高楊

（黃河水利職業(yè)技術學院，河南 開封 475004）

嵌入式油脂顏色檢測裝置人機界面的設計

高楊

（黃河水利職業(yè)技術學院，河南 開封 475004）

將嵌入式光電智能檢測技術引入到油脂顏色檢測中，以高集成度數(shù)字色彩傳感器和微控制器構(gòu)建油脂顏色檢測裝置，采用液晶圖形顯示模塊和鍵盤操作圖形用戶界面，進行人機界面硬件電路及軟件操作的設計，實現(xiàn)油脂顏色檢測結(jié)果的實時顯示。

油脂顏色；檢測裝置；人機界面；嵌入式；軟硬件設計

0 引言

顏色是油脂銷售、存儲、加工等過程的一項必檢項目，是油脂產(chǎn)品質(zhì)量優(yōu)劣的外在表現(xiàn)之一。目前，國際上通用的油脂顏色檢測裝置是羅維朋比色計［1］。由于羅維朋比色計依靠人工目測讀數(shù)，觀測結(jié)果因人而異，加之其濾色片組合色本身有一定的差異，其值存在較大的主觀誤差。因此，建立客觀、快速的油脂顏色檢測方法，開發(fā)一種簡便的油脂顏色檢測裝置是非常必要的。

隨著計算機及微電子技術的不斷發(fā)展，嵌入式硬件及軟件系統(tǒng)逐漸被廣泛應用到測量儀器領域。在嵌入式應用系統(tǒng)中，通常都要有人機對話功能，包括用戶對應用系統(tǒng)的狀態(tài)干預與數(shù)據(jù)輸入，以及應用系統(tǒng)向用戶報告運行狀態(tài)和運行結(jié)果［2］。油脂顏色檢測裝置作為一種嵌入式應用，友好的人機交互必不可少，它便于使用者的當前操作和提示輸出，直觀讀取油脂顏色結(jié)果和油脂顏色變化情況，為生產(chǎn)和研究提供更有力的依據(jù)和數(shù)據(jù)。

1 油脂顏色檢測實驗裝置

1.1 油脂顏色檢測實驗裝置結(jié)構(gòu)

油脂在常溫下是透明液體。根據(jù)Beer－Lambert定律，測量液體物質(zhì)的顏色宜采用透射法進行，以便得到比較可靠的光譜功率分布曲線，進而準確地識別出液體顏色。本設計采用透射法檢測油脂顏色。實驗裝置借助于羅維朋比色計中的樣品室、濾色片組和濾色片架、光源、油樣（盛放于比色皿中）和傳感器，采用垂直一線的排列方式，結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 油脂顏色采集部分結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Grease color collecting part structure

1.2 油脂顏色采集方法

實驗裝置選用大功率白色LED作為照明光源，CMOS數(shù)字色彩傳感器ADJD－S313作為油脂顏色信號的檢測器件，微控制器PIC18F452分析處理油脂顏色信號，并作為整個檢測裝置的控制核心。利用PIC18F452的I2C串行通訊模塊，基于I2C總線傳輸協(xié)議［3］，編程實現(xiàn)ADJD－S313與的PIC18F452微控制器之間數(shù)據(jù)交換，準確讀取到油脂顏色的RGB值。

2 人機界面硬件電路的設計

本設計的人機界面基于計算機圖形學，將微控制器與液晶圖形顯示模塊和鍵盤相結(jié)合，構(gòu)成圖形人機界面，顯示檢測油脂顏色的結(jié)果。油脂顏色參數(shù)的輸入輸出顯示是人機界面中的重要環(huán)節(jié)，顯示的參數(shù)來自鍵盤輸入或系統(tǒng)內(nèi)部，數(shù)據(jù)流向如圖2所示。

