葛輝 周香珍 南京理工大學(xué)泰州科技學(xué)院 225300

基于單片機(jī)的人機(jī)交互系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

葛輝 周香珍 南京理工大學(xué)泰州科技學(xué)院 225300

在單片機(jī)的應(yīng)用中，友好人機(jī)界面起著十分重要的作用。在本文中利用成本低、資源少的單片機(jī)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)和完善了運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的人機(jī)界面的設(shè)計(jì)，并詳細(xì)介紹了基于單片機(jī)的人機(jī)交互系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，包括其多級(jí)菜單的實(shí)現(xiàn)方法以及輸入輸出的設(shè)計(jì)，最終實(shí)現(xiàn)具有多級(jí)中文菜單顯示功能的人機(jī)界面，并將該系統(tǒng)成功應(yīng)用到機(jī)電控制系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)了軟硬件的聯(lián)調(diào)。

單片機(jī)；運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)；人機(jī)交互系統(tǒng)

引言

隨著社會(huì)生產(chǎn)水平的提高，我國(guó)的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)方式正在實(shí)現(xiàn)從粗放型到集約型、勞動(dòng)密集型到科技創(chuàng)新型的大幅轉(zhuǎn)變，社會(huì)從業(yè)人員結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化，從事簡(jiǎn)單重復(fù)工作的勞動(dòng)人員在大幅減少，2008年初開(kāi)始執(zhí)行的新勞動(dòng)法，使得企業(yè)用人成本大幅增加，在這樣的背景下，在生產(chǎn)線上通過(guò)運(yùn)動(dòng)手臂或者其它運(yùn)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)代替人力就顯得十分必要。

1 硬件設(shè)計(jì)

課題設(shè)計(jì)的硬件部分比較簡(jiǎn)單，主要包括鍵盤，顯示以及單片機(jī)三個(gè)模塊。本課題設(shè)計(jì)中的鍵盤要求性價(jià)比高，穩(wěn)定可靠，抗干擾能力強(qiáng), 實(shí)現(xiàn)模塊化設(shè)計(jì),同時(shí)便于今后升級(jí)，因此采用的是基于AT89C52的外設(shè)鍵盤方案,采用薄膜按鍵，優(yōu)點(diǎn)是硬件結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，可靠性高，方便修改按鍵功能。

在了解運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的基本工作原理之后，為了便于操作，決定取消數(shù)字鍵，用方向鍵代替數(shù)字鍵進(jìn)行3軸坐標(biāo)的設(shè)置，最終確定該系統(tǒng)的鍵盤模塊包括：“上”、“下”、“左”、“右”、“Z上”、“Z下”6個(gè)方向鍵，“確定”“返回”“刪除”3個(gè)功能鍵，以及“啟動(dòng)”“暫停”“復(fù)位”3個(gè)系統(tǒng)功能鍵，因此該系統(tǒng)的鍵盤模塊設(shè)計(jì)為3×4鍵盤，正好可以滿足以上需求。如有新增功能需求，可增加按鍵個(gè)數(shù)。

而運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的顯示部分要求顯示穩(wěn)定可靠，在高性價(jià)比要求下，同時(shí)因?yàn)橄到y(tǒng)顯示內(nèi)容較少，所以選定12864液晶屏，可顯示16×16點(diǎn)陣中文字4行，每行8個(gè)字，由于其不帶中文字庫(kù)，故根據(jù)需要自制漢字字庫(kù)。

單片機(jī)模塊包括時(shí)鐘電路和復(fù)位電路，共同組成了單片機(jī)的最小工作系統(tǒng)。

2 軟件設(shè)計(jì)

2.1 主程序流程圖

主程序主要功能是實(shí)現(xiàn)多級(jí)菜單功能，基本原理是通過(guò)兩個(gè)switch函數(shù)對(duì)鍵值和顯示分別處理，處理鍵值時(shí)在相應(yīng)的case里對(duì)menu和row值進(jìn)行計(jì)算，而在處理顯示時(shí)在相應(yīng)的case里根據(jù)menu和row值調(diào)用顯示函數(shù)進(jìn)行相應(yīng)的顯示。

