人机交互接口电路设计论文

摘要：本设计是基于MCU的一款高效率键盘输入系统。通过对分立按键和普通二极管的合理布局，实现了一种利用N个双向I/O端口确定N2+N个键值的键盘电路设计。实验证明，该键盘电路结构简单、抗干扰能力强、稳定性好，具有很高的使用价值。下面是小编整理的《人机交互接口电路设计论文 (精选3篇)》的文章，希望能够很好的帮助到大家，谢谢大家对小编的支持和鼓励。

人机交互接口电路设计论文 篇1：

基于智能光电检测的电路设计

摘　要：光电检测作为一种新型检测技术，发展迅速，应用广泛，并朝着智能化方向发展。基于智能光电检测系统的分析，设计了光电检测电路，并对智能技术在光电检测电路中的相关环节进行了探讨。

关键词：光电检测　人机交互　电路设计

光电检测作为光学与电子学相结合而产生的一门新兴检测技术，主要包括光信息获取、光电变换、光信息测量以及测量信息的智能化处理等，具有精度高、速度快、距离远、容量大、非接触、寿命长、易于自动化和智能化等优点,在国民经济各行业中得到了迅猛的发展和广泛的应用，如光扫描、光跟踪测量，光纤测量，激光测量，红外测量，图像测量，微光、弱光测量等，是当前最主要和最具有潜力的光电信息技术。伴随着科学技术的发展，智能光电检测已成为光电检测技术的发展方向。

1 智能光电检测的基本原理

在基于光信息采集和光电转换的光纤光栅传感系统中，光电检测仪器起着关键作用，而要使光电检测仪器能够适应恶劣环境和检测出光纤光栅波长的微小位移，并将光信号转化为易于处理的电信号，就需要设计出光电检测电路。

本文设计的智能光电检测电路融合了机、光、电、计算机、人工智能等新技术，其检测系统的结构随被测对象的不同而不尽相同。一般智能电子检测系统由智能信号处理系统、光电传感系统、测控系统、输出系统和接口单元等组成。它以智能信号处理系统为核心，集成了光学采集、光学变换、光电转换、电路调理、外围接口及信息输出等技术，可以实现光信息采集、光电信号转换、信号探测、逻辑运算与推理、记忆存储及信息传输等功能，并自动完成自检自校和自我诊断与调整等功能。其系统结构与原理参见图1。

智能信号处理系统由微处理器和智能模块组成，其中，微处理器承担数据的处理、运算、存储、管理及信息传输等任务，是智能光电检测系统的核心，并决定其性能。微处理器通常由高性能的单片机或嵌入式微处理器组成，如 8 位的 51 系列单片机、16 位低功耗 MSP430系列单片机、DSP信息处理系统和ARM系统设计芯片等。智能模块实际上是一个智能程序，它集光电检测领域专家知识之大成，代替专家适时解决检测中出现的各种问题，通常由专家知识库、数据模块、逻辑运算与推理程序等组成。

光电传感器系统主要由光电检测元件组成，包括光源、光学通路和光电元件等组成，其功能是实现光学变换和光电转换与传输。目前，常用的光电检测元件有光敏电阻、光电倍增管、光电耦合器件、光电二极管、光电三极管、发光二极管(LED)等。

测控电路是对输入的光电传感器信号进行相应的处理，其主要功能是对信号进行放大、滤波、调制、解调、运算、控制、转换及环境检测等。

输出系统用于输出经过智能信号处理系统确认正确的传感器信息，供用户使用，包括信息存储和输出显示等。

外围接口包括人机交互接口和总线与网络接口，前者是用于外界对嵌入式智能光电检测系统进行的人机交互，如对数据的修改、添加、删除、维护等;后者指设备之间链接和网络间的通信，以方便信息传输和共享。

2 智能光电检测系统的电路设计

智能光电检测系统主要由光电转换电路、信号放大电路、滤波电路、外围环境检测电路、智能控制电路、外围接口电路等组成。其系统框架参见图2。

首先，将采集的光信息通过光电探测器转换成电信号;其次，针对信号转换过程中的信号弱和噪声大的问题进行信号放大和噪声滤除，并对外围环境信号适时检测。光电转换的信号经A/D转换器变换成数字信号，进入智能信号处理系统进行处理，随后由输出系统传送处理后的信息，完成一次信息循环。因此，良好的光電转换电路设计，应充分满足输出信噪比高、被测信号无频率失真和输出信号功率大的要求。