2.1 液晶圖形顯示模塊

采用液晶（LCD）圖形顯示模塊12864M作為人機接口的顯示設備。LCD具有功耗低，體積小，重量輕、超薄等諸多優(yōu)點，已經(jīng)被廣泛應用于各種各樣的嵌入式產(chǎn)品中，如手機、PDA、電子游戲機和便攜式儀表等。12864M屬于點陣式LCD，不僅可以顯示字符、數(shù)字，還可以顯示各種曲線、圖形以及漢字。在軟件控制下，12864M可以實現(xiàn)屏幕滾動、動畫、閃爍、文本特征顯示等多種功能。因此，在許多控制系統(tǒng)中，12864M被用作顯示終端。

圖2 參數(shù)顯示的數(shù)據(jù)流向圖Fig.2 Parameter data flow

12864M顯示128列×64行內(nèi)容，能顯示漢字及圖形，內(nèi)置8192個中文漢字（16×16點陣）、128個字符（8×16點陣）及64×256點陣顯示RAM，能通過8位或4位并行／3位串行與微控制器接口，同時具有光標顯示、畫面移位、自定義字符、睡眠模式等多種軟件功能。

2.2 液晶圖形顯示模塊與微控制器的連接方式

12864M與微控制器接口有并行、串行兩種方式。串行方式是指12864M以模擬總線的形式與微控制器連接，微控制器用普通I／O口模擬12864M的總線信號完成連接。串行方式便于調(diào)試分析數(shù)據(jù)流的流向，方便程序的調(diào)試，但執(zhí)行速度較慢，并且在模擬總線周期中，容易發(fā)生中斷，對模擬周期進行破壞。為了保證油脂顏色數(shù)據(jù)準確快速的顯示，本設計采用并行連接方式，如圖3所示。RD的8個引腳作為數(shù)據(jù)總線，RC1連接并行的指令／數(shù)據(jù)選擇引腳RS，RC2連接并行的讀寫選擇信號R／W，RC5連接并行的使能E引腳，RC6連接并／串行接口選擇引腳PSB［4］。

2.3 鍵盤設計

為了減少I／O口的占用，本裝置采用4×4矩陣式鍵盤，如圖4所示。

3 人機界面數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和程序設計

3.1 操作與顯示界面設計

為了提高人機交互的友好性和易操作性，本設計采用簡易的圖形用戶界面，方便用戶通過窗口、菜單進行操作。菜單顯示是目前用戶界面中最受歡迎，也是普遍采用的類型之一，它由西文字符和中文漢字組合而成。為了液晶顯示菜單與普通微機上的菜單結(jié)構(gòu)保持一致，該檢測裝置采用下拉菜單作為顯示終端和人機交互接口。

為了使油脂顏色檢測裝置的人機界面具有好的靈活性和良好的可維護性，采用窗口作為該裝置的操作和顯示界面。窗口是目前操作系統(tǒng)中最常用的界面［5］，其形式是：每當顯示一個界面時，其他界面都會退隱。用戶可以通過鍵盤操作菜單進入不同的界面。系統(tǒng)的啟動界面、參數(shù)設置界面以及運行和顯示界面的窗口是由水平線和垂直線函數(shù)實現(xiàn)的。窗口結(jié)構(gòu)示意圖如圖5所示。

為了獲得較高的速度，保證12864M顯示與緩沖區(qū)數(shù)據(jù)同步，在PIC18F452的RAM中開辟了顯示緩沖區(qū)。緩沖區(qū)大小與12864M的點像素對應，為1024字節(jié) （即128×64／8，l字節(jié)數(shù)據(jù)對應8個點像素）。12864M顯示區(qū)（0，0）上的點對應緩沖區(qū)1個字節(jié)的顯示數(shù)據(jù)，后續(xù)的各像素點順次對應。將需要顯示的各種圖形的運算結(jié)果保存在顯示緩沖區(qū)中。進行畫圖操作時，先對顯示緩沖區(qū)相應點的數(shù)據(jù)進行設置，然后控制數(shù)據(jù)輸出，當畫圖操作完畢后，再將顯示緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)發(fā)送到 12864M中，更新12864M顯示圖形。

