常常采用把几种能产生不同基色的LE D管芯封装成一体，室外LE D屏的像素尺寸多为1226mm，每个像素由若干个各种单色LE D组成，常见的成品称像素简或像素模块。LE D显示屏如果想要显示图像，则需要构成像素的每个LE D的发光亮度都必须能调节，其调节的精细程度就是显示屏的灰度
26、等级。灰度等级越高，显示的图像就越细腻，色彩也越丰富，相应的显示控制系统也越复杂。,下一页,返回,上一页,8.3 常用人机交互设备接口,在当前的技术水平下，256级灰度的图像，颜色过渡已十分柔和，图像还原效果比较令人满意资料显示，LE D光源比白炽灯节电87、比荧光灯节电50%，而寿命比白炽灯长20 30倍、比荧光灯长10倍。LE D光源因具有节能、环保、长寿命、安全、响应快、体积小、色彩丰富、可控等一系列独特优点，被认为是节电降能耗的最佳实现途径。对于一般照明而言，人们更需要白色的光源。1998年发白光的LE D开发成功。,下一页,返回,上一页,8.3 常用人机交互设备接口,这种LE D是将
27、GaN芯片和钇铝石榴石(YAG)封装在一起做成。GaN芯片发蓝光( =465nm,Wd=30nm)，高温烧结制成的含Ce3+的YAG荧光粉受此蓝光激发后发出黄色光发射，峰值SSOnm。蓝光LE D基片安装在碗形反射腔中，覆盖以混有YAG的树脂薄层，约200500nm。LED基片发出的蓝光部分被荧光粉吸收，另一部分蓝光与荧光粉发出的黄光混合，可以得到得白光。现在，对于InGaN/YAG白色LE D，通过改变YAG荧光粉的化学组成和调节荧光粉层的厚度，可以获得色温350010000 K的各色白光。,下一页,返回,上一页,8.3 常用人机交互设备接口,4. LED汉字显示器使用LE D发光二极管点阵
28、组成的LE D汉字字符显示器，可以进行汉字的显示。其显示字符的多少与组成汉字笔画点阵以及发光二极管点阵的多少有关，显示方式则与程序设计有关，一般采用动态按行或按列扫描的方式。下面以8 *8组成的LE D发光二极管点阵，显示汉字为例进行分析。,下一页,返回,上一页,8.3 常用人机交互设备接口,1)硬件电路设计在单片机显示汉字的应用系统中，使用8 *8组成的LE D发光二极管点阵，以P0口作为列输出口，以P1口作为行输出口，为了提高驱动能力，在P1口上加接了8位的同相驱动器74 LS245，如图8-14所示。这里采用按行扫描输出显示的工作方式，如果希望显示出汉字“大”来，其汉字点阵和编码组成如图
29、8-15所示。,下一页,返回,上一页,8.3 常用人机交互设备接口,即首先使第1行显示8*8汉字点阵对应的编码，其余7行熄灭(即从Pl. 0口输出高电平，Pl. 1P1. 7输出低电平00000001B，从而选中第1行;P0口输出第1行对应的共阴极汉字编码1110 1111 B ) ,保持1ms，再使得第2行显示，其余7行熄灭，(即从Pl. 1口输出高电平，P1. 0、Pl. 2 Pl. 7输出低电平0000 0010 B，从而选中第2行;P0口输出第2行对应的共阴极汉字编码11101111 B )保持1ms,直到第8行显示，其余7行熄灭，保持1 ms，再重复到第1行进行显示。,下一页,返回,
30、上一页,8.3 常用人机交互设备接口,2)软件设计,下一页,返回,上一页,8.3 常用人机交互设备接口,下一页,返回,上一页,8.3 常用人机交互设备接口,下一页,返回,上一页,如果需要轮流显示多位汉字或字符时，只需要在程序中给出相应的汉字或字符的字型编码，添加在字符码表后，对程序做一定的修改即可。,8.3 常用人机交互设备接口,5.键盘、显示器组合接口电路1)硬件电路设计在单片机应用系统中，经常需要同时使用键盘与显示器，为了节省I/O接口线，通常把键盘和显示电路做在一起，构成实用的键盘、显示器组合接口电路一个典型的采用825 5 A扩展I/O接口构成的键盘、显示器接口电路，如图8-16所示。
