基于单片机的电压测量人机界面设计Design of voltage measurement man-machine interface based on MCU
摘要
随着科技的快速发展，电子检测技术发展很快,单片机技术现在已渗透到我们生活的许多领域，几乎很难找到哪个领域没有单片机的踪迹，由此可见单片机的应用对我们的工作生活已越来越重要了，为了更好的从事以后的工作，所以我们更需要很好的运用它掌握它。
在现实的生活中电压测量是故障诊断中最常使用并且也非常有效的检测方法。因此拥有一块好用精良的电压表对我们日后的工作生活都是非常有好处的。此设计制作了一种基于Atmega16单片机的电压测量表,它实现数字电压表的硬件电路与软件设计, 该系统的数字电压表电路相对简单,所用的元件相对较少,成本较低,实用性比较强，可以测量范围0～24V的电压值,并将测量的电压值显示在液晶显示器12864上，此设计并还带有密码登陆、修改密码、设定电压上下限和报警等功能。
此文首先介绍关于此设计的背景意义和设计实现的功能。然后介绍设计中用到的单片机的功能特性以及液晶显示器的选择功能特征。最后进行电压表的硬件设计软件编程等。
关键词：Atmega16；单片机；电压；液晶显示器12864
ABSTRACT
With the rapid development of China's modern technology, electronic detection technology has been developed very fast, single-chip technology has penetrated many areas of our lives, almost difficult to find which areas no traces of the microcontroller, visible microcontroller applications of our work life has become increasingly important, so in order to better engage in future work, we need more good use of it.
The voltage measurement in real life is the most commonly used and very effective detection method in fault diagnosis. Have a good voltmeter to our work life are very good. Design a Atmega16 microcontroller-based voltage measurement hardware circuit and software design, digital voltmeter digital voltmeter circuit is simple, with fewer components, low cost, practical, strong, 0 to 24V voltage value can be measured, and the measured voltage value is displayed in the LCD 12864, with password login, change your password, set upper and lower limits of the voltage and alarm functions.
This article first introduces the background meaning and design and implementation of design features. And then describes the functions of the MCU used in the design and the choice of the liquid crystal display. Last voltmeter hardware design.
Keywords:ATmega16; microcontroller; voltage; LCD 12864
目录
1 引言 (1)
1.1设计的背景及意义 (1)
1.2发展历史及研究现状 (2)
1.3数字电压测量的原理 (3)
2 设计总体方面 (4)
2.1设计要求 (4)
2.2设计实现功能 (4)
2.3单片机的选型 (5)
2.4设计方案 (6)
3 数字电压表的简介 (7)
3.1数字电压表的特点 (7)
3.2用于数字电压表内的AD转化器分类 ...................................... 错误！未定义书签。
3.3单片机内的A/D转换器结构和性能 (8)
4主要元器件简介及设计 (10)
4.1ATMEGA16单片机 (10)
4.2ATMEGA16单片机引脚功能 (13)
4.3液晶显示器12864的特点及功能简介 (16)
4.4按键电路的设计 (19)
4.5报警单元的设计 (20)
4.6电源电路的设计 (21)
结论 (22)
参考文献 (23)
附录1：程序 (24)
致谢 (44)
I
1 引言
数字电压表简称为DVM，它是运用了数字化测量技术，把连续模拟的信号转换成不连续，离散的数字形式加以显示的仪表。传统的指针式电压表功能过于单一，精度相对较低，不能完全满足现代数字化的需求，而采用了单片机的数字式电压表，拥有精度高，抗干扰能力强，可扩展性强，集成较为方便，可以与PC进行实时通信等优点，因此得到广泛的应用。目前由各种单片机A/D转换器构成的数字式电压表，已被广泛的应用于电子及其电工的测量，工业自动化仪表，自动测试系统等智能化测量领域，已显示出强大的生命力。数字式电压表是诸多数字化仪表的核心与基础，电压表的数字化是将连续的模拟量转换成不连续的离散的数字量形式，并把它显示出来，这有别于传统的指针加刻度盘进行读数的方法，避免了读数的误差和人为原因等很多情况，目前数字电压表的核心部件是A/D转换器，因此转换器的精度很大程度上影响着数字电压表的准确度。本设计主要分为两个部分：电压表的硬件电路设计和软件设计程序。而硬件电路又可以分为单片机小系统电路、复位电路、液晶显示器电路、系统报警电路、电压采集电路等，各部分电路的设计及原理将会在硬件电路设计中进行详细的介绍。软件程序将在文中附录中给出以便读者日后更好的进行研究。
