智能配电监控系统的人机交互设计

　　1 系统设计方案

　　本系统设计按键时遇到以下情况：(1)产品外设较多，单片机I/O口比较少，设计时需要考虑节省I/O口。(2)现场情况所限，键盘与主机板要有一段距离。(3)键盘需要15个按键，同时扩展一个复位按键，共16个按键。根据以上的情况采用A/D键盘最为合适。

　　考虑到系统显示既要求有图显示又有字符显示功能，因此采用单片机控制LCD，使LCD的画图、字符显示等功能最大程度地利用。

　　本系统设计的效果如图1所示。

　　2 系统结构和原理

　　人机交互系统负责数据显示及输入，通过RS485接口与主控模块进行信息交换，通过工业液晶显示主控模块传送的电量参数信息，并通过键盘输入设定系统工作模式、参数门限、通信协议。校正模拟量通道的各项电参数以及用图形直观表示一次图及电压参数的工作状态，并在出现过流过压等告警信息时发出报警声。系统能够在有限成本的条件下很好地完成此多项功能。

　　显示系统由硬件和软件两部分构成，如图2和图3所示。

　　硬件部分以STC12C5A60S2单片机为核心，晶振和复位电路作为系统工作的必要设备，从3×5矩阵键盘接收输入命令，同时通过RS485与主控模块进行实时通讯。其中键盘通过单片机的A/D功能直接采集电压判断来实现。

　　软件部分可分为底层驱动程序和上层控制两部分。底层驱动包括设置系统时钟和系统模式，配置I/O口、初始化串口打开ADC转换功能，初始化LCD控制器、中断控制器等。上层控制程序不断查询是否有按键按下。若有按键按下，则执行相应的任务，LCD显示相应的内容;同时如果需要，通过RS485向主控模块发出控制或请求数据等信息。

　　3 系统硬件电路设计

　　3.1 键盘电路

　　人机交互系统中输入控制命令，设置数值，查询电参数、历史数据、告警信息等都肯定要使用键盘。系统中设计采用的是3×5的键盘，外加一个复位按键组合成4×4格式安装，其中除了0～9这10个数字外，还有确定键“Enter”、菜单键“Menu”、上键“Up”、下键“Down”、“静音”键及复位键。在端口KEY0、KEY1、KEY2输出线上接上拉电阻，使端口能准确的置高、置低。上拉电阻的另一端则连接在一起接5 V电源。电路图如图4所示。

　　图为3x5键盘设计电路，KEY0、KEY1、KEY2连接至单片机具有A/D功能的I/O口，此时就可以通过A/D扫描读取，可以根据A/D值判断有无按键按下或是那个按键按下。根据上图电阻值可以算出：无按键按下，A/D值为5 V;SW1按下，通过计算知A/D值为VCC×R1/(R1+R20)=0.16 V;SW4按下，A/D值为VCC×R1/(R1+R20+R24)=0.733 V;同理，SW7=1.559 V;SW10=2.287 V;S5=2.875 V;根据A/D采集值比较，最接近哪个键值的范围，则就是该按键。