人机交互输出设备的工作原理与接口设计

人机交互输出设备是操作者对机电系统进行监测的窗口，可以用它显示系统的运行状态、关键参数、运行结果及故障报警等。下面将介绍发光二极管显示器（LED）以及扬声器的接口设计。

（1）发光二极管显示器（LED）原理及接口设计

图7-11 发光二极管的实际接口电路

1）发光二极管的接口方法

发光二极管具有体积小、亮度高、寿命长、价格低、接口电路简单可靠等优点。图7-11是二个发光二极管的实际接口电路。从电路图可知二极管发光时处在正向导通状态，正常发光时二极管上的正向电压降在1.5～2.5V之间，电流在5～15mA之间。图中的R₁、R₃是限流电阻。选用驱动发光二极管的元件时应考虑到元件的负载能力，若用三极管驱动，一般都可以满足要求。74LS273低电平时的最大输出电流是8mA，若取二极管的压降为1.5V，74LS273饱和时的压降为0.4V，则限流电阻R₁的阻值为：

2）八段LED的结构及与I/O的接口电路

图7-12是八段LED的结构图。从图中可以看出，它由八个发光二极管组成，七个发光二极管成“8”字笔划形状，七个笔划分别称为a、b、c、d、e、f、g，一个发光二极管成小数点形状，名字是h，合起来叫做八段LED。有的器件没有小数点，称为七段LED。

从图7-12可以看出八个二极管成共阳极结构或成共阴极结构。八个二极管经八个限流电阻接到I/O接口上。图中以8255的端口PA为例，a、b、c、d、e、f、g、h依次接到端口P1的P1.0～P1.7上，这是在八段LED显示器接口设计中遵守的一般规律。图7-12d是接口电路的全图，图7-12d可以简化如图7-12e所示。

图7-12 八段LED显示器的结构图及与I/O口的接口电路

3）八段LED显示的段选码(www.xing528.com)

八段LED显示器可以显示十个阿拉伯数字，还可以显示A、B、C、D等字母，我们把这些数字和字母称作显示字符。以共阳极为例，当我们往端口送80H时，可以显示出“8”字，若直接送数字8是不会显示“8”字的，我们称80H是显示字符8的段选码，段选码和显示的字符对应关系见表7-7。

表7-7 段选码和显示字符对应关系

从表7-7可知，共阴极和共阳极显示器的段选码不一样，它们的段选码恰好互补。例如“8”字的两种段选码分别是7FH和80H，它们相加的和为00H。结合图7-15的LED接口电路和表7-7可知，要想显示某个字符，要先根据字符找到相应的段选码，这一过程称为“译码”。注意这个“译码”和74LS138译码器的译码有区别，可以用硬件完成译码功能，也可以用软件完成“译码”功能。

（2）LED数码管的显示方法

在微型计算机控制系统中，常用的显示方法有两种：一种为动态显示；另一种为静态显示。

动态显示，就是微型计算机定时地对显示器件扫描。在这种方法中，显示器件分时工作，每次只能有一个器件显示。但由于人的视觉有暂留现象，所以，只要扫描频率足够快，仍会感觉所有的器件都在显示，许多单片机的开发系统及仿真器上的6位显示器即采用这类显示方法。此种显示的优点是使用硬件少，因而价格低，线路简单。但该方法占用机时长，只要微型计算机不执行显示程序，就立刻停止显示。由此可见，这种显示方法将使计算机的开销增大，所以，在以工业控制为主的控制系统中应用较少。目前国内生产的许多单片机，包括一些开发系统及仿真器均采用动态显示。动态显示方法按单片机输出数据的方式有并行和串行两种接口方式。

静态显示，是由微型计算机一次输出显示模型后，就能保持该显示结果，直到下次发送新的显示模型为止。这种显示占用机时少，显示可靠，因而在工业过程控制中得到了广泛的应用。这种显示方法的缺点是使用元件多，且线路比较复杂。但是，随着大规模集成电路的发展，目前已经研制出具有多种功能的显示器件，例如锁存器、译码器、驱动器、显示器四位一体的显示器件，用起来比较方便，价格也越来越便宜。

（3）蜂鸣器接口设计

在机电系统的人机接口设计中，经常采用扬声器或蜂鸣器产生声音信号，以表示系统状态，如状态异常、工件加工结束等。

蜂鸣器为一个二端器件，只要在两极间加上适当直流电压，即可发声，它与控制微机的接口非常简单，如图7-13所示。软件设计也容易。图中74LS07为驱动器，当P1.0输出低电平时，蜂鸣器即发声；输出高电平时，停止发声。蜂鸣器音量较小，在噪声较大的环境中通常采用扬声器做声音输出，扬声器要求以音频信号驱动。