【正文】 學(xué)生姓名 王瑋 指導(dǎo)教師 呂建波、羅振元 設(shè)計所在單位 西安文理學(xué)院 2020 年 5 月 畢業(yè)設(shè)計說明書論文 1961660126 課件之家的資料精心整理好資料 西安文理學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文）任務(wù)書 題 目 基于 MCS51單片機的實驗開發(fā)系統(tǒng)人機交互模塊設(shè)計與實驗改進 學(xué)生姓名 王瑋 學(xué) 號 08102080236 專業(yè)班級 08機械設(shè)計制造及其自動化（ 2）班 指導(dǎo)教師 呂建波 羅振元 職 稱 助理實驗師 工程師 教 研 室 實驗室 實訓(xùn)中心 畢業(yè)設(shè)計（論文）任務(wù)與要求 查閱國內(nèi)外 MCS51系列單片機應(yīng)用的研究現(xiàn)狀 ，了解 MCS51 系列單片機人機模塊的構(gòu)成，撰寫開題報告和不少于 1000字的外文翻譯； 分析各類基于 MCS51系列單片機的人機模塊設(shè)計，主要包括矩陣式鍵盤和 LED顯示； 設(shè)計通用模塊的電路原理圖，用 proteus 完成部分模塊的仿真，在面包板上進行電路實驗，畫出 PCB板； 編寫相應(yīng)的軟件程序，并進行軟硬件綜合調(diào)試，實現(xiàn) 系統(tǒng)與用戶之間的交互關(guān)系 ； 針對本科單片機課程實驗教學(xué)，進行人機交互模塊實驗方法的更新和改進； 撰寫畢業(yè)論文，進行畢業(yè)答辯。人機交互界面通常是指用戶可見的部分，用戶通過人機交互界面與系統(tǒng)交流，并進行操作。 本文以 MCS51 系列單片機為核心處理器，通過操作員從鍵盤打入命令，操作系統(tǒng)接到命令后立即執(zhí)行并將結(jié)果通過顯示器顯示的這一過程， 設(shè)計出 單片機的人機互換模塊，并在proteus環(huán)境下進行仿真，進一步熟悉和掌握單片機的結(jié)構(gòu)及工作原理通過實際程序設(shè)計和調(diào)試，逐步掌握模塊化程序設(shè)計方法和調(diào)試技術(shù)。側(cè)重多媒體技 術(shù)的有 :觸摸式顯示屏實現(xiàn)的 “桌面”計算機，能夠隨意折疊的柔性顯示屏制造的電子書，從電影院搬進客廳指日可待的 3D顯示器， 使用紅綠藍(lán)光激光二極管的視網(wǎng)膜成像顯示器 ； 側(cè)重多通道技術(shù)的有：“漢王筆”手寫漢字識別系統(tǒng)，結(jié)合在微軟的 Tablet PC 操作系統(tǒng)中數(shù)字墨水技術(shù)，廣泛應(yīng)用于 Office/XP 的中文版等辦公、應(yīng)用軟件中的 IBM/Via Voice 連續(xù)中文語音識別系統(tǒng)，輸入設(shè)備為攝像機、圖像采集卡的手勢識別技術(shù)，以 IPHONE 手機為代表的可支持更復(fù)雜的姿勢識別的多觸點式觸摸屏技術(shù)，以及 IPHONE中基于傳感器的 捕捉用戶意圖的 隱式輸入技術(shù)。隨著 人機交互技術(shù)與計算機始終相伴發(fā)展、 CPU、 GPU的運算能力日趨強大 ， 網(wǎng)絡(luò)和通信技術(shù)的快速發(fā)展 ， 顯示技術(shù)的重大突破，人機交互將步入一個新的起點與高度 。 