第10章基本人机交互设备的接口(键盘、LED)

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微型计算机接口技术
第10章基本人机交互设备的接口
河南科技大学信工学院自动化系卜文绍

? 人机交互设备指在人和计算机之间建立联系、交换信息的输入/出设备。 ? 随着计算机应用领域扩大，除常规键盘、显示器、打印机外，涌现了许多新型人机交互设备。为计算机普及和推广应用提供了条件。 ? 本章主要介绍几种常规人机交互设备的接口方法。

10.1 键盘接口
一、键盘的类型
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键盘: 是微型计算机系统中最基本的人机对话输入设备。按键有机械式、电容式、导电橡胶式、薄膜式等多种。但不管何种形式，其作用都是一个“使电路接通与断开的开关”。键盘结构形式（两种）：线性键盘、矩阵键盘。线性键盘：多少键对应有多少根连线连接微机输入接口；在某些微机化仪表中有所应用。矩阵键盘：需要的接口线书是行数(n)+列数(m)，容许最大按键数n×m；常用键盘结构。
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根据矩阵键盘的识键和译键方法的不同，可分为非线性键盘、编码键盘两种。键盘本身具有自动检测被按下的键，并完成去抖动、防串键等功能，而且能提供与被按键功能对应的键码（如ASCII码）送往CPU。电路复杂、价格高，但接口简单。
1、编码键盘：
2、非编码键盘：键盘只简单地提供按键开关的行列矩阵。按键的识别、键码的确定与输入、去抖动等工作都由接口电路和程序完成。本身结构简单、成本低，微机系统中多采用。

二、键盘接口的功能
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键盘接口必须具有去抖动、防串键、按键识别和键码产生4个基本功能。
① 去抖动：
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每个按键在按下或松开时，都会产生短时间的抖动。抖动的持续时间与键的质量相关，一般为5~20ms。所谓“去抖动”：是指在键被按下或释放时，必须避开抖动状态，只有处在稳定接通或断开状态才能保证识别正确。去抖动问题，可通过软件延时或硬件电路解决。
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② 防串键：解决多键同时按下或前一按键未释放又有新下
时产生的问题。 ? ? 双键锁定。当检测到有多个键被按下时，把最后释放的键当作有效键，并产生相应键码。 N键轮回。当检测到有多个键被按下时，根据发现它们的顺序依次产生相应键的键码。行扫描法。由程序对键盘进行逐行扫描，通过检测到的列输出状态来确定闭合键。线反转法。通过行列颠倒两次扫描来识别闭合键。需提供两个可编程双向输入/输出端口。
③ 按键识别：
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④ 键码产生：一般在内存区中键立一个键盘编码表，通过
查表获得按键的键码。

三、键盘的结构与工作原理
1、线性键盘的结构与工作原理
? ? ? ? 由若干独立键构成，每键的一端接地，另一端与接口数据线直接相连。无键按下时：所有数据线为高电平（全1，0FFH）；当任一键按下时，对应数据线的电平变成低电平（0）。数据线与并行接口芯片（82C55A）相连，即完成硬件连接。接口程序不复杂：1）判断是否有键按下，通过查询接口输入数据是否为全1。若全1，无键按下；若不是全1，则有键按下。2）确定是那个键按下。根据哪个数据为是0，即可判定。

三、键盘的结构与工作原理
2、矩阵键盘的结构与工作原理 ? 矩阵键盘拍成n行m列，并且在行线或列线上通过电阻接高电平。按键的行线与列线交叉点不连接，可通过按键来接通。图为4×4键盘。 ? 通过逐行扫描（行扫描）或逐列扫描（列扫描）的方式，确定是否要键按下、识别哪个键被按下。 ? 图中：PA0~PA3与键盘的列线连接；PB0～PB3与键盘的行线连接，并且4条扫描线都通过电阻接高电平。

三、键盘的结构与工作原理
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按键检测方法：
① 判别是否有键按下：检测有无键按下。从PA0~PA3输出4位0，使 0～3列都为0，读入行线PB0～PB3 的值。若 PB0～PB3全1，说明没有键按下；若非全1，说明功能有键按下。 ② 如果没有键按下，则返回步骤①，等待按键。 ③ 如果有键按下，则寻找是哪个键。为此，进行逐列扫描，找出按键在矩阵中的位置，称为行列号或键号。 ? 先从0列开始，使PA0=0，PA1～PA3为1，检测PB0～PB3电平：若 PB0=0，表示S1键按下；
? 同理，若PB1～PB3分别为 0，对应S5、S9、S13键按下。若PB0～PB3都为1，说明该列无键按下；再对第2二列扫描。直至找出被按键。

