机电一体化 人机接口设计
机电一体化系统中的接口技术分析
机电一体化系统中的接口技术分析摘要：随着我国经济水平的有效提升和机电设备整体水平的不断进步，在机电一体化系统中的接口技术得到了越来越广泛的应用。
本文从对接口技术进行简析入手，对机电一体化系统中的接口技术进行了分析。
关键词：机电一体化；接口技术；系统分析在我国的机电设备发展过程中机电一体化系统有着极为重要的意义，而机电一体化系统的应用则离不开接口技术的有效支持。
因此在这一前提下对于机电一体化系统中的接口技术进行研究与分析就具有极为重要的经济意义与现实意义。
1 接口技术简析接口技术是一项系统性的技术，其主要内容包括了人机接口技术、输入接口技术、输出接口技术等内容。
以下从几个方面出发，对接口技术进行了分析。
1.1 人机接口技术人机接口技术是接口技术的主要组成部分。
通常来说人机接口技术的操作者往往是与机电系统如控制微机之间通过接口来进行信息的有效交换，而在这一过程中接口会依照信息的传递方向来形成不同的信息数据。
除此之外，在人机接口技术中，根据运行参数、数据结果、状态信息的不同，操作者常常可以得到不同程度的进行反馈，因此在这一前提下工作人员应当注重通过人机接口来向机电系统传输各种不同控制指令来更好地干预和纠正系统的运行状态，最终有效的实现系统功能自身的工作要求。
1.2 输入接口技术输入接口技术自身也包括不同的技术种类。
例如拨盘输入接口拨盘是我国较为常见的一种输入设备，在这一输入设备中通过输入少量的参数并且进行控制目标的修正，工作人员就可以较为方便的对于拨盘进行运用并且能够具有较好的应用效率。
除此之外，保持性拨盘通常包括了许多种类，最为方便使用的是人机接口输入信息，在这一输入过程中工作人员可以通过技术应用直接与控制微机的扩展口或者是并行口相连。
并且可以用码形式来进行信息的输入，从而能够较为便利的进行程序的启动和按键的识别以及数据的扫描，最终促进技术应用效率的持续进步。
1.3 输出接口技术输出接口技术是与输入接口技术相对应的接口技术，这一技术较为典型的输出设备是发光二极管显示器，并且这一显示器往往具有可靠性较高、寿命较长、应用简单、体积较小、价格便宜等优越性，因此被广泛的使用在机电一体化系统中。
机电一体化系统的接口机电一体化
机电一体化系统的接口 - 机电一体化在机电一体化系统中，系统总体技术主要争辩内容是：系统方案设计和评价；接口技术；精度设计；牢靠性分析和设计；人机工程设计。
一、接口的定义和分类定义：狭义接口是指计算机接口；广义接口：在系统各要素或子系统之间，必需平稳地进行物质、能量和信息的输入和输出。
因此在相互连接要素的交接面上必需具备相应的某些条件，才能连接，该交接面称为接口。
接口可分为直接接口和接口系统两种形式。
图1 直接接口与接口系统常用接口的分类方法：1.依据接口的变换和调整功能，可将接口分为零接口、被动接口、主动接口和智能接口；2.依据接口的输入/输出对象，可将接口分为机械接口、电气接口、信息接口与环境接口等；3.依据接口的输入/输出类型，可将接口分为数字接口、开关接口、模拟接口和脉冲接口。
二、电气接口依据在系统中所起的作用，分为输入接口、输出接口；信号转换与隔离接口；设备专用接口；通信显示接口。
（一）、异步串行通信接口RS-232C；接口信号、电气特性、电平转换RS-499，RS-422A，RS-423A，RS-485；20mA电流环（二）常用接口元件1.光电耦合器在把握微机和功率放大电路之间，经常使用光电耦合器。
光电耦合器由发光二极管和光敏晶体管组成，当在发光二极管二端加正向电压时，发光二极管点亮，照射光敏晶体管使之导通，产生输出信号。