指導(dǎo)教師意見及建議： 簽字 ： 年 月 日 教研室審核意見： 簽字 ： 年 月 日 畢業(yè)設(shè)計說明書論文 1961660126 課件之家的資料精心整理好資料 西安文理學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文）中期檢查表 題 目 基于 MCS51單片機的實驗開發(fā)系統(tǒng)人機交互模塊設(shè)計與實驗改進 學(xué)生姓名 王瑋 學(xué) 號 08102080236 專業(yè)名稱 機械設(shè)計制造及 其自動化 指導(dǎo)教師 呂建波 羅振元 檢查時間 班 級 08級（ 2）班 畢 業(yè) 設(shè) 計（論文） 進 展 情 況 通過對單片機相關(guān)資料的學(xué)習(xí)，以及對整個設(shè)計的了解，現(xiàn)基本完成以下設(shè)計工作： 。 下一步用 proteus完 成部分模塊的仿真，在面包板上進行電路實驗，畫出 PCB板。 畢業(yè)設(shè)計說明書論文 1961660126 課件之家的資料精心整理好資料 基于 MCS51 單片機的實驗 開發(fā)系統(tǒng)人機交互模塊設(shè)計與實驗改進 摘要 ： 人機界面是人與機器進行交互的操作方式，而交互設(shè)計就是設(shè)計支持人們?nèi)粘９ぷ髋c生活的交互式產(chǎn)品，隨著現(xiàn)階段人們對計算機的普及，人機交互界面越來越受到人們的重視。本文采用單片機、鎖存器、矩陣鍵盤和數(shù)碼管顯示四大部分構(gòu)成人機交互系統(tǒng)，在掌握交互原理的基礎(chǔ)上對人機交互系統(tǒng)進行了整體的系統(tǒng)分析，設(shè)計出交互系統(tǒng)的硬件電路圖和各部分所需要的軟件程序。s society, so as to improve people39。人機交互界面通常是指用戶可見的部分。人機交互功能主要靠可輸入輸出的外部設(shè)備和相應(yīng)的軟件來完成。 本文以 MCS51 系列單片機為核心處理器，通過操作員從鍵盤打入命令，操作系統(tǒng)接到命令后立即執(zhí)行并將結(jié)果通過顯示器顯示的這一過程，設(shè)計出單片機的人機互換模塊，并在 proteus 環(huán)境下進行仿真，進一步熟悉和掌握單片機的結(jié)構(gòu)及工作原理通過實際程序設(shè)計和調(diào)試，逐步掌握模塊化程序設(shè)計方法和調(diào)試技術(shù)。此外，通過圖形進行人機交互也吸引著人們?nèi)ミM行研究。人們可以借助鍵盤、鼠標(biāo)、操作桿、位置跟蹤器、數(shù)據(jù)手套等設(shè)備，用手、腳、聲音、姿態(tài)和身體的動作、視線甚至腦電波等向計算機傳遞信息； 計算機通過打印機，繪圖儀、頭盔式顯示器、音頻等輸出設(shè)備或顯示設(shè)備給人提供信息。熱點技術(shù)的應(yīng)用開發(fā)是 機遇也是挑戰(zhàn)，基于視覺的手勢識別率低，實時性差，需要研究各種算法來改善識別的精度和速度，眼睛虹膜、掌紋、筆跡、步態(tài)、語音、唇讀、人臉、 DNA等人類特征的研發(fā)應(yīng)用也正受到關(guān)注，自然語言理解雖然目前在語言模型、語料庫等方面有進展外，仍將是人機交互的重要目標(biāo)，多通道的整合也是人機交互的熱點，另外，與“無所不在的計算” 、 “云計算”等相關(guān)技術(shù)的融合與促進也需要繼續(xù)探索 。本次設(shè)計主要包括四部分，其中 4*4 矩陣鍵盤作為系統(tǒng)輸入設(shè)備， 4 位 8 段數(shù)碼管顯示作為輸出設(shè)備， MCS51 單片機作為核心處理器，一個段鎖存器和一個位鎖存器來完成數(shù)據(jù)鎖存處理。一是早期的 HMOS 工藝（即高密度短溝道 MOS 工藝），二是現(xiàn)在的 CHMOS 工藝（即互補金屬氧化物的 HMOS 工藝）。