2.2 顯示模塊軟件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)中所用液晶屏的驅(qū)動(dòng)器是KS0108，不帶字庫(kù)，所以每個(gè)字符和漢字都需要自行取模。顯示采用圖形點(diǎn)陣的方式，要事先提取點(diǎn)陣碼，每個(gè)漢字占32B，分左右兩部分，各占16B。根據(jù)在LCD上開(kāi)始顯示的行列號(hào)及每行的列數(shù)可找到顯示RAM對(duì)應(yīng)的地址，設(shè)立光標(biāo)，送上要顯示的漢字的第一字節(jié)，光標(biāo)位置加1，送第二字節(jié)，按行列對(duì)齊，依次陸續(xù)發(fā)送，直到32B發(fā)送完就可在LCD上顯示出一個(gè)完整漢字，而英文和字符顯示方法類似，占16B，顯示大小為漢字的一半[1]。

2.4 鍵盤模塊軟件設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)最初，考慮到鍵盤需要反應(yīng)迅速，采用了外部中斷鍵盤的方式，將鍵盤的列線通過(guò)與器件連接在單片機(jī)的P3.2口上，當(dāng)有按鍵按下時(shí)即進(jìn)入中斷，在中斷中進(jìn)行鍵盤的掃描及取值。后由于使用過(guò)程中在設(shè)置坐標(biāo)時(shí)需要進(jìn)行按鍵的長(zhǎng)按，導(dǎo)致無(wú)法退出中斷，最終選擇了循環(huán)掃描取鍵值的方式，解決了上述問(wèn)題，取得了較好的效果。

2.5 坐標(biāo)設(shè)置模塊軟件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)主要功能就是示教編程，在示教編程時(shí)需要設(shè)置起始點(diǎn)的坐標(biāo)參數(shù)，在設(shè)計(jì)中用戶可通過(guò)“上”、“下”、“左”、“右”、“Z上”、“Z下”6個(gè)方向鍵實(shí)時(shí)在線地進(jìn)行坐標(biāo)設(shè)置，因?yàn)椴蛔尡菊n題中用的LCD沒(méi)有顯示數(shù)字的功能，只能通過(guò)調(diào)用顯示函數(shù)進(jìn)行0～10的顯示，而在坐標(biāo)設(shè)置時(shí)需要顯示3位數(shù)的坐標(biāo)值，并且根據(jù)實(shí)際情況坐標(biāo)值還需要判斷其正負(fù)，并正確顯示，所以在此處特別編寫(xiě)了程序來(lái)實(shí)現(xiàn)該功能。

2.6 菜單模塊軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)設(shè)計(jì)要求和實(shí)際使用的需要，在本設(shè)計(jì)中，系統(tǒng)開(kāi)機(jī)時(shí)顯示的主菜單共包括四項(xiàng)，分別為文件管理，示教編程，運(yùn)動(dòng)參數(shù)設(shè)置，系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置。其各項(xiàng)子菜單如表1所示。

表1 人機(jī)交互界面菜單一覽表

2.6.1 文件管理界面。

在實(shí)際的生產(chǎn)過(guò)程中，為了方便企業(yè)生產(chǎn)管理，加工程序的編寫(xiě)一般都是由工程師或者技術(shù)人員來(lái)完成，而對(duì)于生產(chǎn)線上的操作人員來(lái)說(shuō)，只需要選擇加工的文件，然后操作“啟動(dòng)”、“復(fù)位”、“停止”功能鍵即可。反白顯示時(shí)表示文件被選中，選中時(shí)按“刪除”鍵會(huì)提示“確認(rèn)刪除該文件？”，按“確定”文件刪除，然后提示“按啟動(dòng)鍵開(kāi)始加工”。

2.6.2 示教編程界面。

示教編程功能用于操作人員根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況，各項(xiàng)加工參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，包括加工類型和坐標(biāo)設(shè)置，然后由運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)自行調(diào)用相應(yīng)的算法和程序進(jìn)行加工，提示性人機(jī)交互界面，使得操作簡(jiǎn)便，無(wú)需記憶繁瑣的控制指令，該部分設(shè)計(jì)了插補(bǔ)加工和陣列加工兩項(xiàng)功能。