圖3 LCD與微控制器連接的電路原理圖Fig.3 Circuit schematic of LCD and m icrocontroller connection

圖4 矩陣鍵盤電路的原理圖Fig.4 M atrix key circuit schematic

圖5 窗口結(jié)構(gòu)示意圖Fig.5 W indow structure

3.2 人機界面軟件設計

人機界面的軟件設計采用分層的方式實現(xiàn)，即，硬件驅(qū)動層、基本圖形層、高級接口層。各層之間的關系如圖6所示。

圖6中，硬件驅(qū)動層主要負責硬件驅(qū)動，將顯示數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換并發(fā)送給LCD?；緢D形層主要是通過各種運算，實現(xiàn)基本的畫點、畫線、矩形和填充等圖形顯示。這一層的程序能直接調(diào)用硬件驅(qū)動層的函數(shù)，實現(xiàn)顯示更新。高級接口層主要為用戶提供窗口、菜單等接口，一般直接調(diào)用第2層的基本畫圖函數(shù)來實現(xiàn)。該層是進行各種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)處理，將它們轉(zhuǎn)換為可顯示的具體參數(shù)，并控制畫圖操作。

圖6 圖形用戶界面的層次關系圖Fig.6 Hierarchical relations of graphical user interface

油脂顏色檢測裝置的參數(shù)設置和運行模式選擇都是通過鍵盤操作選擇菜單來實現(xiàn)的。該裝置識別鍵盤采用的是行掃描法。行掃描法又稱為逐行掃描查詢法，是一種最常用的按鍵識別方法。其識別按鍵的基本原理是：先將所有的行線置0，讀列線的值，若此時列線上的值全為1，說明無鍵按下；若有某位為0，則說明對應這一列上有鍵按下，這時改變行掃描碼，使行線逐行為0，依次掃描。當讀到某一列線的值為0時，就可根據(jù)此時的行掃描碼和列線的值唯一地確定按鍵的位置，同時也就確定了該鍵的掃描碼。矩陣式鍵盤識別程序流程如圖7所示。

在按鍵閉合、斷開的瞬間，由于機械觸點的彈性作用，有抖動現(xiàn)象，抖動時間一般為5～10ms。抖動會引起對按鍵錯誤的識別。采用軟件延時方法可以消除機械抖動的影響。

圖7 識別鍵盤程序流程圖Fig.7 Program flow to identify the keyboard

4 結(jié)語

本文設計的油脂顏色檢測裝置主要用于采集油脂的三基色信號。通過矩陣式鍵盤輸入命令，采用窗口作為操作和顯示界面，以液晶圖形顯示模塊作為顯示設備，實現(xiàn)友好的人機界面。該方法對油脂加工過程中的油脂顏色在線檢測技術和便攜式應用技術的開發(fā)提供了一種新的參考。

［1］GBT 22460－2008，動植物油脂羅維朋色澤的測定［S］.

［2］田澤.嵌入式系統(tǒng)開發(fā)與應用實驗教程實例［M］.北京：北京航空航天大學出版社，2005：160－230.

［3］Avago Technologies.ADJD－S313 Digital color sensor application note 5261［EB／OL］.（2006－04－18）http：／／www.avagotech.com.

［4］彭樹生，莊志洪，趙惠昌.PIC單片機原理及應用［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2001：3－89.

［5］王義懷，劉曉升.嵌入式應用技術基礎教程［M］.北京：清華大學出版社，2005：150－300.

[責任編輯 楊明慶]

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1008-486X（2015）02-0041-04

2015-01-16

2013年度黃河水利職業(yè)技術學院科研基金資助計劃項目：嵌入式油脂顏色檢測儀的研究（2013KXJS014）。

高 楊（1982-），女，河南開封人，助教，碩士研究生，從事電氣自動化技術專業(yè)的教學和科研工作，研究方向：自動化檢測技術。