所以，現(xiàn)在單片機應(yīng)用系統(tǒng)中都采用 CHMOS 工藝的芯片。存儲器系統(tǒng)包括 4K 字節(jié)的程序存儲器， 128 字節(jié)的數(shù)據(jù)存儲器和特殊功能寄存器SFR。本 次設(shè)計使用的是 89C52 單片機。 畢業(yè)設(shè)計說明書論文 1961660126 課件之家的資料精心整理好資料 圖 89C52單片機引腳功能 矩陣鍵盤選擇 在鍵盤中按鍵數(shù)量較多時，為了減少 I/O 口的占用，通常將按鍵排列成矩陣形式，如圖 所示。 圖 矩陣鍵盤原理圖 上圖中，列線通過電阻接正電 源，并將行線所接的單片機的 I/O口作為輸出端，而列線所接的 I/O 口則作為輸入。 判斷鍵盤中有無鍵按下 ： 將全部行線 置低電平，然后檢測列線的狀態(tài) 。其方法是：依次將行線置為低電平，即在置某根行線為低電平時，其它線為高電平。若有按鍵按下，則高四位中會有一個 1 翻轉(zhuǎn)為 0，低四位不會變，此時即可確定被按下的鍵的行位置。 數(shù)碼管顯示原理 LED數(shù)碼管實際上是由七個發(fā)光管組成 8字形構(gòu)成的，加上小數(shù)點就是 8個。 LED 數(shù)碼管有一般亮和超亮等不同之分，也有 寸、 1寸等不同的尺寸。 與普通二極管一樣 發(fā)光二極管 也具有單向?qū)щ娦浴? （ 1）靜態(tài)顯示驅(qū)動 靜態(tài)驅(qū)動也稱直流驅(qū)動。通過分時輪流控制各個數(shù)碼管的的 COM 端，就使各個數(shù)碼管輪流受控顯示，這就是動態(tài)驅(qū)動。 人機交互模塊整體設(shè)計方案 本次設(shè)計選擇 MCS51 單片機中的 89C52 為核心驅(qū)動， 4*4 矩陣鍵盤為系統(tǒng)的輸入設(shè)備，兩個四位八段數(shù)碼管顯示為系統(tǒng)的輸出設(shè)備，兩個 74HC573 為數(shù)據(jù)鎖畢業(yè)設(shè)計說明書論文 1961660126 課件之家的資料精心整理好資料 存器，一個 為段鎖存器，另一個為位鎖存器，各部分間相互間具體聯(lián)系及其數(shù)據(jù)流向如下圖 所示。 畢業(yè)設(shè)計說明書論文 1961660126 課件之家的資料精心整理好資料 圖 單片機最小系統(tǒng) 晶振電路 單片機的工作過程是：取一條指令、譯碼、進行微操作，再取一條指令、譯碼、進行為微操作，這樣自動的一步一步的由微操作依序完成相應(yīng)指令規(guī)定的功能。內(nèi)部時鐘方式是在單片機的 XTAL1 和 XTAL2 引腳外接晶振即可。本次設(shè)計運用內(nèi)部時鐘方式，其電路圖如下圖 所示。復(fù)位信號變低電平時，單片機開始執(zhí)行程序。按鍵與上電均有效為上電原理和按鍵均可復(fù)位，這樣可以提高操作的可靠性。 數(shù)碼管鎖存器硬件連接 對于 89C52 輸出的數(shù)據(jù)，并不將其直接送給數(shù)碼管，而是通過鎖存器將數(shù)據(jù)緩存之后送給數(shù)碼管，如 圖 。 圖 74HC573鎖存器 74HC573 鎖存器中，引腳 OE 為輸出使能端，并為低電平有效，即當(dāng) OE為 0時，輸出端才能正常輸出。 該鎖存器的真值表如下表 所示。 表 共陰數(shù)碼管顯示字型與字符碼對應(yīng)關(guān)系 數(shù)碼管鎖存器硬件連接電路圖 圖 數(shù)碼管與鎖存器硬件連接電路圖 圖中 89C52 單片機的 P0 口接下圖中的 J3 端，并同時接入兩個 74HC573 的1D8D。位鎖存器 74HC573 中 1Q8Q 于高位至地位依次接入 2 個數(shù)碼管的 端。 