1.1设计的背景及意义
数字式电压表作为数字技术的成功应用典型，已经发展的非常好。数字电压表（Digital Voltage Meter，DVM），因其功能齐全、精确度高、灵敏度较高、显示电压直观等突出优点深受广大用户的欢迎和喜爱。其中尤其是以A／D转换器为代表的集成电路为最优，进而使DVM向着多功能化、小型化、智能化的方向快速发展。DVM 运用单片机控制技术，组成智能的仪表；并与计算机相连接，组成自动测试系统。在这个数字化快速发展的时代，从大到空间的雷达，地球卫星定位系统，移动通信设备，小到家庭使用的计算机，数码电器设备，数字录音笔等设备中，数字技术与数字电路组成的数字系统已经成为这些现代电子系统的重要组成部分。数字电压表正进入一个高速发展的黄金时期，一方面它开拓了电子测量领域的先河，另一方面它本身也在朝着准确度、智能化、低成本的方向发展。目前，数字电压表作为数字化仪表的基础与核心，已被广泛用多个领域，显示出强大的生命力。与此同时，由电压表扩展而成的各种通用及专用仪表，也将电量及非电量测量技术提高到崭新水平。
众所周知在日常生活生活中电压测量是故障诊断中最常使用的检测方法。因此拥有一块好的电压表是很重要的，对我们的工作生活都是非常有益的。我们对电压表的分类有很多方法，既可以根据电压测量对象的类型不同，可分为直流电压测量和交流电压测量两种：又可以因使用的工具工作原理的不同，又可分为模拟式电压表测量和数字式电压表测量两类。
模拟电压表为指针式，一般用磁电式电流表头作为指示器，并在电流表盘上加以电压刻度。由于表头中是以电流流经磁场中的线圈所产生的电磁力，作为指针偏转的动力。因此测量时需要从被测对象中获取一定量的电流，因此将不可避免的对被测对象的数值造成一定的影响，其影响的程度大小与表头的灵敏度有关。
数字式电压表则于指针式完全不同，因为输入的被测量电压首先经过前端的分压器进行分压，从而实现量程的选择，再将输入的模拟量过A/D转换器变为数字量送入控制器中，并以十进制数字的方式直接显示出来。
1.2发展历史及研究现状
数字电压最早是1952年由美国NLS公司研制成功的，它刚开始使用时它只有4位，60多年以来经过多次的改良变革技术突破，数字式电压表已有了相对较大的进步和提高。数字电压表是从电位差计的自动化过程中研制成功的。刚开始是4位数码显示，进而是5位，6位显示，而现在发展到7位，8位数码显示；也从最初的只有一两种类型发展到今天原理不同的几十种类型；从最早的采用继电器，电子管技术发展到如今全晶体管，集成电路，微处理器化技术；传统的电压表功能单一、精度比较低，早已不能满足时代的需求，采用单片机的数字电压表精度高、抗干扰能力强，可扩展性强、集成方便，还可以与 PC 进行实时通信，目前，由各种单片 A/D 转化器构成的数字电压表，以被广泛用于生产生活的广泛领域，拥有较强的发展空间。与此同时，由 DVM 扩展而成的各种通用及专用数字仪表仪器，也把电量及非电量测量技术提高到崭新高度。数字式电压表的设计和研究，现在已有了许多的类型和款式。传统的数字电压表也有许多特色，它们主要适用于现场手工的测量，如果想要实现远程测量并想要对测量数据做处理，它是根本就无法实现的。然而基于 PC 通信的新式数字电压表，他既能完成数据的传递，又能借助 PC 对测量的数据进行进一步的处理。因此数字式电压表不论在功能上还是在实际中，都拥有传统电压表无法相比的优点，这使得他的开发和应用拥有良好的发展前景。
1.3 数字电压测量的原理
数字电压表的基本工作原理是利用A/D转换电路将待测的模拟信号转换成数字信号，通过相应的换算后将测试结果以数字形式显示出来的一种电压测量设备。较之于一般的模拟电压表，数字电压表拥有精度高、测量准确、读数直观、使用方便等优点。
电压表的数字化测量，关键在于如何把随时连续变化的模拟量转化成数字量，完成这种转换的电路叫模数转换器（A/D）。数字电压表的核心部件就是A/D转换器，由于各种不同的A/D转换原理构成了各种不同类型的数字式电压表。一般说讲，A/D 转换的方式可分为两类：积分式和逐次逼近式。
积分式A/D转换器是先用积分器将输入的模拟电压转换成时间或频率，再将其数字化。根据转化的中间量不同，它又分为U-T（电压-时间）式和U-F（电压-频率）式两种。
逐次逼近式A/D转换器分为比较式和斜坡电压式，根据不同的工作原理，比较式又分为逐次比较式及零平衡式等。斜坡电压式又分为线性斜坡式和阶梯斜坡式两种。在高精度数字电压表中，常采用由积分式和比较式相结合起来的复合式A/D转换.本设计以ATmaga16单片机为核心，液晶显示器12864为主体，构造了一款简易的数字电压表。
2 设计总体方面
2.1设计要求
⑴主要以Atmega16单片机作为核心器件，组成一个简单实用的数字电压表。
⑵采用2路模拟电压输入，目的使它能够测量0-24V之间的直流电压值。
⑶电压显示用液晶12864显示，分别显示两点的电压和两点之间的电压差。
⑷尽可能的使用较少的电气元器件，来实现较多的功能要求。
2.2 设计实现功能
1验证登陆功能
本实例设计的电压测量功能模块仅为持有密码的使用者使用。使用者在进入系统前必须通过按键输入登录密码，在验证密码成功之后，系统对测量单元初始化，准备进行电压测量。如果密码错误，系统将显示“密码错误”并进行语音报警，要求使用者重新输入密码。如果连续三次密码都错误，系统将暂停输入密码功能，并延时半分钟后才能再次输入开机密码，成功后开始电压测量。
