本系統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，設計時需要考慮節省I／O口。(2)現場情況所限，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。

　　本系統設計的效果如圖1所示。

　　2 系統結構和原理

　　人機交互系統負責數據顯示及輸入，通過RS485接口與主控模塊進行信息交換，通過工業液晶顯示主控模塊傳送的電量參數信息，并通過鍵盤輸入設定系統工作模式、參數門限、通信協議。校正模擬量通道的各項電參數以及用圖形直觀表示一次圖及電壓參數的工作狀態，并在出現過流過壓等告警信息時發出報警聲。系統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。

　　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時鐘和系統模式，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向主控模塊發出控制或請求數據等信息。

　　3 系統硬件電路設計

　　3．1 鍵盤電路

　　人機交互系統中輸入控制命令，設置數值，查詢電參數、歷史數據、告警信息等都肯定要使用鍵盤。系統中設計采用的是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位顯示數據線，且傳輸數據迅速；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據是一位一位傳輸的，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。本系統中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的Flash，其中的線條及方框均直接使用其繪圖功能實現。

　　如果page_index=2，則LCD顯示器上顯示第2頁面。用戶可按數字鍵控制page_index的值選擇對應頁面，實現人機交互。電參數頁面如圖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，包括系統參數設置頁面、門限參數設置頁面、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。

　　4．4 數據輸入模塊

　　若當前的操作頁面屬于“置數界面”，使用數字鍵輸入滿足用戶要求的任何數值，例如圖11中的門限設置中的數值輸入。數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選項、修改數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，但卻實現了30多頁操作界面的顯示和切換，以及數據設定和查詢等人機交互功能，同時還實現了監控，控制和通信功能。