(1) 光电转换电路

采用光电检测技术首先应设计光电转换电路解决光电转换问题。在采集光信息时，由于反射光的强弱受反射物表面的形状、颜色、阳光、灯光照射等多因素的影响，除了选择好采光点外，还应采用在光源范围内有较高灵敏度的元器件，如光敏三极管灵敏度比光电池、光敏电阻、光敏二极管高，不仅随光线变换有较好的线性，而且对光电流有放大作用。图3为灵敏度可调的光电转换电路。利用OPT201可以构建灵敏度可调的光电转换电路，调节分压电阻，即改变5K€%R电位器，可改变放大器增益。

(2)信号放大电路

在光电信号转换的过程中，由于输出电压信号微弱，需要设计放大电路予以放大。图4提供了T型网络结构的放大电路。图4中，

这种放大电路由电阻比值结构决定放大器的增益，且反馈电阻扩展了(1+Rx/R2)倍，减少了热噪声和对运放输入偏置电流的影响，放大器具有精度高、稳定性好的优点。其不足是当单通道输入的时候，若输入为不稳定的误差信号，就会直接影响输出端，导致电路稳定性下降。

(3)滤波电路

在光信号转换为电信号的过程中，由于混合有自然光等非检测光源，加上白噪声和器件自身的噪声，使被检测信号的频率有可能失真。为了消除光电信号转换中的这种不利影响，应设计滤波电路，滤除自然光及噪声的干扰。图5为有源滤波电路。

有源滤波器是含有半导体三极管等有源器件的滤波器，与无源滤波器相比，具有体积小、重量轻、价格低、结构牢固、便于集成的特点。图5为压控电压源有源滤波器(VCVS)，采用运算放大OP27和双RC网络构成性能优良的二阶有源滤波电路，可以滤除5Hz以上的信号。

3 结束语

本文分析了智能光电检测的基本原理，在此基础上对完整的智能光电检测系统的各个环节的电路设计进行了系统的探讨，包括光电信息采集系统中的光电转换电路设计、信号放大电路设计、滤波电路设计，外围环境信号检测系统的温度过热检测电路设计、温度补偿电路设计，智能信号处理系统的智能模块电路设计，以及总线及人机交互接口和信息输出系统中的电路设计。智能光电检测系统由于环境适应能力强，测量范围广，测量精确度高，尤其是强化了人工智能系统，可以自动对噪声、温度、电压波动及光源的变化进行修正，加上良好的人机交互界面，大大简化了操作程序，提高了数值处理和分析的效率。我们相信，随着光纤材料、计算机技术和人工智能技术等的不断进步，智能光电检测技术将会不断得到完善和改进，并将引领光电检测技术未来的发展方向。

参考文献：

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[5]　王云新,江俊峰,刘铁根.光电检测电路设计[J].电子测量技术,2005(6):18-19.

作者：冯梦云 黄霞青

人机交互接口电路设计论文 篇2：

对称式双电位扩展键盘设计

摘要：本设计是基于MCU的一款高效率键盘输入系统。通过对分立按键和普通二极管的合理布局，实现了一种利用N个双向I/O端口确定N2+N个键值的键盘电路设计。实验证明，该键盘电路结构简单、抗干扰能力强、稳定性好，具有很高的使用价值。

关键词：MCU;键盘;扩展

1 概述

一个好的MCU系统，通常需要有完备的人机交互接口。作为输入端的键盘是人机交互最基本的途径之一。常用的键盘布局有独立式键盘和矩阵式键盘两种。独立式键盘布局方式简单，适合端口数目冗余较大的场合;矩阵式键盘布局方式相对复杂，端口利用率较高。如(图1)八端口4*4矩阵式键盘是使用最广泛的键盘布局方式之一。