2.电压测量功能
电压测量是此设计中单片机系统完成的一项典型处理任务。单片机控制A/D转换器对被测电压信号进行采样及处理，处理的过程及结果显示在液晶显示器12864上。当测量任务完成后，系统延时一段时间并返回登录初始画面。电压的测量范围设计为A、B两点均是0V-24V。本设计采用ATmaga16单片机内部的A/D转换器来釆样电压。
3.按键登陆功能
通过面板上的按键输入开机登录密码进行电压测量,并可以通过按键设置电压测量上下限的设置、修改开机密码、系统复位、关机等功能。
4.语音报警功能
本设计釆用一般实验用蜂鸣器来做简易的语音报警设备，当登陆密码错误时蜂鸣器进行报警、测量电压达到电压设定的上下限时也会进行报警。
5.液晶显示功能
开机显示“请输入开机密码”，若密码正确则显示A点电压值、B点电压值、AB 之间电压值、和电压设置的上下限值，如密码错误会显示“密码错误”当测量的电压超出或低于设定的电压上下限时，系统会显示“超出电压设定值”或显示“低于电压设定值”。
2.3单片机的选型
如果想设计一个用单片机控制的实物，一般我们需要在选择单片机型号时的出发点大体上有以下几个方面考虑：
市场的货源
系统设计者一般只能在市场上能够提供的单片机中进行选择自己所需要的，特别是作为产品大批量使用。生产的应用系统，所选择的单片机型号必须有稳定并且充足的货源。
单片机的性能
必修根据系统的功能要求和各种单片机的性能，选择那些最容易实现系统技术指标的型号，并且要能达到较高的性能价格比。单片机性能一般包括片内硬件的资源、运行的速度、可靠性能、指令系统功能、体积和封装方面等。而影响性价比的因素除单片机的性能和价格以外，又需要考虑包括硬件和软件设计的难易程度、所对应的工作量多少，并且运用的开发工具的性价比大小。
选择AVR单片机。这个单片机特别简单，容易学习，价格便宜。AVR单片机也能升级，能节省很多费用。它的处理速度快，计算快。耗能低，保密性质好。它的I/O功能强大，能反映输入/输出的真实情况。内部自带模拟比较器，可成为A/D转换器。他能重设启动复位，单片机非常具有可靠性。它还有功能强大的定时器/计数器及通讯接口。
研制的周期
如果是在研制的任务很重、时间又很紧的状况下，就必修要考虑所选的单片机型号是否明白了解，能否马上进行系统的设计。并且与研制周期有关的另一个重要因素就是开发工具，性能优良的开发工具能加快系统地研制进程。有利于我们更好的完成设计任务，早日实现我们需要的功能，对我们日后的设计工作有较大的好处。
图2-1硬件设计图
3 数字电压表的简介
数字电压表简称DVM，它主要是采用数字化测量的技术进行测量，就是把连续的模拟量（直流输入电压）通过转换，转换成不连续、离散的数字形式并加以显示的仪表。
3.1数字电压表的特点
1．显示清晰直观，读数准确方便
传统的模拟式仪表必须要借助于指针和刻度盘进行读数，因而在读数过程中不可避免的会引入人为的测量误差。而数字电压表则采用先进的数显技术，使测量结果一目了然，只要仪表不发生跳读现象，测量结果就是唯一的。
2．显示位数
显示位数通常为31/2位、32/3位、33/4/位、41/2位、43/4位、51/2位、61/2位、71/2位、81/2位共9种。判定数字仪表的位数有两条原则：①能显示0～9所有数字的位是整数位；②分数位的数值是以最大显示值中最高位数字为分子，用满量程时最高数字作分母。例如，某数字仪表的最大显示值为1999，满量程计数值为2000，这表明该仪表有3个整数位，而分数位的分子为1，分母是2，故称之为31/2位，读作三位半。
3．准确精度高
准确度是测量结果中系统误差与随机误差的综合。
4．分辨率较高
数字电压表在最低电压量程上末位1个字所代表的电压值，称为仪表的分辨力，它反映仪表灵敏度的高低。分辨力随显示位数的增加而提高。分辨率是指所能显示的最小数字（零除外）与最大数字的百分比。例如31/2位DVM的分辨率为1/1999≈0.05％。需要指出，分辨力与准确度属于两个不同的观念。从测量角度看，分辨力是"虚"指标（与测量误差无关），准确度才是"实"指标（代表测量误差的大小）。
5．测量范围宽
多量程DVM一般可测量0～1000V直流电压，配上高压探头还可测上万伏的高压。
6．扩展能力强
在数字电压表的基础上，还可扩展成各种通用及专用数字仪表、数字多用表（DMM）和智能仪表，以满足不同的需要。
7．抗干扰能力强
51/2位以下的DVM大多采用积分式A/D转换器，其串模抑制比、共模抑制比各别可达100dB、80～120dB。高档DVM还采用数字滤波、浮地保护等先进技术，进一步提高了抗干扰能力，共模抑制比可达180dB。
3.2用于数字电压表内的AD转化器分类
A/D转换器是数字电压表、数字多用表及测量系统的"心脏"。目前国内外生产的A/D转换器已达数百种，大致可分为五大类：①单片A/D转换器；②单片DMM专用IC；③多重显示仪表专用IC；④专供数字仪表使用的特制IC（ASIC）；⑤其他通用型A/D转换器，这种芯片仅能完成模/数转换，不能直接配数字仪表。
1．单片A/D转换器
所谓"单片A/D转换器"，是采用CMOS工艺将DVM的基本电路（含模拟电路和数字电路）集成在同一芯片上，配以LCD或LED数显器件后能显示A/D转换结果的集成电路。它们均属大规模集成电路，能以最简单方式构成DVM。若对其外围电路进行扩展，增加各种功能转换器，还可构成DVM。
2．单片DMM专用IC
单片DMM专用IC是CMOS大规模集成电路和仪表技术的结晶，使用一片IC即可构成功能完善的自动量程数字多用表。特别是专配μP的DVM集成电路的问世，为开发具有高性价比的智能仪表和测试系统创造了有利条件。
3.3单片机内的A/D转换器结构和性能
1、A/D转换器结构
ATmega16有一个10位的逐次逼近型ADC。ADC与一个8通道的模拟多路复用器连接，能对来自端口A 的8 路单端输入电压进行采样。单端电压输入以0V (GND) 为基准。ADC 包括一个采样保持电路，以确保在转换过程中输入到ADC 的电压保持恒定。ADC有AVCC引脚单独提供电源。AVCC与VCC之间的偏差不能超过0.3V。A/D 转换的参考电压源可以选择2.56V的内部基准电压、AVCC或外接于AREF的电压。
