智能配電監(jiān)控系統(tǒng)的人機交互設計

摘要：以宏晶公司STC12C5A60S2單片機處理器作為控制器，以矩陣鍵盤作為輸入設備，以RS485通信接口芯片作為數(shù)據更新方式，用北京青云公司生產的LCD3202401作為顯示輸出設備，研究設計了相應的硬件電路與顯示驅動程序，在此基礎上完成了人機交互系統(tǒng)的設計。充分利用成本低、資源少的單片機系統(tǒng)實現(xiàn)完善的人機交互功能。
關鍵詞：人機交互；LCD；單片機

1 系統(tǒng)設計方案
    本系統(tǒng)設計按鍵時遇到以下情況：(1)產品外設較多，單片機I／O口比較少，設計時需要考慮節(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)設計的效果如圖1所示。

2 系統(tǒng)結構和原理
    人機交互系統(tǒng)負責數(shù)據顯示及輸入，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動程序和上層控制兩部分。底層驅動包括設置系統(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)行相應的任務，LCD顯示相應的內容；同時如果需要，通過RS485向主控模塊發(fā)出控制或請求數(shù)據等信息。

3 系統(tǒng)硬件電路設計
3．1 鍵盤電路
    人機交互系統(tǒng)中輸入控制命令，設置數(shù)值，查詢電參數(shù)、歷史數(shù)據、告警信息等都肯定要使用鍵盤。系統(tǒng)中設計采用的是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A／D值判斷有無按鍵按下或是那個按鍵按下。根據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)據線，且傳輸數(shù)據迅速；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，從而增大了應用層設計的難度。因此程序采用模塊化結構，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”，由于設置的參數(shù)較多，將選項頁面分為幾個頁面設置，按下“Up”和“Down”鍵或直接按數(shù)字鍵，可選擇對應的頁面。如圖10為選項管理控制模塊流程圖。

    為了便于分析，以設置頁面為例來說明。設置頁面共分為5頁來設置，包括系統(tǒng)參數(shù)設置頁面、門限參數(shù)設置頁面、Modbus設置頁面、以太網設置頁面及CAN設置頁面，當從主菜單選擇設置進入設置頁面后，可按數(shù)字鍵或上下鍵選擇頁面。比如按2鍵進人設置頁面中的門限設置，如圖11所示。

    此時按回車可對數(shù)值進入輸入設置，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中的門限設置中的數(shù)值輸入。數(shù)據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)據及切換操作界面等功能。

5 結束語
    本設計采用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)據設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。