31、图中只设置了32个按键。如果增加PC口线，还可以增加按键，最多可达8x8 =64个键，可根据需要进行设置。,下一页,返回,上一页,8.3 常用人机交互设备接口,LE D显示器采用共阴极。字段码由8255 PB口提供，字位码由PA口提供键盘的扫描输出由PA口提供，与显示器的位选码输出公用，键盘的键输入由PC0PC3提供。显然，因为键盘与显示器共用了PA口，比单独接口节省了一个I/O口。LE D的驱动采用集电极开路输出的8位同相驱动器8717。LE D采用动态显示、软件译码，键盘采用逐列扫描、查询工作方式。,下一页,返回,上一页,8.3 常用人机交互设备接口,2)软件设计由于键盘与显示做成一个接口
32、电路，因此在软件中要综合考虑键盘查询与动态显示，在软件设计中把键盘消抖的延时子程序用显示子程序代替，相应的程序如下。(1)键盘扫描子程序,下一页,返回,上一页,8.3 常用人机交互设备接口,下一页,返回,上一页,8.3 常用人机交互设备接口,下一页,返回,上一页,8.3 常用人机交互设备接口,下一页,返回,上一页,8.3 常用人机交互设备接口,下一页,返回,上一页,8.3 常用人机交互设备接口,(2)动态显示子程序。软件中使用片内RAM的78H7H单元作为显示缓冲区，显示缓冲区中存放8个要显示数据。,下一页,返回,上一页,8.3 常用人机交互设备接口,下一页,返回,上一页,8.3 常用人机交互
33、设备接口,下一页,返回,上一页,8.3 常用人机交互设备接口,8. 3. 3 LCD显示器接口电路1. LCD显示器结构和工作原理LCD ( Liquid Crystal Display液晶显示器)是一种被动式显示器，它本身并不发光，只是调节光的亮度。目前常用的LCD是根据液晶扭曲向列效应原理而制成的。其结构如图8-17所示，在上下玻璃电极之间封入向列型液晶材料，由于液晶的四壁效应，在定向膜的作用下，液晶分子在正、背玻璃电极上呈水平排列，但互相正交，而玻璃间的分子呈连续扭转过渡，这样的构造能使液晶对光产生旋光作用，使光的偏振方向旋转90度。,下一页,返回,上一页,8.3 常用人机交互设备接口,
34、当外部光线通过上偏振片后形成偏振光，偏振方向呈现垂直方向，此偏振光通过液晶材料后，被旋转90度，偏振方向呈现水平方向，此方向恰与下偏振偏方向一致，因此此光能通过下偏振片，到达反射板，经反射后原路返回，从而呈现出透明状态。,下一页,返回,上一页,8.3 常用人机交互设备接口,当在液晶盒的上、下电极加上一定的电压后，电极部分的液晶分子转成垂直排列，从而失去了旋光性。因此，从上偏振片入射的偏振光不被旋转，当此偏振光到达下偏振片时，因其被埋偏振片吸收，无法到达反射板形成反射，所以呈现出黑色。根据需要，将电极做成各种文字、数字或点阵，就可以获得所需的各种显示。LC D响应时间和余辉为毫秒级，阂值电压为3
35、20 V，功耗为5100mW/m2。,下一页,返回,上一页,8.3 常用人机交互设备接口,2. TC1602LCD显示模块及接口电路1) LCD显示模块的工作方式LC D显示模块可以分为字段，字符点阵，图形点阵3种。一般只有后者可以显示汉字和图形。,下一页,返回,上一页,8.3 常用人机交互设备接口,TC1602 LCD是常见的16*2行，6*8字符点阵液晶模块，外形尺寸为80mm *36mm，视域尺寸为64. 5mm *13. 8mm，晶点尺寸为0. 52mm*0. 60mm广泛应用于智能仪表、通信、办公自动化设备中，其内部的字符发生器ROM中自带数字和英文字母及一些特殊符号的字符库，虽然没