2、ADC基准电压源
标称值为2.56V的基准电压以及AVCC都位于器件之内，基准电压可以通过加在AREF引脚上加一个电容进行解耦，以更好地抑制噪声。
ADC的参考电压源（VREF）反映了ADC的转换范围。若单端通道电平超过了VREF，则其结果将近0x3FF。
3、A/D转换器性能
ATmega16的A/D转换器性能指标为：
（1） 10 位精度
（2） 0.5 LSB 的非线性度
（3）± 2 LSB 的绝对精度
（4） 65 - 260 μs 的转换时间
（5）最高分辨率时采样率高达15 KSPS
（6） 8 路复用的单端输入通道
（7） 7 路差分输入通道
（8） 2 路可选增益为10x 与200x 的差分输入通道（9）可选的左对齐ADC 读数
（10） 0 - VCC 的 ADC 输入电压范围
（11）可选的2.56V ADC 参考电压
（12）连续转换或单次转换模式
（13）通过自动触发中断源启动ADC 转换
（14） ADC 转换结束中断
（15）基于睡眠模式的
4主要元器件简介及设计
4.1 ATmega16单片机
此设备是采用Atmel的高密度非易失性存储器技术生产制造。片上ISP Flash允许程序存储器通过ISP串行接口，或者通用编程器编程也可以通过编程A VR内核的引导程序运行。引导程序可以使用任意接口将应用程序下载到应用Flash内存（Application Flash存储器）。更新应用Flash区启动引导闪存（闪存）的连续运转，使RWW操作。闪存8位RISC CPU和系统可以被编程为被集成到一个单一芯片内，ATmega16的成为一个非常强大的单芯片解决方案，进行了大量的嵌入式控制应用提供了灵活的和便宜的成本。对于边界扫描JTAG接口，支持片上调试和编程，三个具有比较模式的灵活的定时器/计数器（T / C），片内/外中断，可编程串行USART 起始条件检测的通用串行接口，8通道10位ADC，具有可选差分输入级可编程增益（TQFP封装），可编程看门狗定时器，片上振荡器，一个SPI串行接口，以及六个软件可选省电模式。
在空闲模式下，CPU停止工作，USART，两线接口，A / D转换器，SRAM，T / C，SPI端口，中断系统继续工作;冻结振荡器掉电模式，所有功能除了中断停止工作和硬件复位，在省电模式下，异步定时器继续运行，允许用户保持一个时间基准，而其余的设备正在睡觉，ADC噪声抑制模式时终止CPU和除了异步定时器和ADC 以外所有I / O模块，以减少ADC转换时的开关噪声，待机模式下，晶体谐振振荡器运行，其余的设备处于休眠状态，从而使设备只消耗极少的功率，而且还具有快速启动的能力;扩展待机模式时，振荡器和异步定时器继续工作。
ATmega16的有全套的程序和系统开发工具，包括：C语言编译器，宏汇编器，调试器/模拟器，仿真器和评估板。A VR Atmega16的系列单片机，体积小，重量轻，抗干扰能力强，对环境要求不高，成本低，可靠性高，柔韧性好。在ATmega16 A VR 内部有很多的指令集，并有32个通用工作寄存器。且所有寄存器都直接与算术逻辑单元（ALU），这将允许在同一时间访问两个独立的寄存器的指令在一个时钟周期。采用这种结构，大大提高了效率比平常的微控制器具有高达10倍的代码和数据通过。
ATmega16的微控制器具有以下优点：16K字节的系统可被编程到闪存（能力强的读取和写入，即在同一时间，RWW），512字节的EEPROM，1K字节SRAM，32个通用I / O口线，32个通用工作寄存器JTAG边界扫描接口，支持片上调试与编程，三个具有比较模式的灵活的定时器/计数器（T / C），片内/外中断，可编程串行USART可编程看门狗定时器启动条件探测器通用串行接口，8通道10位ADC
可选差分输入级可编程增益（TQFP封装），片上振荡器，一个SPI串行端口，以及六个软件可选省电模式。在空闲模式下，CPU停止工作，USART，两线接口，A / D 转换器，SRAM，T / C，SPI端口，中断系统继续工作;冻结振荡器掉电模式，所有功能除了中断停止工作和硬件复位，在省电模式下，异步定时器继续运行，允许用户保持一个时间基准，而其余的设备正在睡觉，ADC噪声抑制模式时终止CPU和除异步定时器和ADC以外所有I / O模块，以减少ADC转换时的开关噪声;待机模式下，晶体谐振振荡器运行，其余的设备处于休眠状态，从而使设备只消耗极少的功率，也有快速启动;扩展待机模式时，振荡器和异步定时器继续工作。
高性能、低功耗的8位A VR微处理器先进的RISC 结构：
（1）131条指令
（2）大多数指令执行时间为单个时钟周期
（3）32个8位通用工作寄存器
（4）全静态工作
（5）工作于16MHz时性能高达16MIPS
（6）只需两个时钟周期的硬件乘法器
（7）非易失性程序和数据存储器
（8）16K 字节的系统内可编程Flash，擦写寿命: 10,000次
（9）拥有独立锁定位的可选Boot代码区，通过片上Boot程序实现系统内编程，真正的同时读写操作
（10）512 字节的EEPROM，擦写寿命: 100,000次
（11）1K字节的片内SRAM
（12）可以对定位进行编程以实现用户程序的加密
（13）JTAG 接口( 与IEEE 1149.1 标准兼容)
（14）符合JTAG 标准的边界扫描功能
（15）支持扩展的片内调试功能
（16）通过JTAG 接口实现对Flash、EEPROM、熔丝位和定位的编程
外设特点：
（1）两个拥有独立预分频器和比较器功能的8位定时器/计数器
（2）一个拥有预分频器、比较功能和捕捉功能的16位定时器/计数器
（3）拥有独立振荡器的实时计数器RTC
（4）四通道PWM
（5）8路10位ADC，8个单端通道，2个拥有可编程增益（1x, 10x, 或200x）的差分通道