四、非编码键盘接口设计
举例：非编码键盘接口设计
1）要求：设计一个小型3×4矩阵非编码键盘的接口电路。 2）分析：因按键少，采用1片82C55A作为接口芯片。同时，考虑是非编码键盘，操作过程对键盘的识键、译键采用软件扫面法。 3）硬件设计：以82C55A并行接口芯片作为微机与键盘的接口，采用 “逐行扫描”，把行线与微机输出口相连；列线与微机输入口相连。定义PA口为输出口，PB口为输入口。 ? 接口硬件如图10.4所示。
PA0 PA1 8255A PA2 PB0 PB1 PB2 PB3 图10.4 非编码键盘接口 0列 3列
+5v
行0 行1 行2
CPU
PA 11111 110 11111 101 11111 011 11111110
PB

4）软件设计：
采用软件扫描的方法实现识键和译键，扫描的步骤如下。 ① 判别是否有键按下。其方法是：输出扫描码，使PA0～PA2 输出行线全为0；然后读入PB0~PB3列线状态，检查是否有列线为0。若有，则表明有键按下(有行线和列线接通)。 ② 去抖动：延时10～20ms左右，待通/断引起的抖动消失后，再读PB口，若还有键闭合，则认为按键已稳定。 ③ 被按键识别：从第0行开始，输出0，顺序逐行扫描。每扫描一行，读入列线值，从第0列开始，逐列检测是否为0。若某列为0，则该列有键按下；若为1，该列无键按下。这样，按顺序扫描每一行并检查其列值，直到找到某些线为 0，则该列与扫描行交叉点的按键就是被按下的键。其行、列值的编号，即为“键号”。 ④ 产生键码：根据扫描得到的“键号”，转去执行该键的相应子程序。 ——也可以按列扫描，道理类似。

? 设8255A的PA口地址为300H，PB口地址为301H，控制寄存器地址为303H。 ? 非编码键盘按行扫描查找按键的汇编程序段：；8255A初始化
MOV DX, 303H MOV AL, 82H OUT DX, AL ；方式0，A口输出，B口输入
；检查是否有键按下
BEGIN： MOV DX, 300H MOV AL, 00h OUT DX, AL WAIT`：MOV DX, 301H IN AL, DX AND AL, 0FH CMP AL, 0FH JZ WAIT1 ;屏蔽无关位 ;比较列线是否为0 ;无0, 则等待按键 ;读列数据 ;使各行扫描线为0

；延时去抖动
MOV CX, 7FFH L0：LOOP L0
；识别被按下的键
ST：MOV BL, 03H MOV BH, 04H MOV AL, 0FEH MOV CL, 0FH MOV CH, 0FFH L1: MOV DX, 300H OUT DX, AL ROL AL MOV AH, AL MOV DX, 301H IN AL, DX ; 扫描一行 ; 修改行扫描码，指向下一行 ;修改扫描码并送AH保存 ;读入列线值 ; 行数送BL ; 列数送BH ;设起始扫描码为0FEH（0行开始，为0） ; 设列线屏蔽码为0FH（只检测低4位） ; 置键号初值为0FFH （-1的补码）

AND AL, CL CMP AL, CL JNZ L2 ADD CH, BH MOV AL, AH DEC BL JNZ L1 JMP BEGIN L2: INC CH RCR AL JC L2 MOV AL, CH JMP KeyTable
; 屏蔽无关位 ; 检查是否有列填线为0 ;有, 则转去找为0的列线 ;无，则修改键号，指向该行末列键号 ;取回扫描码 ;行数减1 ;未完成转下一行 ;重新开始 ;该列非0，键号加1，指向本行首列键号 ;右移1位，检测一列 ;该列非0，检查下一列 ;该列为0，键号送AL ;转查找键盘编码表子程序，获取与键功能 ; 对应的键码，或转相应的子程序。

10.2 LED数码显示器接口
? 显示器是人机交互的输出设备。 ? 显示器门类很多，性能各异。如CRT显示器、LCD显示器、 LED显示器、触摸屏等。 ? 本节仅讨论适应于小型微机应用系统的LED显示器接口。
一、LED显示器的结构与原理
? 显示器是人机交互的输出设备。 ? 显示器门类很多，性能各异。如CRT显示器、LCD显示器、 LED显示器、触摸屏等。 ? 本节仅讨论适应于小型微机应用系统的LED显示器接口。