光电耦合器的信号传递实行电-光-电形式，发光部分和受光部分不接触，因此其绝缘电阻可高达1010W以上，并能承受200OV以上的高压，被耦合的两个部分可以自成系统，能够实现强电部分和弱电部分隔离，避开干扰由输出通道窜入把握微机。
光电耦合器的发光二极管是电流驱动器件，能够吸取尖峰干扰信号，所以具有很强的抑制干扰力量。
光电耦合器作为开关应用时，具有耐用、牢靠性高和高速等优点，响应时间一般为数微秒以内，高速型光电耦合器的响应时间有的甚至小于10ns 。
图2 光电耦合器件图b是光电耦合器的接口电路，图中的VT1是大功率晶体管，W是步进电动机、接触器等的线圈，VD2 是续流二极管。
机电一体化技术接口技术
② 七段LED显示器接口电路设计 a. 静态工作方式的接口电路 8255 PC0···PC7 PB0···PB7 PA0···PA7
三位静态显示接口
静态显示，就是当显示器显示某一个字时，相应的发光二极管恒定的导通和 截至。这种显示方式的每一位都需要一个8位输出口控制。当显示位数很少( 仅一、二位）时，采用静态显示方式是合适的。
② 低速性 与控制微机的工作速度相比，大多数人机接口设
备的工作速度是很低的，在进行人机接口设计时
，要考虑速度匹配问题。
③ 高性能性
由于机电的结合，大大强化了机械系统的功 能，使整个机电系统具有高性能的价格比。 所以在人机接口设计时，输入/输出设备也应 以小型、微型、廉价为原则。
返回 5
二． 输入接口设计
1
2 a DPY
3b
a
c
4 5
f
d
g
b
e
6
e
f
d
c
7 g
dp
8
dp
将发光二极管组成阵列，封装于标准 外壳中，即发光二极管显示器（LED 显示器）。以七段LED显示器最为常 用。引线有共阳极与共阴极两种结构 如图。
a b c d e f g dp
COM 共阳极
a b c d e f g dp
COM 共阴极
通过输出接口向操作者反映系统的各个状态和参数以 及结果等信息。 常用的输出设备：状态指示灯，发光二极管，液晶显示器，微型 打印机，阴极摄像管显示器，扬声器等。
4
① 专用性
人机接口的设计方案要根据产品的要求而定。对 二值性的控制参数，可采用控制开关；对一些少 量的数值参数可使用拨码码盘；当系统要求输入 控制命令和参数较多时，可使用行列式键盘。
机电一体化技术接口技术
② 键盘接口方法
P1.7 P1.6
P1.5
P1.4
8031 P1.0
0
P1.1 1
2
P1.2
3
P1.3
48C 59D 6 AE 7BF
+5V
上图示出了8031通过P1口与一个4×4键盘的接口电路，其中P1.7~P1.4作扫 描线，P1.3~P1.0作输出线。
返回
Ⅲ.输出接口设计
① 发光二极管显示器（Light Emitting Diode）的接口设计
10
② 七段LED显示器接口电路设计 a. 静态工作方式的接口电路 8255 PC0···PC7 PB0···PB7 PA0···PA7
三位静态显示接口
静态显示，就是当显示器显示某一个字时，相应的发光二极管恒定的导通和 截至。这种显示方式的每一位都需要一个8位输出口控制。当显示位数很少( 仅一、二位）时，采用静态显示方式是合适的。
输出接口
• 在机电一体化产品中，很多被控对 象要求模拟量作控制信号，如交流 电动机变频调速器、直流电动机调 速器、滑差电动机调速器等，而计 算机系统是数字系统。
1
2 a DPY
3b
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7 g
dp
8