（6）面向字节的两线接口
（7）两个可编程的串行USART
（8）可工作于主机/ 从机模式的SPI 串行接口
（9）拥有独立片内振荡器的可编程看门狗定时器
（10）片内模拟比较器
（11）特殊的处理器特点
（12）上电复位以及可编程的掉电检测功能
（13）片内部经过标定的RC振荡器
（14）片内/片外中断源
（15）6种睡眠模式: 空闲模式、ADC 噪声抑制模式、省电模式、掉电模式、Standby 模式以及扩展的Standby模式
I/O和封装：
（1）32个可编程的I/O口
（2）40引脚PDIP封装, 44引脚TQFP封装, 与44引脚MLF封装
工作的电压：
（1）ATmega16L：2.7 - 5.5V
（2）ATmega16：4.5 - 5.5V
速度的等级：
（1）8MHz ATmega16L
（2）0-16MHz ATmega16
（3）ATmega16L在1MHz, 3V, 25°C时的功率消耗
（4）正常模式下: 1.1 MA
（5）空闲模式下: 0.35 MA
（6）掉电模式下: < 1 μA
4.2 ATmega16单片机引脚功能
Atmega16单片机采用40引脚DIP封装，其引脚分布以及电路连接下图所示。
图4-1 Atmega16单片机引脚及电路连接
引脚说明如下：
VCC 数字电路的电源
GND 接地
端口A(PA7..PA0) 端口A做A/D 转换器的模拟输入端。端口A 为8 位双
向I/O 口，具有可编程的内部上拉电阻。其输出缓冲器
具有对称的驱动特性，可以输出和吸收大电流。作为输
入使用时，若内部上拉电阻使能，端口被外部电路拉低
时将输出电流。在复位过程中，即使系统时钟还未起振，
端口A 处于高阻状态。
端口B(PB7..PB0) 端口B 为8 位双向I/O 口，具有可编程的内部上拉电
阻。其输出缓冲器具有对称的驱动特性，可以输出和吸
收大电流。作为输入使用时，若内部上拉电阻使能，端
口被外部电路拉低时将输出电流。在复位过程中，即使
系统时钟还未起振，端口B 处于高阻状态。
端口C(PC7..PC0) 端口C 为8 位双向I/O 口，具有可编程的内部上拉电
阻。其输出缓冲器具有对称的驱动特性，可以输出和吸
收大电流。作为输入使用时，若内部上拉电阻使能，端
口被外部电路拉低时将输出电流。在复位过程中，即使
系统时钟还未起振，端口C 处于高阻状态。如果JTAG
接口使能，即使复位出现引脚 PC5(TDI)、 PC3(TMS)与
PC2(TCK)的上拉电阻被激活。
端口D(PD7..PD0) 端口D 为8 位双向I/O 口，具有可编程的内部上拉电
阻。其输出缓冲器具有对称的驱动特性，可以输出和吸
收大电流。作为输入使用时，若内部上拉电阻使能，则
端口被外部电路拉低时将输出电流。在复位过程中，即
使系统时钟还未起振，端口D 处于高阻状态。RESET 复位输入引脚。持续时间超过最小门限时间的低电平将
引起系统复位。持续时间小于门限间的脉冲不能保证可
靠复位。
XTAL1 反向振荡放大器与片内时钟操作电路的输入端。
XTAL2 反向振荡放大器的输出端。
AVCC 它是端口A与A/D转换器的电源。不使用ADC时，该引
脚应直接与VCC连接。使用ADC时应通过一个低通滤波
器与VCC 连接。
4.2.1 Atmega16单片机的最小系统外围电路
ATmega16是基于增强的AVR RISC结构的低功耗8 位CMOS微控制器。由于其先进的指令集以及单时钟周期指令执行时间，ATmega16 的数据吞吐率高达1 MIPS/MHz，从而可以减缓系统在功耗和处理速度之间的矛盾。
ATmega16特点:
（1）16K字节的系统内可编程Flash
（2）512 字节EEPROM
（3）1K 字节SRAM
（4）32个通用I/O 口线
（5）一个SPI 串行端口
（6）三个具有比较模式的灵活的定时器/ 计数器(T/C),片内/外中断
（7）可编程串行USART，有起始条件检测器的通用串行接口
（8）8路10位具有可选差分输入级可编程增益的ADC
（9）具有片内振荡器的可编程看门狗定时器
图4-2 ATmega16最小系统的外围电路.
4.3液晶显示器12864的特点及功能简介
4.3.1液晶显示器LCM12864简介
液晶显示模块是128×64点阵的汉字图形型液晶显示模块，可显示汉字及图形，内置8192个中文汉字（16×16点阵）、128个字符（8×16点阵）及64×256点阵显示RAM9(GDRAM)。可与CPU直接接口，提供两种界面来连接处理机:8位并行及串行两种连接方式。具有多种功能：光标显示、画面移位、睡眠模式等。
一、基本特征：
（1）低电源电压（VDD:+3.0--+5.5V）
（2）显示分辨率:128×64点
（3）内置汉字字库，提供8192个16×16点阵汉字(简繁体可选)
（4）内置 128个16×8点阵字符
（5）2MHZ时钟频率
（6）显示方式：STN、半透、正显
（7）驱动方式：1/32DUTY，1/5BIAS
（8）视角方向：6点
（9）背光方式：侧部高亮白色LED，功耗为普通LED的1/5—1/10
（10）通讯方式：串行、并口可选
（11）内置DC-DC转换电路，无需外加负压
（12）无需片选信号，简化软件设计
（13）工作温度:0℃-+55℃,存储温度:-20℃-+60℃
《人机界面设计》实验指导书 丰艳 青岛科技大学 信息科学技术学院