第四章 人機交互模塊 軟件程序設(shè)計 鎖存器鎖存程序 鎖存器鎖存使能端 LE為下降沿有效，輸出使能端 OE 為低電平有效，所以在畢業(yè)設(shè)計說明書論文 1961660126 課件之家的資料精心整理好資料 數(shù)據(jù)鎖存之前，先將輸出使能端 OE 設(shè)為 0，確保數(shù)據(jù)能正常輸出，然后輸入數(shù)據(jù)至鎖存器，再將鎖存使能端 LE 從 0 設(shè) 1 再設(shè) 0，這時所需要輸出的數(shù)據(jù)就鎖存在鎖存器輸出端上了，并且輸入的數(shù)據(jù)變化也影響不到輸出數(shù)據(jù)，直到下次LE轉(zhuǎn)變?yōu)?1。 若不在第二行，程序進入第三行行列掃描，即設(shè)置矩陣鍵盤第三行為 0，其余行列均為 1，該行有按鍵按下時記錄鍵值，沒有按鍵按下時進入第四行掃描。 圖 按鍵按下時實際波形圖 去抖動 消除的方法有硬件和軟件兩種方法。因為數(shù)碼管共 8位，所以當(dāng)位選進入第八位，斷碼顯示之后，程序進行清屏處理，等待下次 8位數(shù)字的鍵入。它不僅具有其它 EDA 工具軟件的仿真功能，還能仿真單片機及外圍器件。是目前世界上唯一將電路仿真軟件、 PCB 設(shè)計軟件和虛擬模型仿真軟件三合一的設(shè)計平臺，其處理器模型支持 805 HC1 PIC10/12/16/18/24/30/DsPIC3 AVR、 ARM、 8086 和MSP430 等， 2020 年又增加了 Cortex 和 DSP 系列處理器，并持續(xù)增加其他系列處理器模型。其革命性的特點有： 1．互動的電路仿真。還可以直接在基于原理圖的虛擬原型。 (3)SPICE 電路仿真 ?？梢苑抡?51 系列、 AVR、 PIC、ARM、等常用主流單片機。 hex 文件格式是 Intel 公司提出的按地址排列的數(shù)據(jù)信息 ,數(shù)據(jù)寬度為字節(jié) ,所有數(shù)據(jù)使用 16 進制數(shù)字表示 , 常用來保存單片機或其他處理器的目標(biāo)程序代碼。...39。即單片機 89C52 的 P1 口為矩陣鍵盤的輸入輸出，其中 為單片機 I/O口輸出，連接鍵盤 4 條行線。 P0 口為單片機的輸出口，連接段鎖存和位鎖存芯片，選取兩個 74HC573 芯片分別作為位鎖存和段鎖存芯片，段選片的數(shù)據(jù)輸出端接兩個顯示數(shù)碼管的 段，位選片的數(shù)據(jù)輸出端接顯示屏的位選，其中顯示屏采用 4 位 8 段數(shù)碼管顯示，所以顯示屏共有 2*4 個位。 畢業(yè)設(shè)計說明書論文 1961660126 課件之家的資料精心整理好資料 圖 數(shù)碼管顯示‘ 01234567’ 用 protel DXP 繪制 PCB板 根據(jù)上述原理圖，利用 protel DXP 軟件進行原理圖繪制、元器件的制作、產(chǎn)生網(wǎng)絡(luò)表最終獲得 PCB 板繪制如下圖 所示。 單片機原理與接口技術(shù)課程已經(jīng)成為高等院校電子信息、自動化、測控技術(shù)等專業(yè)的一門必修課程 。 人機交互 實驗教學(xué)的現(xiàn)狀 教學(xué)內(nèi)容不足 人機交互 的實驗內(nèi)容主要以驗證性實驗為主，采用匯編語言為編程語言。 教學(xué)手段的落后 在實驗教學(xué)過程中，由于實驗教學(xué)經(jīng)費緊張和時間的限制，教師只是 簡 單地講授一下實驗的基本思路和操作方法，然后學(xué)生跟著做。所以，我覺得在實驗前應(yīng)做足全方面的了解，實驗時才能做的得心應(yīng)手，才能將電路與實驗