2 阶梯式键盘

由于人机交互的越加频繁、所需输入数据量的增加，矩阵式键盘由于占用了过多的端口显得臃肿而陈旧。为了解决按键占用端口数过多的问题，阶梯式键盘应运而生(图2)。阶梯式键盘的特点是舍弃了矩阵式键盘对端口行、列的设计，而是采用了将端口两两相交构成一个阶梯型的阵列，在这个阵列的每个交点处可以安置一个按键，使按键总数达到了N-1+1*N-12=N*N-12。阶梯式按键的原理是当任意一个按键被触发后连接器的两个端口的电位就会相同，由于按键是两两相交，所以可以据此确定唯一的按键值。

3 对称式键盘

通过对阶梯式键盘原理的分析可以发现，当MCU拉低P1时，通过P2、P3、P4的电位变化我们可以确定X1、X2、X3共3个按键是否被触发，当MCU拉低P2时，我们能够确定X4、X5这两个键是否被触发，而当P3被拉低后只能判断按键X6是否被触发。这说明每次扫描能够检测的按键数目有较大差异，为了充分利用软件开销，提出了对称键盘布局结构(图3)。但是这种完全对称的布局形式会引起按键冲突。阶梯式键盘通过端口的两两连接构成，键值通过在触发按键处连接的两个端口保持相同的电位确定。在观察图3的对称式键盘，任意两个端口的两条连线，都连接了两个按键，当任意两个端口被置为同电位后，MCU并不能确定是两条连线中哪一个按键被触发。

在阶梯式按键的键值扫描过程中，为了确定阶梯式按键的键值，会将MCU的端口依次拉低，而其余端口保持高电位。当有按键被触发后，被拉低的端口会与通过被触发按键与另一个端口直接连接，使其也被置为低位。当这两个端口同时置为低位时程序即可确定被触发的按键。这就是阶梯式按键的确定方式，通过上面的分析我们可以发现阶梯式按键那两个被指为低位的端口是由一个将另一个拉低的，其实质是高位端口的电位接到了之前被程序拉低的低位电位端口上。通过这个结论我们可以利用电位的变化顺序来确定按键键值，从而引入改进后的对称键盘布局，即对称式键盘布局(图4)。

对称式键盘布局与之前提到的对称键盘布局不同之处是对称式键盘在其对角线处放置二极管。由于MCU端口电压较小，普通二极管即可。该设计的原理就是利用二极管的单向导通性限制电流的流向，通过MCU对两个端口置为低电位的先后顺序确定是哪个按键的触发，因此对称式键盘的按键总数可以达到：N-1+1*N-1=N2-N。以4端口对称式键盘为例：首先将单片机的键盘端口P1、P2、P3、P4中的P1置为低位，其余三个置为高位。当按键X1触发时，P2通过二级管D2和按键X1与P1接通，P2被置为低位，由于P1先被置低，P2再被置低即可确定是按键X1被触发。按键X2、X3类似。在第二行的扫描过程中，MCU将P2置为低位，P1、P3、P4置为高位。当按键X4被触发时P1通过二极管D1和按键X4被P2置低，由此确定按键X4被触发。与阶梯式键盘不同的是，在对对称式键盘扫描的过程中，低位行会参与高位行键值的判断。

4 对称式双电位扩展键盘

与传统的矩阵式键盘相比对称式键盘在端口的利用率上有了很大的提高，设计表明对称式键盘仍然有较大的扩展空间。对称式键盘键值获取的原理是通过两两相交端口的电位变化以及变化顺序进行判断，如果通过增加只能造成单个端口电位变化的按键连接，即增加独立按键，从而获得对称式扩展键盘设计。对称式扩展键盘设计有两种方式，一是对称式低电位扩展键盘，二是对称式高电位扩展键盘。但是独立按键的引入容易造成与对称式键盘的冲突，如何规避这种冲突就是对称式扩展键盘的重点与难点。