实验一使用Visio 2003设计网页初稿 一、实验目的及要求： （1）了解Visio工具软件的功能特色、安装、工作环境和基本操作等各方面的基本知识。 （2）掌握应用Visio工具绘制软件开发图形的基本操作。 （3）学习使用Visio工具绘制网页设计初稿。 二、实验平台： 操作系统：Windows XP以上版本 实验环境：Microsoft Visio Professional 2003版 三、实验内容： 1、本实验中，我们以Microsoft Visio Professional 2003中文版为例，来学习Visio 的工作界面和基本操作。具体包括： (1) 菜单 (2) 工具栏 (3) 定位工具：使用标尺、网格、定位导线和连接点、体会它们的定位功能。 (4) 文件操作 (5) 绘图页面操作 2、制作第一个Visio图形：一个关于演示C程序运行步骤的流程图。 3、Visio应用实践：尝试使用Visio绘制你的网页设计初稿。 四、实验步骤： 1、Visio的工作环境 Visio的工作环境包括工作窗口、菜单、工具栏、定位工具以及帮助等内容。 1) 工作窗口。对应所打开Visio文件的不同，工作窗口也会有所差异，但其基本样式类似。如图1是—个新建的Visio数据流程图文件的工作窗口。 ①菜单：通过单击菜单命令的操作，可以实现Visio的各项功能。 ②工具栏：可以快速执行各项功能和操作，是菜单的快捷方式。 ③绘图页面：相当于一张图纸，可以在它上面生成并编辑图形。一个绘图文件可以产生好几个绘图页面，可以通过“页面标签”来切换。 ④网格：在绘图时对图形的位置进行校正，但打印时一般并不显示。 ⑤标尺：用于对图形进行更为精确的定位。 ⑥绘图窗口：相当于一个工作台，在上面放置绘图页面等其他组件。 ⑦形状(也称图件) ：是Visio中最核心的部分。通过鼠标的拖拽而在绘图页面中产生对应的图形副本。将鼠标指针在图件上停留片刻，可以看到对该图件的注释，即对该图件功能和使用范围的说明。 ⑧模具：存放各种图件的仓库。 2) 视窗的调整。主要依靠菜单中的“视图”、“窗口”命令和“视图”工具栏来实现。视窗调整中常见的操作包括：
人机界面设计（含案例分析） 家电（冰箱）Haier/海尔 BCD-231WDBB 场所：冰箱是家用厨房内最为常见的家电产品之一。在公共空间比 如餐厅，酒店也都有配备。 作用：冰箱使食物或其他物品保持冷态，具有储藏，冷冻的功能。 人机界面分析： 把手： ①位置：把手设计符合大众身高结构，一般根据实际冰箱高度设 计，比如此冰箱总高1722mm，三门设计，把手分别在550mm左 右、950mm左右、1300mm左右。 ②形状：此冰箱把手属于隐藏式把手设计，使机器整体统一美观。 把手形状呈长方形凹槽，适用于大多数家庭成员的高度差异。 ③功能：此把手设计即运用手部动作，通过抓、拉来实施对冰 箱门的控制。外观大方，开门方便，不积灰尘，容易清理。 存储空间： ①位置：此冰箱为三门设计，区分两个不同的存储空间，分别 是冷藏室和冷冻室。上门与下门等比例分布，中门5°C--- 18°C全温区变温。 ②形状：三个存储空间均为长方形，中间有长方形隔板分割， 阶梯式分割方式，适用于不同食材的存放。冷冻室采用抽屉设 计，极大拓展了冷冻空间，抽屉装饰有仿金属材质亮银色饰 条，质感强，坚固耐用。 ③功能：冷藏室主要储存新鲜的食物或是烹饪过的食物，海鲜肉类在放入 冷藏室24小时低温排毒后放入冷冻室保存。冷冻室一般保存海鲜肉类等需 要保存较长时间不使用的食物。 显示部分、按钮： ①位置：显示部分、按钮一般在人眼可以看见，手可以触及的范围内。此 冰箱在面板中间高约1650mm的位置。 ②形状：此冰箱显示按钮部分为竖立的长方形，与整体机器相统一，整体 感强。从上到下分为四个区域，用黑色实线区分，分别是温区选择、温度 调节、功能选择和设定。上面三个区域为LED灯的液晶显示，设定按钮呈圆形，触摸式按钮，反应灵敏好操作。
在工业设计中人机界面设计的应用 在工业设计中人机界面设计的应用 一、界面设计与工业设计之渊源 界面设计和工业设计在基本思想与内容上有很多一致性。 首先，在基本思想方面，工业设计的观点是要把包括对美的追求在内的精神、文化因素融入到物质产品中去，即创造的产品应同时满足人们的物质与文化需求。这与界面设计的基本理论即产品设计要适合人的生理，心理因素，与工业设计的基本观念“创造的产品应同时满足人们的物质与文化需求”，意义基本相同，侧重稍有不同。 其次，关于工业设计与界面设计的不同，有一种说法是：界面设计是以研究与处理“人与物”之间的信息传递为主。而工业设计则以研究与处理“人与物”之间的各种关系。特别是对较复杂的产品，工业设计并不深入研究科学技术的具体细节。界面设计虽然也是既研究“机”，也研究“人”，研究人生理学和心理学等方面的各种因素。但研究“机”，一般是指其中与人发生直接关系的部分，不一定深入追究“机”的原理与构造研究“人”，则仅研究与“机”相关的生理、心理学等方面的各种因素。简言之，工业设计与界面设计同样都是研究人与物之间的关系，研究人与物交接界面上的问题。
二、信息时代工业设计呼唤界面设计 当机械大工业发展起来的时候，如何有效操纵和控制产品或机械的问题导致了人机工程学。二战后，随着体力的简单劳动转向脑力的复杂劳动，人体工学也进一步地扩大到人的思维能力的设计方面。”使设计能够支持、解放、扩展人的脑力劳动“。在信息时代，满足了物质需求的情况下，人们追求自身个性的发展和情感诉求，设计必须要着重对人的情感需求进行考虑。设计因素复杂化导致设计评价标准困难化。个性化的设计作品能否被消费者所认同7新产品开发能不能被市场所接受7在目前，我国大部分企业实力还并不强大，设计开发失利承受力还不很强的情况下，如何系统地、有根据地认识、评价设计，使其符合市场，就需要对设计因素再认识。利用界面分析法，正是使设计因素条理化，避免将人作为“生物人”的片面和走出笼统地说“设计＝科学＋艺术”的简单误区。对许多以微电子机制的产品而言，由于功能的执行不再是传统的可感知方式，而是电子的无形运作，造成了产品外观形式无法解释和表达其内部功能及使用状态。于是在使用者与产品之间便构筑了所谓用户界面（User Interface），籍以实现人机之间的沟通和交流。 随着科技渗透到我们的日常生活中，用户界面的出现日益普遍，其主要形式有：数字产品（信息产品）的使用操作界面，如收音机、PDA、rnp3播放器，电脑软界面以及网页界面等。随着电子技术日益发展，尤其是科技应用带给人类的愉悦和体验，电子数字产品必将更加深入地影响生活的各个方面和层面。将有越来越多的关于界面的问题出现，