36、有汉字，但是我们可以利用TC1602建立6 *8点阵自定义字库的特点，来形成所需要的汉字点阵TC1602LCD的外观如图8-18 ( a)所示。2)电路构成TC1602LCD液晶显示模块与单片机的接口电路，如图8-18 (h)所示。其接口的引脚功能介绍如下:,下一页,返回,上一页,8.3 常用人机交互设备接口,BLA:背光源正极，接+5V;BLK:背光源负极，接地;V0:液晶显示偏压信号，通过电位器W1调节，1602的偏压接近0V;RS:接P1. 2，决定传输类型是数据或命令，1一表示数据，0一表示命令;R/ W:接Pl. 6，读/写控制，1一表示读，0一表示写;E:接Pl. 3，使能端，高电
37、平有效;DB0DB7:数据端口，连接P0口。TC1602液晶显示模块更详细的资料可以查阅相关的资料，此处不再赘述。,下一页,返回,上一页,8.3 常用人机交互设备接口,8. 3. 4 8279接口电路1. 8279的组成及引脚功能可编程键盘/LE D接口芯片8279主要由以下几部分组成:(1) I/O控制和数据缓冲器;(2)控制和定时寄存器及定时控制部分;(3)扫描计数器;(4)回送缓冲器与键盘去抖动控制电路;( 5) FIFO(先进先出)寄存器和状态电路;,下一页,返回,上一页,8.3 常用人机交互设备接口,(6)显示器地址寄存器及显示RAM。它有40条引脚，由单一+5V电源供电，如图8-1
38、9所示。引脚功能说明如下:DB0DB7:双向数据总线;A0:命令状态或数据选择线。A0=1,表示从DB0DB7线上传送的是命令或状态字;A0 = 0表示为数据;RD、WR:读、写信号线;IRQ:中断请求线;,下一页,返回,上一页,8.3 常用人机交互设备接口,SL0SL3:扫描线。可进行译码扫描(4选1)，也可进行编码扫描(16选1)，但要使用4-16译码器。若用3-8译码器的活，则扫描线为8选1;RL0RL7:回送线。内部有上拉电阻，从此线上得到键盘的回扫信号;OUTA0OUTA3, OUTB0OUTB3:显示器刷新寄存器输出，与扫描线同步。,下一页,返回,上一页,8.3 常用人机交互设备接
39、口,2. 8279内部结构及功能8279内部主要结构如图8 -20所示。1) I/O控制及数据缓冲器(表8-3)2)控制与定时寄存器及定时控制控制与定时寄存器:寄存键盘及显示器工作方式，完成控制功能。定时控制:包括基本计数器，首级计数器是可编程N计数器，N由编程指定(231)，对CLK分频，获得内部所需100kHz工作时钟;再分频为键盘及显示器扫描提供扫描时钟。,下一页,返回,上一页,8.3 常用人机交互设备接口,3)扫描计数器4位的计数器，有译码、编码两种方式，由编程设定。译码方式:最低两位经译码，由SL0SL3输出，作为键盘及显示器的扫描信号(任何时刻， SL0SL3只有一个信号有效，实现
40、4选1)。编码方式:计数器的状态由SL0SL3直接输出，再经外部译码，才能作为扫描信A(实现16选1 )。,下一页,返回,上一页,8.3 常用人机交互设备接口,4)恢复缓冲器、键盘去抖动及控制逻辑回复缓冲器:缓冲并锁存回复信号RL0RL7的状态去抖动电路:实现对键盘输入的去抖动。控制逻辑:按命令要求控制去抖动电路，并处理回复信号RL0RL 7。键盘输入方式，有键闭合时，去抖动电路被置位，延时10ms再检测，并将其位置信息与SHIFT、CNTL的状态一起形成键盘数据，送入FIFO RAM。,下一页,返回,上一页,8.3 常用人机交互设备接口,传感器输入方式，RL07的状态直接送入传感器RAM(即