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将发光二极管组成阵列，封装于标准 外壳中，即发光二极管显示器（LED 显示器）。以七段LED显示器最为常 用。引线有共阳极与共阴极两种结构 如图。
a b c d e f g dp
COM 共阳极
a b c d e f g dp
COM 共阴极
史密斯触 发器的输出
人机接口设计分析实验报告
人机接口设计分析实验报告1. 引言人机接口设计是将人与机器之间的交互过程优化和改善的关键环节。
本实验旨在通过对既定的人机接口进行分析比较，了解不同设计的优劣势，以期为未来的人机接口设计提供参考和指导。
2. 实验过程2.1 实验设备本次实验使用的实验设备包括一台电脑和两个键盘鼠标组合。
其中，键盘鼠标组合A为常见的传统设计，键盘鼠标组合B为采用了人体工学原理设计的新型设备。
2.2 实验步骤实验分为两个阶段进行，每个阶段分别测试使用键盘和鼠标进行文字输入和屏幕点击操作的效果。
- 阶段一：使用键盘进行文字输入1. 使用键盘鼠标组合A，在规定时间内，尽可能快速而准确地输入一段文字。
2. 记录需要的时间和错误率。
3. 重复步骤1和2，使用键盘鼠标组合B进行测试。
- 阶段二：使用鼠标进行屏幕点击操作1. 使用键盘鼠标组合A，在规定时间内，完成规定数量的屏幕点击操作。
2. 记录需要的时间和错误率。
3. 重复步骤1和2，使用键盘鼠标组合B进行测试。
2.3 实验结果根据实验步骤中记录的数据，统计和分析实验结果，得出以下结论：1. 阶段一的结果显示，键盘鼠标组合B相比于组合A，文字输入效率更高且错误率更低。
这可能与组合B采用了人体工学原理设计，使得按键更加平滑，操作者的手指在按下按键时不易产生错误。
2. 阶段二的结果显示，键盘鼠标组合B相比于组合A，屏幕点击操作更加稳定且反应更快。
这可能与组合B鼠标的形状和按键的设计更加符合人体工程学原理，使得使用者更容易准确点击屏幕上的目标。
3. 分析和讨论通过对实验结果的分析和讨论，得出以下结论：1. 人体工学原理对人机接口设计具有重要影响。
组合B采用了人体工学原理设计，因此在实验中表现出更好的效果。
传统设计的组合A在一定程度上限制了使用者的操作效率和准确性。
2. 人机接口设计应充分考虑人的生理和心理特点。
组合B在形状、按键、鼠标灵敏度等方面进行了优化，从而提高了使用者的操作体验。
机电一体化 第4章 接口设计概述
4.3.1 输入接口 在机电一体化系统中，常见的输入设备有控 制开关，按键，键盘等，它们共同的特点就 是在CPU允许输入接口进行数据输入的时候， 将外设的数据传送到数据总线上。
1、简单开关输入接口设计
输入 波形 输 入 口
R:上拉电阻 OFF:高电平 ON: 低电平
简单的开关输入电路
开关：OFF 开关：ON
4.2.1 ISA总线与EISA总线 （1）ISA（industrial standard architecture）总线标 准是IBM 公司1984年为推出PC/AT机而建立的系统 总线标准，所以也叫AT总线。它是对XT总线的扩 展，以适应8/16位数据总线要求。 ISA总线采用独立于CPU的总线时钟，因此CPU可 采用比总线频率更高的时钟，有利于CPU性能的提 高。但ISA总线没有支持总线仲裁的硬件逻辑，因 此不支持多台主设备系统，且ISA上的所有数据的 传送必须通过CPU或DMA接口来管理，因此使CPU 花费了大量时间来控制与外部设备交换数据。ISA 总线时钟频率为8MHz，最大传输率为16MB/s。
CPU
Cache
RAM VESA总线 RAM
传统总线控制器
高速设备
传统总线（ISA、EISA、MCA、...）
设备
...