示教編程時(shí)需要將運(yùn)動(dòng)軌跡分解，分解成直線和圓弧的組合。直線由起點(diǎn)和終點(diǎn)兩點(diǎn)確定，而圓弧由起點(diǎn)、中點(diǎn)和終點(diǎn)三點(diǎn)確定，因此只需要把這些關(guān)鍵點(diǎn)的坐標(biāo)確定，就可以示教出一個(gè)完整的圖形。用戶只需要按照示教編程的提示和指引依次輸入每段圖形的關(guān)鍵點(diǎn)，就可以確定下整個(gè)圖形，最后設(shè)置運(yùn)動(dòng)參數(shù)，系統(tǒng)就可以自行調(diào)用相應(yīng)的插補(bǔ)算法進(jìn)行工作[4]。

坐標(biāo)設(shè)置時(shí)選項(xiàng)反顯表示被選中，坐標(biāo)反顯時(shí)表示此時(shí)可以通過(guò)“上”、“下”、“左”、“右”、“Z上”、“Z下”6個(gè)方向鍵來(lái)分別設(shè)置X、Y、Z軸坐標(biāo)，設(shè)置完坐標(biāo)后按確定即可。完成一段設(shè)置后可以選擇進(jìn)行下一段插補(bǔ)設(shè)置或者保存，保存時(shí)將提示“設(shè)置成功，按啟動(dòng)鍵開(kāi)始加工”。

陣列功能是提高生產(chǎn)效率非常有效的手段，在本系統(tǒng)中設(shè)計(jì)了可實(shí)現(xiàn)在行與列方向上的陣列，根據(jù)生產(chǎn)的需要，陣列的參數(shù)可以進(jìn)行單獨(dú)設(shè)定，其中包括陣列的行數(shù)、列數(shù)、行偏移、列偏移以及方向（先X后Y還是先Y后X），最后保存啟動(dòng)運(yùn)行即可。

2.6.3 運(yùn)動(dòng)參數(shù)設(shè)置界面。

進(jìn)入運(yùn)動(dòng)參數(shù)設(shè)置菜單后，共有X、Y、Z軸參數(shù)設(shè)置三項(xiàng)供選擇，選中進(jìn)入其中一項(xiàng)后，可對(duì)其各種參數(shù)進(jìn)行設(shè)定。其中包括起始速度、加速度、加工速度、空移速度、復(fù)位速度、最大行程這些項(xiàng)目，操作人員根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況以及機(jī)械性能，通過(guò)設(shè)置不同的參數(shù)達(dá)到一個(gè)不同的加工效果，其中最大行程的設(shè)置與坐標(biāo)設(shè)置相關(guān)聯(lián)，最大行程一旦設(shè)定，在坐標(biāo)設(shè)置時(shí)正負(fù)坐標(biāo)都以最大行程為上下限。

2.6.4 系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置界面。

操作人員根據(jù)實(shí)際的加工要求一般需要設(shè)置不同的循環(huán)加工間隔，以便工件的更換或調(diào)整。另外一般執(zhí)行機(jī)構(gòu)在執(zhí)行一段時(shí)間之后都會(huì)產(chǎn)生一定的坐標(biāo)誤差，當(dāng)誤差累計(jì)到一定的程度之后必須進(jìn)行復(fù)位，因此需要根據(jù)實(shí)際的機(jī)械情況進(jìn)行循環(huán)加工次數(shù)的設(shè)置，此外，Z軸抬起高度的設(shè)置主要是為了避免執(zhí)行機(jī)構(gòu)在運(yùn)動(dòng)時(shí)碰撞到加工工件的表面。

[1]唐煒，顧金風(fēng).基于單片機(jī)點(diǎn)陣圖形液晶顯示器應(yīng)用[J].電子測(cè)量技術(shù)，2003，20(2): 53～54

[2]施鋒，吳峻，朱欣華. 基于ARM7的數(shù)控機(jī)床人機(jī)界面的設(shè)計(jì)[J]. 電子器件，2008，31(2): 681～686

[3]葛輝.基于嵌入式技術(shù)的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的研究與應(yīng)用[D]. 江蘇：南京師范大學(xué)電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院，2006

[4]田坤，吳彰良，衛(wèi)靜. 數(shù)控機(jī)床與編程[M]. 武漢：華中科技大學(xué)出版社，2001

10.3969/j.issn.1001-8972.2011.24.042