对称式低电位扩展键盘(图5)。需解决的问题是按键冲突的识别。分析阶梯式键盘的键值扫描过程，可以发现在键值扫描过程中端口只有一个保持低位，而其余端口保持高位。当端口同时连接阶梯式键盘和接地的独立按键时，会出现两种情况。第一种情况是当某个接地的独立按键被触发，若按键连接的端口为MCU置为低位的端口，则按键触发不能被MCU捕捉。这种情况在按键扫描的过程中必然会出现，但不会对按键扫描的准确度有影响。以12MHz晶振的51系列单片机为例，单步指令执行周期为1us，以遍历式的扫描方式约需4*6N=24N步单周期指令(注：该文不对具体代码展开分析)。而单次按键的触发时间在10ms以上，两者在时间上至少相差两个量级，所以这种情况可以忽略。采用RISC指令集的AVR或ARM指令周期肯定会更快，造成影响也更小;第二种情况是当连接的端口为MCU置为高位的端口，那么连接按键的端口中将同时有两个端口被置为低电位，这时独立按键与阶梯式键盘按键发生冲突，MCU不能确定是两个按键中的哪一个被触发。为了克服这个问题，就要通过软件的方式进行二次判断。在系统按键扫描过程中，当某一端口被MCU置为低位，扫描发现出现第二个端口亦被为低位。MCU重新将被MCU置为低位的第一个端口重新置为高位，然后MCU再判断捕捉第二个端口的状态。若第二个端口此时亦拉回高电位，说明这是两个端口之间连接的按键被触发，第二个端口通过被触发按键将第一个端口拉高;若第二个端口电位不发生变化仍然保持低电位，这说明是与地相连的独立按键被触发，拉低了第二个端口的电位。这样，通过软件的设计，克服了接地独立按键与阶梯式键盘之间的按键冲突，达到了按键扩展的目的，完成对称式低电位扩展键盘的设计实现。

对称式高电位扩展键盘(图6)，原理相对简单而且硬件效率更高，但是却一直不被人所熟知。在按键扫描过程中仅有一个为低电位，其余保持高电位。按键扫描过程中，当接高电位独立按键与处在高电位状态的端口连接时MCU不能捕捉到按键触发。不过当独立按键是与低电位状态的端口连接时，端口通过被触发的独立按键与高电位连接，而是端口被钳位在高电位，通过这个端口电位的变化MCU确定独立按键的键值。由MCU双向端口的电路设计，可以知道MCU可实时监控其双向端口的电位变化，由此迅速的捕捉按键触发，由于双向端口的电路设计不是本文的重点，所以不再展开分析。

对称式低电位扩展键盘和对称式高电位扩展键盘这两种键盘扩展方式，由于两者避免按键冲突的方式不同，所以按键布局的方式也有所不同。接高电位的独立按键应与MCU的双向端口直接连接，从而使端口的电位变化可以被迅速捕捉。若与对称式键盘连接，由于二极管的单向导通特性，独立按键的按键触发不能被捕捉无法获得键值。接地的独立按键则需与对称式按键连接，通过软件的判断来获取键值。因为接地的独立按键出发后为地电位，电流流向是MCU端口流向独立键盘，二极管不会造成影响。所以对称式键盘的两种扩展方式可以完美结合，构成对称式双电位扩展键盘(图7)的按键布局设计，这种按键布局设计可将I/O端口的利用率达到最大化。在实际的工程设计中，对MCU的双向端口要联接上拉电阻。其原理以51系列单片机为例，由于单片机的拉电流较小，约1到2mA，而单个端口的灌电流可以达到10mA以上，为了增加灌电流为端口准备4kΩ左右的上拉电阻是非常有必要的。

5 总结

通过上面的分析可以得出N个端口对称式双电位扩展键盘的最大按键数的公式为：

N-1+1*N-1+N+N=N2+N

不使用二极管，仅通过按键布局构成阶梯式双电位扩展键盘获得的最大按键数为：

N-1+1*N-12+N+N=N*N-12+2N

对称式双电位扩展键盘远高于矩阵式键盘的端口利用率，在端口资源紧张的情况下，意义显得尤为重要。相信在不久的将来对称式双电位扩展键盘占用端口少，扫描效率高这些优点将会被人们接受，并在键盘设计中被广泛采纳。

参考文献：

[1] 赵建领，崔昭霞.精通51单片机开发技术与应用实例[M].北京：电子工业出版社，2012.

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[3] 刘然.一种新颖的键盘扫描方法与仿真实现[J].电子制作，2008，(7)：33-37.

[4] 宋戈，黄鹤松，员玉良.蒋海峰.51单片机应用开发范例大全[M].北京：人民邮电出版社，2012.