设备
VESA总线系统结构
4.2.3 PCI总线 PCI(peripheral component interconnect)总线是当 前最流行的总线之一。 与CPU时钟频率无关，自身采用33MHz的时钟频 率，定义了32位数据总线，且可扩展为64位，数据 传输率达132～246MB/s。 PCI总线主板插槽的体积比原ISA总线插槽还小， 其功能比VESA、ISA有极大的改善，支持突发读写 操作，最大传输速率为132MB/s，可同时支持多组 外围设备。 PCI控制器有多级缓冲，可把一批数据快速写入缓 冲器中。在这些数据不断写入PCI设备过程中；CPU 可以执行其他操作，即PCI总线上的外设与CPU可以 并行工作。
机电一体化人机接口类型及特点
机电一体化人机接口类型及特点人机接口：操与机电系统(主要是掌握微机)之间进行信息交换的接口。
人机接口分类：
根据信息的传递方向，可以分作两大类：输入接口与输出接口。
人机接口作用：
（１）通过输出接口向操显示系统的各种状态、运行参数及结果等信息；
（２）通过输入接口向机电系统输入各种掌握命令，干预系统的运行状态，以实现所要求完成的任务。
常用的输入设备有：掌握开关、BCD二—十进制码拨盘、键盘等；
常用的输出设备有：状态指示灯、发光二极管显示器、液晶显示器、微型打印机、阴极射线管显示器等，扬声器
设计人机接口时的要求：
1．专用性
人机接口的设计方案要依据产品的要求而定，来完成产品特定的功能。
例如：对于一些简洁的二值性的掌握参数，可以考虑采纳掌握开关；对于一些少量的数值型参数的输入可以考虑使用BCD码拨盘；而当系统要求输入的掌握命令和参数比较多时，则应考虑使用行列式键盘等等。
2．低速性
在进行人机接口设计时，要考虑掌握微机与接口设备间的速度匹配，提高掌握微机的工作效率。
3．高性能价格比
在进行人机接口设计时，在满意功能要求前提下，输入、输出设备配置以小型、微型、廉价型为原则。
机电一体化第4章 控制系统及接口设计(4.9显示器和键盘)
5
控制系统及接口设计-接口技术
2．LED动态显示方式 静态LED显示法有着显示亮度大，软件较为简单的优点， 但硬件上使用芯片多，每个LED显示器需要一个驱动电路。 动态扫描是指采用分时的方法，轮流控制各个显示器 的COM端，使各个显示器轮流点亮。基本做法在于分时 轮流选通数码管的公共端，使得各数码管轮流导通，在选 通相应LED后，即在显示字段上得到显示字形码。这种方 式不但能提高数码管的发光效率，而且由于各个数码管的 字段线是并联使用的，从而大大简化了硬件线路。 在轮流点亮扫描过程中，每位显示器的点亮时间是极 为短暂的（约1ms），但由于人的视觉暂留现象及发光 二极管的余辉效应，尽管实际上各位显示器并非同时点亮， 但只要扫描的速度足够快，给人的印象就是一组稳定的显 示数据，不会有闪烁感。
5
控制系统及接口设计-接口技术
4、键盘工作方式
（1）键盘中有无键按下是由列线送入全扫描字，读入行线状态来判别的。 其方法是：PA口输出00H，即所有列线置成低电平，然后将行线电平状态 读入累加器A中。如果有键按下，总会有一根行线电平被拉至低电平，从 而使行输入状态不全为“1”。 （2）通常在键数较少时，可用硬件方法消除键抖动。RS触发器为常用的 硬件去抖电路。单片机系统中常用软件延时法。 （3）键盘中哪一个键按下是由列线逐列置低电平后，检查行输入状态， 称为逐列扫描。为求取键码，在逐列扫描时，可用计数器记录下当前扫描 列的列号，然后用行线值为“0”的行首键码加列号的办法计算。 （4）键闭合一次仅进行一次功能操作。
5
控制系统及接口设计-接口技术
8155扩展I/O口组成的行列式键盘图
5
控制系统及接口设计-接口技术
开 始
有键按下否 N 调用6 ms延时子程序
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按钮为增量按钮,每按下一次,拨码盘
正相旋转1/10周,拨位数码指示器显示
的数值加1,连续按十次,数据将被还原;
下面的拨码按钮为减量按钮,每按下一
次,拨码盘反相旋转1/10周,拨位数码指
示器显示的数值减1。接线端向外引出
标有8、4、2、1、A的五个引脚。在实
际应用中,BCD拨码盘可以直接插入
BCD拨码盘插座中使用,也可以采取
胡永旭
1
了解人机接口的类型及特点 掌握输入接口的几种典型类型
及设计方法
掌握输出接口的几种典型类型
及设计方法
2
一．人机接口类型及特点
