本系統(tǒng)設(shè)計按鍵時遇到以下情況：(1)產(chǎn)品外設(shè)較多，單片機I／O口比較少,，設(shè)計時需要考慮節(jié)省I／O口,。(2)現(xiàn)場情況所限，鍵盤與主機板要有一段距離。(3)鍵盤需要15個按鍵,，同時擴展一個復位按鍵,，共16個按鍵。根據(jù)以上的情況采用A／D鍵盤最為合適,。
考慮到系統(tǒng)顯示既要求有圖顯示又有字符顯示功能,，因此采用單片機控制LCD，使LCD的畫圖,、字符顯示等功能最大程度地利用,。
本系統(tǒng)設(shè)計的效果如圖1所示。
2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和原理
人機交互系統(tǒng)負責數(shù)據(jù)顯示及輸入,，通過RS485接口與主控模塊進行信息交換,，通過工業(yè)液晶顯示主控模塊傳送的電量參數(shù)信息，并通過鍵盤輸入設(shè)定系統(tǒng)工作模式,、參數(shù)門限,、通信協(xié)議。校正模擬量通道的各項電參數(shù)以及用圖形直觀表示一次圖及電壓參數(shù)的工作狀態(tài),，并在出現(xiàn)過流過壓等告警信息時發(fā)出報警聲,。系統(tǒng)能夠在有限成本的條件下很好地完成此多項功能。
顯示系統(tǒng)由硬件和軟件兩部分構(gòu)成,，如圖2和圖3所示,。
硬件部分以STC12C5A60S2單片機為核心，晶振和復位電路作為系統(tǒng)工作的必要設(shè)備,，從3×5矩陣鍵盤接收輸入命令,，同時通過RS485與主控模塊進行實時通訊。其中鍵盤通過單片機的A／D功能直接采集電壓判斷來實現(xiàn),。
軟件部分可分為底層驅(qū)動程序和上層控制兩部分,。底層驅(qū)動包括設(shè)置系統(tǒng)時鐘和系統(tǒng)模式，配置I／O口,、初始化串口打開ADC轉(zhuǎn)換功能,，初始化LCD控制器、中斷控制器等,。上層控制程序不斷查詢是否有按鍵按下,。若有按鍵按下，則執(zhí)行相應(yīng)的任務(wù),，LCD顯示相應(yīng)的內(nèi)容,；同時如果需要，通過RS485向主控模塊發(fā)出控制或請求數(shù)據(jù)等信息,。
3 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計
3．1 鍵盤電路
人機交互系統(tǒng)中輸入控制命令,，設(shè)置數(shù)值,，查詢電參數(shù)、歷史數(shù)據(jù),、告警信息等都肯定要使用鍵盤,。系統(tǒng)中設(shè)計采用的是3×5的鍵盤，外加一個復位按鍵組合成4×4格式安裝,，其中除了0～9這10個數(shù)字外,，還有確定鍵“Enter”、菜單鍵“Menu”,、上鍵“Up”,、下鍵“Down”、“靜音”鍵及復位鍵,。在端口KEY0,、KEY1、KEY2輸出線上接上拉電阻,，使端口能準確的置高,、置低。上拉電阻的另一端則連接在一起接5 V電源,。電路圖如圖4所示,。
圖為3x5鍵盤設(shè)計電路，KEY0,、KEY1,、KEY2連接至單片機具有A／D功能的I／O口，此時就可以通過A／D掃描讀取,，可以根據(jù)A／D值判斷有無按鍵按下或是那個按鍵按下,。根據(jù)上圖電阻值可以算出：無按鍵按下，A／D值為5 V,；SW1按下,，通過計算知A／D值為VCC×R1／(R1+R20)=0．16 V；SW4按下,，A／D值為VCC×R1／(R1+R20+R24)=0．733 V,；同理，SW7=1．559 V,；SW10=2．287 V；S5=2．875 V,；根據(jù)A／D采集值比較,，最接近哪個鍵值的范圍，則就是該按鍵,。
使用此方法需注意按鍵選用接觸性較好的按鍵,。按鍵差的使用時間一長，容易產(chǎn)生接觸電阻，按鍵多容易誤檢測,。
3．2 LCD顯示電路