41、FIFO RAM。选通输入方式，在CNTL/STB的上升沿将RL0RL7状态送入FIFO RAM。5 ) FIFO/传感器RAM及其状态寄存器FIFO/传感器RAM ; 8 x 8位，键盘输入方式或选通输入方式作先人先出存储器( FIFO RAM );传感器输入方式被称为传感器RAM，存储传感器阵列中每个传感器的状态。,下一页,返回,上一页,8.3 常用人机交互设备接口,FIFO RAM的状态寄存器:键盘输入方式或选通输入方式，寄存FIFO RAM的工作状态，FIFO RAM不空时，会使IRQ变高;传感器方式，若检测出传感器的状态发生了变化，会使IRQ变高。6)显示RAM及显示地址寄存器(表8
42、 -4和表8-5)显示RAM:16 x 8位，存储字符的字形码，显示时，从OUTA0OUTA3和OUTB0OUTB3输出。显示地址寄存器:显示RAM的内部地址，可由命令直接设定，或设置为每次读/写后自动加1。,下一页,返回,上一页,8.3 常用人机交互设备接口,3.工作方式数据输入方式键盘输入(键扫描)、传感器扫描、选通输入。键扫描:按下一个键时，形成键盘数据，送入FIFO RAM，并产生IRQ(数据读出后撤除)。传感器扫描:FIFO RAM中8个单元用于寄存传感器的现时状态，又称传感器RAM，地址编号与扫描线顺序一致，传感器阵列(最多为8 x8位)中某一位状态发生变化时，产生IRQ。,下一页
43、,返回,上一页,8.3 常用人机交互设备接口,选通输入:与8255 A通输入端口的功能完全一样，CNTL/STB作为选通信号，上升沿锁存RL07到FIFO RAM显示输出方式8字符左入口、16字符左入口、8字符右入口、16字符右入口。左入口:显示器位置编号与显示RAM地址一一对应(0号单元显示在0号显示器上)，显示时从最左位开始。右入口(计算器显示方式):最高位从最右边显示器进入，以后逐次左移。,下一页,返回,上一页,8.3 常用人机交互设备接口,4.命令字1) 设置工作方式(表8 -6 )2) 设置分频系数(表8-7)分频目的:得到100kHz的基本工作时钟。3)设置读FIFO/传感器RAM
44、的地址(表8-8 )4)设置读显示RAM的地址(表8 -9 )5)设置写显示RAM的地址(表8-10)6)禁写显示RAM/消隐命令(表8-11)7)清除命令(表8 -12)8)结束中断/设置错误方式(表8-13),下一页,返回,上一页,8.3 常用人机交互设备接口,5.状态字指示FIFO RAM中字符数及是否有错误(表8 -14 )DU:显示无效标志，由命令清除显示RAM时置1。S/E:键盘输入方式下作特殊错误标志，=1:多键同时按下。O:溢出标志，向已满的FIFO RAM写时置1。U:不足标志，从已空的FIFO RAM读时置1。N2N1 N0: FIFO RAM中字符的个数。,下一页,返回,
45、上一页,8.3 常用人机交互设备接口,6. 8279与MCS-51的接口电路8279与MCS-51的接口电路，如图8 -21所示。A0 A3和B0B3为段控输出(高电平有效)，外接驱动器后连至LE D各段。对于七段LE D来说，A3为最高位，B0为最低位，SL0SL3为位控输出，经译码驱动后连至各LE D可控制16位显示器，其扫描速度(A0 3及B0 3与其同步变化)则由内部定时器决定。,下一页,返回,上一页,8.3 常用人机交互设备接口,更新显示器和使用查询方法读出16个键输入数的程序如下。,下一页,返回,上一页,8.3 常用人机交互设备接口,下一页,返回,上一页,8.3 常用人机交互设备接