[5] 李朝清.单片机接口及原理技术[M].北京：北京航空航天大学出版社，2005.

作者：姜磊

人机交互接口电路设计论文 篇3：

汽车电池维护仪的应用与研究

[摘 要] 本文阐述了汽车蓄电池维护仪的控制系统,通过软件编程和电路设计来实现。此原理通过三步来工作:正脉冲恒流充电、负脉冲去极化、PWM均衡放电。由于铅酸蓄电池的极化现象、温度等方面问题,使电池的性能并不稳定。所以通过此设计把电池的最大容量释放出来,经过调整充电与放电的比例关系以及电池极板颗粒大小与松散性来协调蓄电池的功能,提升电池的容量。

针对蓄电池充放过程的不规则特性,在控制方法上采用特定的控制算法。通过系统调试,并对大量的数据分析及对参数的不断调整,不断地排除干扰因素,实现了对蓄电池不同充放电工作方式的控制,并获得了比较满意的修复效果。

[关键词] 蓄电池维护仪 正脉冲恒流充电 负脉冲去极化 均衡放电

引言

中国是个自行车大国,但随着技术的发展和不断的追求,电动车逐渐代替自行车成为普通用户的交通工具是必然趋势。电动车电池充电数量逐渐庞大起来。现行小型密封蓄电池容量衰退的主要问题是“失水”和“硫酸盐化”,这两种情况都与充电器有直接的关系,过充电则易导致“失水”,欠充电则易形成“硫酸盐化”,如何确定一种合理的充电方式,同时又能较好地控制充电器成本,不使已经“过高”的电动车价格雪上加霜,各主要电动车企业都十分关心这个问题。相比而言较为理想的是“先恒流,后恒压,再浮充”,这种多阶段充电方式,“失水”较少,而且也不易出现“欠充”或“假充电”情况,其主要缺点是充电时间偏长,充电器制作成本稍高,但我们认为在现阶段采用这种充电器是比较现实的。如何对这些充电困难、容量降低不可使用的蓄电池修复再利用,正是本课题要及解决的问题。

铅酸蓄电池使用日久,未及时充电,其极板上会产生许多硫酸铅颗粒,这种现象简称为“硫化”。当铅板上的微孔被硫酸铅颗粒堵塞时,铅板参与化学反应的有效面积减小,使电池容量随之减小,负载能力降低;当硫酸铅在铅板孔之间构成导电通路使大部分铅板不能参与充电化学反应时,用常规的充电方法,很难激活蓄电池使容量增大。经试验对这样的蓄电池重复进行若干次大充大放循环;或是用较大的脉冲电流对电池进行充电,但激活蓄电池收效甚微。为此借鉴恢复铅酸蓄电池容量的恢复器技术,用短暂而强大的脉冲电流对电池进行充电,并在脉冲间歇期间对电池进行放电,以消除极板上有害的硫酸盐淤积物,使电池容量得到有效恢复。也可将该恢复器长期接入经常使用的电池中,以防止24V铅酸蓄电池出现硫化现象。这种恢复器,其电路独特之处在于脉冲充放电的能量取自电池本身而不是外部电源,电池为电路供电的大部分时间都处在放电状态,实际上是脉冲放电的过程,仅在电池剩余电量很小的情况下,才将电池与该恢复器的连接端并联,成为涓流充电器。充电器的各种参数对电池的使用寿命有着举足轻重的作用。

我们主要解决的问题是如何检测充电器的各项功能指标是否正常。恒流阶段的充电电流是否稳定;恒压阶段的充电电压是否稳定;小电流阶段的跳转电压和电流值及电流稳定性。我们进行了系统开发主要利用单片机C51和仿真机的强大功能来开发系统。

1、总体设计

本系统以P89LPC938单片机为控制核心,结合相应的功能电路,共同实现整个系统所需要完成的功能。使用芯片的A/D 转换器对充电器进行恒流、正脉冲充电,负脉冲放电,停10ms检测完成对模拟量的采集,送单片机处理并送显示。使用P89LPC938单片机内部定时器产生脉宽调制的PWM(Pulse Width Modulator)输出,实现对充电器充电过程的模拟,完成对恒压阶段参数的检测。整体电路的原理框图,如图1-1所示。