7段数码显示器是将多个LED管组成一个字形的显示器，有共阴极和共阳极两种结构。 ? 共阴极：阳极加高电平点亮，加低电平熄灭。 ? 共阳极：阴极加低电平点亮，加高电平熄灭。限流电阻，把流经LED管的电流限制在10～20mA。
二、LED显示器的字形码
7段数码显示器，实际是8段（另一段显示小数点）；构成段选的8位数据，可与微机并对应。图10.6：LED显示器段选数据格式。

为了达到显示某一字形的目的，需要用不同的段进行组合，以便点亮所需的段。表达这种不同的段进行组合的数据，称为字形码或段码。

三、LED显示器的字形码
LED显示器有静态显示、动态显示。静态显示：显示某字符时，构成这个字符的发光二极管总是处在点亮
状态，功耗大；且由于每个字符需要一个固定的锁存器，占用的硬件资源多。
动态显示：是用扫描的方法，使多位显示器逐位轮流显示。把每个显
示器的8根段线并联在一起；设置两个端口，一个用于发送“位控”信号，控制显示哪一位字符；另一个用于发送“段控”信号，显示字形。
扫描过程：
? ? ?
先从“段控”端口发字形码（给每个显示器的段线上，但不点亮）；再从“位控”端口发出一个控制信号，指定哪一位的显示器显示，该位显示器点亮，待持续一段时间后熄灭；各位字符轮流显示。动态显示有软件程序控制扫描、硬件定时扫描两种。实用中，LED显示器大都采用硬件实现动态扫描。

10.3 可编程键盘/LED接口芯片82C79A
82C79A兼有键盘输入接口、字符显示输出接口，两种用途。
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作输入接口时：有扫描键盘、扫描传感矩阵、选通输入三种方式。扫描键盘输入方式中，键盘可设置64（8×8）个键，经扩充科大128（8×8×2）个键，具有自动去抖动功能。作输出接口时：有168位显示存储器RAM存储字形码，可接16个8段数码显示器或8个8段数码显示器。也可接普通的指示灯。
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10.3 可编程键盘/LED接口芯片82C79A
1、外部特性
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40脚双列直插式芯片。引脚功能及信号分类图：与CPU一侧相关的共15条；与键盘、显示接口相关的共23条；电源、地各一条。
IRQ D0~D7 RL0~RL7 SHIFT CNTL/STB CPU RD WR CS A0 CLK RESET +5V GND 键盘
8279
SL0~SL3 OUTA0~3 OUTB0~3 BD 显示器

第九章显示器及键盘接口

第十章显示器及键盘接口 §10.1 显示器接口一.LED原理简述 LED显示块是用发光二极管显示字段，单片机应用系统常用的是七段LED，如下图，它有其阴极和共阳极两种： a c e f g 共阴极共阳极例如，要显示‘0’字符，对于共阴极管应输出段码： h g f e d c b a a 0 0 1 1 1 1 1 1 3 F H f b g e c 对于共阳极管则应输出段码： d h. h g f e d c b a 1 1 0 0 0 0 0 0 C 0 H

共阳极管和共阴极管的段码是互为补码的。二.动态显示的七段LED基本用法： 1.动态显示的七段LED与单片机的硬件接口扩展显示器接口实质是输出口的扩展，例如设计一个6位的数码管显示系统，它需要扩充两个8位输出口，一个输出8段码，一个输出位选码。如下图：由图可知，要显示哪个字符，该字符的段码从1#377输出，要使1#377输出只要A0 = 0即可，因此1#377的地址为FEH。该段码输出到6个数码管上是相同的，要哪个管亮，必须使该管的相应段二极管导通，则由2#377输出的位码控制，对应哪个管为0，则该管可以亮。要使2#377输出只要A1 = 0，2#377的地址为FDH。

在软件设计上将6个LED管轮流点亮，每管延时约1Ms，利用人的视觉残留，则可以看成持续点亮。 2.动态显示的软件设计：要点：①代码转换：直接驱动7段LED发光的是段码，而我们习惯的是字符0、1、2、…F等，因此软件中必须将待显示的字符转换成段码。 ②每次只能输出同样的段码，因此要使某管亮，必须用软件保证逐位轮流点亮并适当延时，给人的眼睛产生持续发光的效果。程序中使用的显示缓冲区示意图：显示缓冲区共6个单元，自左至右一一对应6个数码管，其中存放待显示字符在段码表中的查表偏移量。程序如下：