46、口,下一页,返回,上一页,8.3 常用人机交互设备接口,8. 3. 5键盘/LED驱动器ZLG7290接口电路1. ZLG7290的组成及引脚功能键盘/LE D驱动器ZLG7290是周立功公司针对仪器仪表行业的需要自行研制的一款芯片。ZLG7290芯片的引脚图，如图8 -22所示。该芯片能自动完成8位LED数码管的动态扫描和(最多)64按键检测扫描，大大减轻单片机的用于显示/键盘的工作时间和程序负担，可使集中资源用于信号的检测和控制。由于采用I2C总线方式使得芯片与单片机间的通讯只用2位I/O口便可完成，节省了单片机有限的接口资源。该芯片为工业级芯片，抗干扰能力强，在工业测控中已有大量应用。,
47、下一页,返回,上一页,8.3 常用人机交互设备接口,键盘/LE D驱动器ZLG7290的特点:(1)I2C串行接口，提供键盘中断信号，方便于处理器接口;(2)可驱动8位共阴数码管或64只独立LE D和64个按键;(3)可控扫描位数，可控任一数码管闪烁;(4)提供数据译码和循环，移位，段寻址等控制;(5) 8个功能键，可检测任一键的连击次数;(6)无需外接元件即直接驱LED，可扩展驱动电流和驱动电压;(7)提供工业级器件，多种封装形式PDIP24等,下一页,返回,上一页,8.3 常用人机交互设备接口,2.键盘部分功能ZLG7290可采样64个按键或传感器可检测每个按键的连击次数其基本功能如下。(
48、1)键盘去抖动处理。当键被按下和放开时，可能会出现电平状态反复变化，称作键盘抖动。若不作处理会引起按键盘命令错误，所以要进行去抖动处理以读取稳定的键盘状态为准。(2)双键互锁处理。当有两个以上按键被同时按下时，ZLG7290只采样优先级高的按键，优先顺序为(S1S2S64，如同时按下S2和S18时采样到S2)。,下一页,返回,上一页,8.3 常用人机交互设备接口,(3)连击键处理。当某个按键按下时，输出一次键值后，如果该按键还未释放，该键值连续有效，就像连续压按该键一样，这种功能称为连击。连击次数计数器( Repeat Cnt)可区别出单击(某些功能不允许连击如开/关)或连击。判断连击次数可以
49、检测被按时间。以防止某些功能误操作。(4)功能键处理。功能键能实现2个以上按键同时按下来扩展按键数目或实现特殊功能，如PC机上的“Shift” , “Ctrl” , “ Alt”键。,下一页,返回,上一页,8.3 常用人机交互设备接口,3.显示部分功能在每个显示刷新周期。ZLG7290按照扫描位数寄存器( Scan Num)指定的显示位数N，把显示缓存DpRamO DpRamN的内容按先后顺序送入LED驱动器实现动态显示，减少N值可提高每位显示扫描时间的占空比，以提高LED亮度，显示缓存中的内容不受影响。修改闪烁控制寄存器( FlashOnOff)可改变闪烁频率和占空比(亮和灭的时间)。,下一页,返回,上一页,8.3 常用人机交互设备接口,ZLG7290提供两种控制方式:寄存器映象控制和命令解释控制，如上述对显示部分的控制，寄存器映象控制是指直接访问底层寄存器，实现基本控制功能，这些寄存器须字节操作。命令解释控制是指通过解释命令缓冲区(CmdBuf0 CmdBuf1)中的指令，间接访问底层寄存器实现扩展控制功能，如实现寄存器的位操作:对显示缓存循环，移位:对操作数译码等操作。,返回,上一页,8.4 D/A、A/D转换器及其接口,