do:i 10.3969/.j issn .1672 6073.2011.01.016 都市快轨交通 第24卷第1期2011年2 月 学术探讨 基于图形化编程语言的列车人机界面设计 客金坤 梅 樱 郭红卫 刘志刚 (北京交通大学电气工程学院 北京 100044) 摘 要 详细介绍一种适用于城市地铁车辆人机界面的设计方案。通过对比分析,选择功能强大的x86架构硬件平台、开源但稳定性好的L i nux 系统及图形化编程语言Lab V I E W 。组建并论述人机界面的整体架构和各个界面的对应功能,实验结果验证了系统设计方案的正确性和优越性。 关键词 城市轨道交通 地铁车辆 人机界面 图形化编程 L inux 可靠性 中图分类号 U 239.5;U 231.6 文章标志码 A 文章编号 1672 6073(2011)01 0065 04 1 地铁车辆人机界面 在列车运行控制系统中,车载人机界面是车载设备与驾驶员进行信息交互的平台,是列车运行控制系统的一个重要组成部分。随着现代微机控制的地铁车辆中司机需要的信息日益增加,传统司机室以模拟仪表和指示灯为主的显示方式已经不能适应现代地铁车辆的需要,由此应运而生了基于平板显示器和微机结合构成的智能终端。这种终端具有显示容量大、信息集成显示、信息可存储等特点,使机车司机室的显示装置简洁化和标准化。通过智能终端提供友好的车载人机界面,司机可以对列车的相关参数进行设置,实时地得到有关列车和线路的相关状态和数据,对车载设备发出的命令和警告及时进行响应。 基于此,笔者在平板电脑功能强大的硬件平台上,在L i nux 操作系统下,用L ab V I EW 开发了一个适用于城市地铁车辆的人机界面。 2 系统整体方案设计 目前,人机界面的开发硬件平台主要是基于ARM 收稿日期:2010 04 23 修回日期:2010 05 14 作者简介:客金坤,男,硕士研究生,从事电力电子与电力传动的研 究,k e j i nku n @gm a i .l com 基金项目: 十一五 国家科技支撑计划重点项目(2007BAA12B07) 和x86两种架构,操作系统主要是W inCE 、L i nux 、 Vx W or ks ,编程语言多采用文本编程语言或组态软件等。其中,人机界面的开发方案主要为以上不同硬件平台、操作系统及编程语言的组合。 2.1 硬件平台的选择 相比x86架构的处理器硬件平台,低功耗是AR M 架构的优势,但硬件资源(如处理器性能、存储容量等)明显不如x86架构的硬件平台。列车对功耗的要求并不像手机等移动设备那么苛刻,而对人机界面的性能要求比较高,因此x86架构的硬件平台更适合做车载人机界面的开发。另外,车上电磁环境恶劣且机械振动强烈,要求人机界面的硬件有很好的抗电磁和抗振能力,有比较大的存储能力。 基于以上原因,选择了一款平板电脑PPC104。它采用的是威盛的工业主板VB7007,其中央处理器采用业界领先的低功耗、高性能V I A C7 D 1.5处理器,提供了极其出色的低功耗、无噪声的理想应用系统,带有1GB 的内存;出于列车机械振动的考虑,硬盘选择了8GB 的固态硬盘,增强了整个系统的可靠性;主板的接口丰富,有双网卡、4个CO M 端口和4个USB 2.0接口;显示屏采用10.4英寸高亮度TFT 显示器及高端5线电阻触摸屏,能提供清晰优异的显示效果和简单准确的触摸操作。 2.2 操作系统的选择 由于列车的人机界面对操作系统的安全性、可靠性、可用性要求非常高,因此操作系统系统必须能保证安全、可靠、不间断地工作。 W i nCE 、L i nux 、V x wor ks 是做人机界面3种常用的操作系统。W inCE 开发周期短,但稳定性不如其他两种操作系统;且W inCE 是收费的,每个产品都要向微软买一个许可证,大大增加了产品的成本。Vx W orks 以其良好的可靠性和卓越的实时性,被广泛地应用在通信、军事、航空、航天等高精尖技术及对实时性要求极高的领域中,如卫星通信、军事演习、弹道制导、飞 65
人机界面设计案例分析 什么是人机界面人机界面是指人和机器在信息交换和功能上接触或互相影响的领域或称界面所说人机结合面，信息交换，功能接触或互相影响，指人和机器的硬接触和软触，此结合面不仅包括点线面的直接接触，还包括远距离的信息传递与控制的作用空间。人机结合面是人机系统中的中心一环节，主要由安全工程学的分支学科安全人机工程学去研究和提出解决的依据，并过安全工程设备工程学，安全管理工程学以及安全系统工程学去研究具体的解决方法手段措施安全人机学。它实现信息的内部形式与人类可以接受形式之间的转换。凡参与人机信息交流的领域都存在着人机界面。大量运用在工业与商业上，简单的区分为输入（Input）与输出（Output）两种，输入指的是由人来进行机械或设备的操作，如把手、开关、门、指令（命令）的下达或保养维护等，而输出指的是由机械或设备发出来的通知，如故障、警告、操作说明提示等，好的人机接口会帮助使用者更简单、更正确、更迅速的操作机械，也能使机械发挥最大的效能并延长使用寿命，而市面上所指的人机接口则多界狭义的指在软件人性化的操作接口上。 人机界面的设计原则1、以用户为中心的基本设计原则 在系统的设计过程中，设计人员要抓住用户的特征，发现用户的需求。在系统整个开发过程中要不断征求用户的意见，向用户咨询。系统的设计决策要结合用户的工作和应用环境，必须理解用户对系统的要求。最好的方法就是让真实的用户参与开发，这样开发人员就能正确地了解用户的需求和目标，系统就会更加成功。 2、顺序原则 即按照处理事件顺序、访问查看顺序（如由整体到单项，由大到小，由上层到下层等）与控制工艺流程等设计监控管理和人机对话主界面及其二级界面。 3、功能原则 即按照对象应用环境及场合具体使用功能要求，各种子系统控制类型、不同管理对象的同一界面并行处理要求和多项对话交互的同时性要求等，设计分功能区分多级菜单、分层提