人机接口是操作者与机电系统（主要是控制）之间进行信息 交换的接口。 按照信息传递的方式分为两大类：
通过输入接口向系统输入各种控制命令和参数，对 系统进行控制。
通过输出接口向操作者反映系统的各个状态和参数以 及结果等信息。
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③ 点阵式LED显示器及接口设计
74LS06 P1.0 1
…
P1.6 1
8031
P3.0 1 P3.4 1
…
75452 75452
点阵式LED显示器接口电路
+5V
如图8031的P1口接行线，P3口接 列线。点阵式LED显示器的扫描 方式有：行扫描和列扫描。 列扫描：由列线控制口输出列选 通信息，每次扫描只有一列信号 有效，由P1口输出该列显示信息 行扫描：由行线控制口输出选通 信号，每次只有一行被选中，由 P3口输出相应列显示信息。
3
常用输入设备
控制开关
拨码码盘
键盘
5
① 专用性
人机接口的设计方案要根据产品的要求而定。对 二值性的控制参数，可采用控制开关；对一些少 量的数值参数可使用拨码码盘；当系统要求输入 控制命令和参数较多时，可使用行列式键盘。
② 低速性 与控制微机的工作速度相比，大多数人机接口设
备的工作速度是很低的，在进行人机接口设计时
三位静态显示接口
静态显示，就是当显示器显示某一个字时，相应的发光二极管恒定的导通和 截至。这种显示方式的每一位都需要一个8位输出口控制。当显示位数很少( 仅一、二位）时，采用静态显示方式是合适的。
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…
…
b. 动态工作方式接口电路 7407
PB0 1
PB7 1 8155
75452
PA5 1 PA0 1
20
③ LCD（ Liquid Crystal Display ）液晶显示器：LCD 的构造是在
两片平行的玻璃当中放置液态的晶体，两片玻璃中间有许多垂直和水平 的细小电线，透过通电与否来控制杆状水晶分子改变方向，将光线折射 出来产生画面 。
④ 打印机接口设计:打印机是机电产品中常用的一种硬拷贝输出设备， 尤其是微型打印机，以其体积小、价格低、接口简单被广泛使用。
从5个引脚上分别焊接引线的方式使用.
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位置
8
4
2
1
0
0
0
0
0
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1
2
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l
4
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0
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1
1
l
8
1
0
0
0
9
1
0
0
1
BCD拨码盘的接线端是当前拨码盘位置的反映,拨码盘数码显示的数值直接
影响8、4、2、1四个引脚与公共引脚A的导通状态,例如,当前拨码盘拨位数
码指示器的显示数据为7时,上图中的4、2、1引脚均与A导通,8引脚与A不导
，要考虑速度匹配问题。
③ 高性能 性价格 比
由于机电的结合，大大强化了机械系统的功 能，使整个机电系统具有高性能的价格比。 所以在人机接口设计时，输入/输出设备也应 以小型、微型、廉价为原则。
6
二．输入接口设计
I. 开关输入接口设计
左图为一简单开关输入电 路，通过对A点电位进行检测， 从而判断开关的状态。上拉 电阻R的阻值越小，当开关处 于断开状态（OFF）时，被传 输的高电平值越高，但是当 开关处于闭合状态（ON)时， 流过开关触电的电流就越大。 因此当采用这种电路时，上 拉电阻的阻值应在全面考虑 开关的触电电流和整个电路 的功耗电流后再确定。
进行实际接口设计时可以采用以下
开关：ON
发生抖动的时 间在10ms以下
两种方法去抖：
OFF
① 软件去抖 ，通过程序对输入 积分电路
ON
的开关信号进行处理，在检测到
积分后
开关状态后，延时一段时间以进 行检测，若两次检测到的开关状 史密斯
的输出
态相同则认为有效，否则按抖动 触发器
处理。
② 硬件去抖，采用如右图所示 的去抖电路。
P1.5
P1.4
8031 P1.0
0
P1.1 1
2
P1.2
3
P1.3
48C 59D 6 AE 7BF
+5V