人机交互

人机交互技术是指通过计算机输入、输出设备，以有效的方式实现人与计算机对话、交换信息的技术。人们可以借助键盘、鼠标、操作杆、位置跟踪器、数据手套等设备，用手、脚、声音、姿态和身体的动作、视线甚至脑电波等向计算机传递信息；计算机通过打印机，绘图仪、头盔式显示器、音频等输出设备或显示设备给人提供信息。目前，人机交互技术正处于多通道、多媒体的智能人机交互阶段，已经取得了不少研究成果，不少产品已经问世。侧重多媒体技术的有:触摸式显示屏实现的“桌面”计算机，能够随意折叠的柔性显示屏制造的电子书，从电影院搬进客厅指日可待的3D显示器，使用红绿蓝光激光二极管的视网膜成像显示器；侧重多通道技术的有：“汉王笔”手写汉字识别系统，结合在微软的Tablet PC 操作系统中数字墨水技术，广泛应用于Office/XP的中文版等办公、应用软件中的IBM/Via Voice连续中文语音识别系统，输入设备为摄像机、图像采集卡的手势识别技术，以IPHONE手机为代表的可支持更复杂的姿势识别的多触点式触摸屏技术，以及IPHONE中基于传感器的捕捉用户意图的隐式输入技术。人机交互技术领域热点技术的应用潜力已经开始展现，比如智能手机配备的地理空间跟踪技术，应用于可穿戴式计算机、隐身技术、浸入式游戏等的动作识别技术，应用于虚拟现实、遥控机器人及远程医疗等的触觉交互技术，应用于呼叫路由、家庭自动化及语音拨号等场合的语音识别技术，对于有语言障碍的人士的无声语音识别，应用于广告、网站、产品目录、杂志效用测试的眼动跟踪技术，针对有语言和行动障碍人开发的“意念轮椅”采用的基于脑电波的人机界面技术等。热点技术的应用开发是机遇也是挑战，基于视觉的手势识别率低，实时性差，需要研究各种算法来改善识别的精度和速度，眼睛虹膜、掌纹、笔迹、步态、语音、唇读、人脸、DNA等人类特征的研发应用也正受到关注，自然语言理解虽然目前在语言模型、语料库等方面有进展外，仍将是人机交互的重要目标，多通道的整合也是人机交互的热点，另外，与“无所不在的计算”、“云计算”等相关技术的融合与促进也需要继续探索。人机交互技术与计算机始终相伴发展，CPU、GPU的运算能力日趋强大，网络和通信技术的快速发展，显示技术的重大突破都将为人机交互提供新的起点与高度。也许有一天，你的房间的墙壁和窗户都是基于PLED技术的巨型显示器，无需遥控器和控制器，游戏机或电视机就能“感应”到你目光的变化、捕捉到你的手势和动作、听懂你语音的命令，用你的头、手、足、躯干就可以控制游戏中

人机交互基础教程知识点总结与归纳

人机交互各章知识点第1章 1. 人机交互的概念，所涉及的学科及关系。答：人机交互（Human-Computer Interaction，HCI）是关于设计、评价和实现供人们使用的交互式计算机系统，并围绕相关的主要现象进行研究的科学。人机交互技术与认知心理学、人机工程学、多媒体技术和虚拟实现技术密切相关。其中，认知心理学与人机工程学是人机交互技术的理论基础，而多媒体技术、虚拟实现技术与人机交互技术是相互交叉和渗透的。 2. 人机交互研究的内容。答：人机交互的研究内容有人机交互界面表示模型与设计方法、可行性分析与评估、多通道交互技术、认知与智能用户界面、群件、Web设计、移动界面设计。 3. 人机交互经历的三个阶段答：命令行界面交互阶段、图形用户界面交互阶段、自然和谐的人机交互阶段 4. 发展趋势答：集成化、网络化、智能化、标准化 5. 狭义的讲人机交互技术答：人机交互技术主要是研究人与计算机之间的信息交换，主要包括人到计算机和计算机到人的信息交换两部分。第2章 1. 人的主要的感知方式答：视觉、听觉、触觉 2. 人的常见认知过程答：1、感知和识别 2、注意 3、记忆 4、问题解决5、语言处理交互原则：许多认知过程是相互依赖的，一个活动可同时涉及多个不同的过程，只涉及一个过程的情况非常罕见。 3. 人机系统设计步骤答：（1）需求分析阶段（2）调查研究阶段（3）系统分析规划阶段（4）系统设计阶段（5）测试阶段（6）人机系统的生产制造及提交使用阶段 4. 人机工程学的定义答：人机工程学是研究“人-机-环境”系统中人、机、环境三大要素之间的关系，为解决系统中的人的效能、健康问题提供理论与方法的科学。第3章 1. 交互设备的的分类输入设备 { 文本输入设备：键盘、手写输入设备（手写板）图形输入设备：二维扫描仪、数码摄像头三维信息输入设备：三维扫描仪、动作捕捉设备指点输入设备：鼠标、光笔、控制杆板、触摸屏