系統(tǒng)采用北京青云公司生產(chǎn)的LCD3202401液晶控制器,，LCD3202401使用功能強大的RA8835作為控制器。此LCD有4位顯示數(shù)據(jù)線,，且傳輸數(shù)據(jù)迅速,；具有強大的作圖功能；支持文本顯示,、圖形顯示以及圖形和文本混合顯示,；具備簡捷的MPU接口和功能齊全的控制指令集。單片機與LCD的接口電路 如圖5所示,。
圖中LCD與單片機管腳連接處加1 kΩ的限流電阻,，可以有效防止單片機管腳電流過大造成LCD液晶屏損壞。由于單片機的頻率為22 MHz,，所以傳輸時肉眼看不到數(shù)據(jù)是一位一位傳輸?shù)?，從人類視覺的角度上看，就仿佛是全部字符或圖片同時顯示一樣,。
4 軟件設(shè)計
本謝十中,，主菜單和子菜單多達30多項，且要實時同步顯示,，從而增大了應(yīng)用層設(shè)計的難度,。因此程序采用模塊化結(jié)構(gòu)，主要包括主菜單頁面切換模塊,、按鍵掃描模塊,、選項管理控制模塊和數(shù)據(jù)輸入模塊。
4．1 主菜單頁面切換模塊
為按用戶要求切換操作界面,，定義了一個page_index映像寄存器,，其值在1～P之間變化，P為操作界面的個數(shù),。本系統(tǒng)中P的值為9,。主菜單界面，如圖6所示,。
如果page_index=1,，則LCD顯示器上顯示第1頁面；一次圖頁面如圖7所示,。為最大限度地使用系統(tǒng)的Flash,，其中的線條及方框均直接使用其繪圖功能實現(xiàn)。
如果page_index=2,，則LCD顯示器上顯示第2頁面,。用戶可按數(shù)字鍵控制page_index的值選擇對應(yīng)頁面,，實現(xiàn)人機交互。電參數(shù)頁面如圖8所示,。
4．2 按鍵掃描模塊
對15個操作按鍵進行掃描,，將結(jié)果保存在key映像寄存器中。該寄存器有個狀態(tài)標志位keyState,，如果其值為True,，則意味著對應(yīng)的按鍵按下；反之,，則松開,，程序運行時將按鍵讀取后清除標志位。如圖9為鍵盤模塊程序流程圖,。
4．3 選項管理控制模塊
若當前的操作界面屬于“選項界面”,，由于設(shè)置的參數(shù)較多，將選項頁面分為幾個頁面設(shè)置,，按下“Up”和“Down”鍵或直接按數(shù)字鍵,，可選擇對應(yīng)的頁面。如圖10為選項管理控制模塊流程圖,。
為了便于分析,，以設(shè)置頁面為例來說明。設(shè)置頁面共分為5頁來設(shè)置,，包括系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置頁面,、門限參數(shù)設(shè)置頁面、Modbus設(shè)置頁面,、以太網(wǎng)設(shè)置頁面及CAN設(shè)置頁面,，當從主菜單選擇設(shè)置進入設(shè)置頁面后，可按數(shù)字鍵或上下鍵選擇頁面,。比如按2鍵進人設(shè)置頁面中的門限設(shè)置,，如圖11所示。
此時按回車可對數(shù)值進入輸入設(shè)置,，圖中的2／5為當前的頁面提示,，2為第2頁，5為總頁數(shù),。
4．4 數(shù)據(jù)輸入模塊
若當前的操作頁面屬于“置數(shù)界面”,，使用數(shù)字鍵輸入滿足用戶要求的任何數(shù)值，例如圖11中的門限設(shè)置中的數(shù)值輸入,。數(shù)據(jù)輸入模塊的程序流程圖如圖12所示,。
利用上述模塊，只需少量的程序代碼就可以靈活地實現(xiàn)選項,、修改數(shù)據(jù)及切換操作界面等功能,。
5 結(jié)束語
本設(shè)計采用C語言編程，所選單片機為STC12CSA60S2,，盡管其程序存儲器只有60kB,，但卻實現(xiàn)了30多頁操作界面的顯示和切換，以及數(shù)據(jù)設(shè)定和查詢等人機交互功能,，同時還實現(xiàn)了監(jiān)控,，控制和通信功能。