上图示出了8031通过P1口与一个4×4键盘的接口电路，其中P1.7~P1.4作扫 描线，P1.3~P1.0作输出线。
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③ 键输入程序设计方法
bP线 P线 若ac号闭的起.11d一释..送输不...73后合闭的次放判~~出出全判 法 部 的去PP使延则合。处后断11高为为断为送状除控时认是..理再40闭电““送的键在“态键制1为由处合，0平01出状0盘扫，的微有于m””理”键方的，，，低态s上描若机机效机,。的再法则这相然电，有线全械对，械键次为有一应后平若无部P抖键否抖1号读等列键地读，全键为动.的则动7键待上闭顺~，取并为闭“，一认 或P盘闭合没序方1P从 “合1方干为次.”1，4合。有读法，其1.，法上扰前闭3”若键键状~入为，则他其为全合所述P此态闭依1则无列方读引键仅.0键为合次列取做；从键 低电平键的闭键合的，行若号不加全上为其“所1”在，列则的有列 首号即键为闭该合键。键号。
; P1.7=0
; 千位值送（30H）.4~7 ; P1.6=0 ; 百位值送（30H). 0~3 ; P1.5=0
; 十位值送（31H）.4~7 ; P1.4=0 ; 个位值送（31H）.0~3
13
III. 键盘输入接口设计
① 矩阵式键盘工作原理
Y0 Y1 Y2 Y3 +5V
X0 0
48 C
X1 1
12
若希望将4位十进制数读入，并以压缩BCD码格式存入8031内部RAM 30H、31H中，则相应程序可设计如下：
MOV MOV MOV SWAP MOV MOV MOV XCHD INC MOV MOV SWAP MOV MOV MOV XCHD RET
R0 , #30H P1 , #7FH A , P1 A @R0 , A P1 , #0BFH A , P1 A , @R0 R0 P1 , #0DFH A , P1 A @R0 , A P1 , #0EFH A , P1 A , @R0
输入
波形
输A 入 口
R：上拉电阻
OFF：高电平 ON： 低电平
简单的开关输入电路
当开关电路使用带机械触电的开关 时，在开关进行开、闭的瞬间，由
开关：OFF
于开关簧片的反弹会导致输出信号 开关：ON
的抖动，即开关的触电在开、闭操 作的瞬间，因机械振动会导致输出 开关：OFF
信号产生不规则的波动，由于开关 的抖动使输入微机的信号变成如右 图所示的波形。
f
d
g
b
e
6
e
f
d
c
7 g
dp
8
dp
将发光二极管组成阵列，封装于标准 外壳中，即发光二极管显示器（LED 显示器）。以七段LED显示器最为常 用。引线有共阳极与共阴极两种结构 如图。
a b c d e f g dp
COM 共阳极
a b c d e f g dp
COM 共阴极
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② 七段LED显示器接口电路设计 a. 静态工作方式的接口电路 8255 PC0···PC7 PB0···PB7 PA0···PA7
8155扩展6位动态LED显示器的接口电路
+5V 当显示器工作时，单 片机通过8155的PA口 送扫描数据，其中只 有一位为高电平，经 75452后，只有一位 LED显示器的公共端 为低电平。同时，显 示位对应的数据通过 PB口送出。因此，只 有公共端为低的LED 显示器有显示，依次 改变PA口中为高电平 的位，则6位LED显示 器就顺序显示。当扫 描频率足够高时，由 于人眼的视觉暂留效 应，6位显示器便得到 连续稳定的显示。
59D
2
X2
3
X3
6 AE 7BF
键盘结构如上图，通常将行线通过上拉电阻接至+5V电源。当无键按下 时，行线与列线断开，行线呈高电平。当键盘上某键按下时，则该键对 应的行线与列线被短路。例如，7号键被按下闭合时，行线X3与列线Y1 被短路，此时X3的电平由Y1电位决定。
14
② 键盘接口方法
P1.7 P1.6
⑤ CRT显示器接口：CRT(阴极摄像管显示器)可以实现复杂的文字 图像的显示，但驱动接口设计相对复杂。
⑥ 扬声器接口设计：在机电系统的人机接口设计中，常用扬声器或 蜂鸣器产生声音信号，以提示系统状态。蜂鸣器为一个双端子器件， 只要在两级间加上适当的电压，即可发声，但蜂鸣器音量较小，在噪 声较大的环境通常采用扬声器作声音输出，扬声器要求以音频信号驱 动。
单片BCD拨盘与8031的接口电路
11
b. 动态接口方法
P1.0
&