图1-1电路中,单片机的PWM输出,经过保护电路和光电隔离电路后,驱动充、放电路。充放电过程中的电流,经单片机采样、换算,作为控制参数并送显示,单片机可根据采样参数做出相应控制。键盘是人机交互的接口,用于电路功能的选择,设置充放电的电流。

2、系统的详细设计

2.1充放电的供电电路分析

2.1.1充电电路的设计

铅酸蓄电池充电的好坏要看充电电路的设计如何。充电电路主要是由桥式整流滤波器、电解电容、三极管、功率管、采样功率电阻组成,如图2-1所示。

充电:蓄电池从其他直流电源获得电能叫做充电;在图3-3中,电池驱动装置提供12V交流电,经过整流桥整流使电流变为直流。电容滤波,加载到并联的大功率场效应管上(场效应管并联增大输出电流),整个充电电路接单片机的引脚上,经保护电路,光电隔离后驱动。由于考虑到一只9013三极管的驱动能力不足,所以电路中又增加了一个中功率管D880,起到再次放大驱动的作用。同时接两个C2625增大充电。在充电过程中,需要随时监控电池的充电状态,所以在充电电路上设计了两个采样点,一个采电流,作为恒流控制参数使用,一个采电池电压,作为判断电池是否充满的条件。其中采电流的电阻不能太大,因为回路的电流很大,电阻太大,在它上消耗的无用功率也越大。

2.1.2放电电路的设计

放电电路的设计和充电电路类似,同时也起到了一定的保护作用,如图2-2所示。

放电:蓄电池对外电路输出电能时叫做放电;在图3-4中,铅蓄电池同时与三个功率管相连结,目的是同时放电。由于单片机只能驱动小功率管,所以当显示放电信号时,系统会使R10上方为高电平,因此会使小功率管C9013导通。依次从高电平到底电平就会使中功率管D880、大功率管C2625导通。这样就会逐步把铅酸蓄电池的电放出,但这只是会放出一部分。按照该设计是在充电过程中进行短暂的3ms负脉冲放电,以消除充电过程中的极化现象。蓄电池放电曲线是连续的,是模拟量,因此也必须用模拟量来控制,PWM转换为模拟电压是很简单的,只要经过简单的转换电路就可实现。

2.3独特的键盘接口设计

一键多功能(即复合键功能)是P89LPC938单片机接口独有的特点。这将解决系统要实现多种功能的要求,因此,在设计时采用了复合键功能,一键多用的优点体现了出来,即本系统中的功能键是多种功能的。这样可以简化硬件电路,减少系统硬件资源的使用。

使用了单片机的四个口线,通过辅助电路实现了四个按键,功能键、自动加一键、自动减一键、清零键。K_LINE1、K_LINE2、K_LINE3、K_LINE4分别接到单片机的四个引脚上,分别为P2.0、P2.1、P2.6、P2.7。其操作过程是K_LINE1、K_LINE2、K_LINE3、K_LINE4在无键按下时都为高电平,他们分别控制两组显示电路。当功能键_1按下时,K_LINE1被拉低,接口的状态为(1100 0010)。当自动加一键?_1按下时,K_LINE2被拉低,接口的状态为(1100 0001)。当自动减一键?_1按下时,K_LINE3被拉低,接口的状态为(1000 0011)。当确认键被按下时K_LINE4被拉低,接口的状态为(0100 0011)。本系统中设立4个按键,分别是功能键、按下自动加1键、按下自动减1键、确认键。功能键是多功能键,依照按下的次数执行相应的功能。当功能键第一次被按下,为充电状态,按确认键可进人充电状态,数码管显示充电电流和充电时间。在充电状态下,按下自动加1键,可设置充电电流大小。再按下功能键为放电状态,按确认键,可进入放电状态,数码管显示放电电流和放电时间。在放电状态下,按下自动加一键,可设置放电电流大小。第三次按下功能键,为清零状态,按下确认键,可清除数码管上充放电时间。

整个硬件电路的设计充分的考虑到了系统的宝贵资源,尽量使每一个口都用的恰到好处,按键和显示的设计中使用了较少的I/O口线,实现了较多的功能,是常规的接法所做不到的。

参 考 文 献

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作者：徐海炳　王　辉