第11章用户界面设计 人机交互活动的大量存在于计算机运行的整个过程当中。目前的应用软件 都采用图形界面用以交互，图形界面的研究也成为了许多软件开发机构的课 题。本章内容主要包括：界面软件设计，设计人机交互子系统，图形用户界面 设计，多媒体用户界面设计。 11．1基础知识 11．1．1 软件面设计 1．可使用行 可使用行是用界面设计最重要的目标。它强调简单，术语标准化和一致 化，拥有完善的帮助功能，系统响应快可系统成本低，具有良好的容错能力。 2．灵活行 灵活行包括：算法可隐可现，界面方式可由用户动态制定和修改，提供 不同详细程度的系统响应信息，界面的标准化。 3．复杂行 复杂行是用户界面的规模和组织的复杂程度。在完成预定功能的前提 下，用户界面越简单越好。 4．可靠性 无故障使用的时间越长，改用户界面的可靠性就越高。用户界面应能保 证用户正确，可靠的使用系统，保证有关程序和数据的安全行。 5．用户界面设计存在的问题 用户界面的开发有别于其他软件，无固定结构，其目的和用户的真正需 求相适应。但是用户的意图有时候并不容易表达出来，唯有通过进一步的探索 和咨询的方法来完成。而目前的一部分软件设计者的心目中，存在一些心里障 碍，容易妨碍友好界面的设计： （1）部分软件人员没有从用户的角度去考虑界面设计，没有重视界面的美观和方便。 （2）设计人员习惯单一的抽象思维，希望能自主控制软件的运行，忽略了人机交互，有些开发人员则是懒于设计界面的健壮行，害怕用户的干 预导致程序运行的瘫痪。 （3）软件人员和用户在知识结构上存在差异，程序员不乐于学习用户工作领域的专业知识，忽视了软件的专业行，导致生成的软件不适合用户 的习惯。 11．1．2设计人机交互子系统 1．准则 设计出让用户满意的人机交互界面应遵循如下原则：一致性，操作简单， 及时提供反映信息，提供撤销命令，无需记忆，易学，富有吸引力。 2．策略 用户界面是适应人的需要而建立的，因此需要清楚用户的类型，用户的 特性度量以及对用户的工作进行分析。 173
第二章文献综述 2.1人机界面概述 2.1.1人机界面定义 人机界面存在于人—物信息交流的过程，甚至可以说，人物信息交流的一切领域都属于人机界面，它的内涵是极其广泛的。它反映着人—物之间的关系。 人机界面（Human-Machine Interface），是人与机器进行交互的操作方式，即用户与机器互相传递信息的媒介，其中包括信息的输入和输出。好的人机界面操作简单、美观易懂，且具有引导功能，使用户感觉愉悦、兴趣浓厚，从而提高使用效率。 自20世纪90年代，人机交互界面作为一个独立、重要的研究领域，日益受到各界人士的广泛关注。 2.1.1.1广义人机界面 广义的人机界面是指，人与机器之间存在一个相互作用的“面”，称为人—机界面，人与机器之间的信息交流和控制活动都发生在这个界面上。机器通过各种显示作用于人，实现与人的信息传递；人通过眼、耳等感觉器官接收来自机器的信息，经过人脑的加工处理，做出反应，从而实现人—机的信息交互。我们可以把人机界面看作是一个交互系统，在分析人机界面系统模型时，建立并分析人的行为模型，从而建立并分析人机界面系统。所以，人机界面的设计直接关系到人机关系的合理性。人机界面的研究主要是：显示与控制。（如图2.1所示）
图2.1 人机系统模型 2.1.1.2狭义人机界面 狭义的人机界面是指计算机系统内的人机界面（Human-Computer Interface，HCI），又指人机接口、用户界面（User Interface）。它是计算机科学的一个分支。人机界面是人与计算机之间信息传递的媒介，是计算机系统向用户提供的综合操作环境。它是计算机科学与认知心理学两大科学相结合的产物，涉及到计算机技术，如人工智能、自然语言处理、多媒体系统等，同时也吸收了语言学、人机工程学、图形艺术、社会学的研究成果。近年来，随着计算机技术和网络技术的迅速发展，人机界面设计和开发已经成为国际计算机界最活跃的研究领域。 计算机系统是由计算机的硬件、软件和人构成的系统，人与硬件和软件结合 构成了人机界面。人机界面设计师的主要作用是协调计算机硬界面与软界面之间的关系。（如图2.2所示）
良好的界面设计非常重要，因为与系统的其他特性相比，系统界面容易给用户留下更深刻的印象。毕竟，用户往往会从系统的可用性角度来审视一个系统，而不是从它如何巧妙地执行了其内部任务这个角度。从用户的视角来说，他们可能会根据系统界面在具有竟争性系统之间做出选择。因此，系统界面的设计可能成为判定一个软件工程项目是否成功的最终决定因素。 由于这些原因，人机界面在软件开发项目的需求分析阶段已经成为一个很重要的关注点，它发展为软件工程的一个子领域。事实上，有些人主张人机界面的研究是一个完全独立的领域。 对人机界面设计的研究主要来自于称为人体工程学(ergonomic)和知行学(cognetic)的工程领域，人体工程学处理协调人类体能的设计系统，;知行学处理协调人类精神能力的设计系统。这两个学科中，人体工程学更好理解一些，主要是因为人类已经跟机器打了儿个世纪的交道。这些例子有:古代工具、武器和运输系统。这些历史大部分是不证自明的，但是有时人体工程学的应用与直觉是相反的。一个经常被提到的例子就是打字机键盘(现在已经衍生为电脑键盘)的设计，其中键被有意排列，以降低打字员的速度，这样早期机器上使用的分层机械系统就不会卡住。 相反，与机器的精神交互是一个相对新的现象。因此知行学在富有成效的研究和洞察力启发方面拥有更高的潜力。通常这些研究成果更具有它们的精妙之处。比如，从表面上看人类的良好习惯有助于提高效率，但有些习惯也会导致一些错误，即使界面设计本意上是要解决问题的。考虑一下用户要求操作系统删除一个文件的过程，为了防.止误删，大部分系统都会要求用户确认一个请求，这可能会通过一个“你是否真的想删除这个文件”的信息加以确认。乍一看，!这个确认信息好像解决了误删的问题，但是使用了这个系统一段时间后，用户会养成习惯，自动回答这个要求为“是”的信息。这样，这个删除文件的任务就从包含删除命令和对问题思考后的响应的两步过程，变成了“删除一是”的一步处理过程，这就意味着当用户意识到提交了错误的删除要求时，这个请求其实已经被确认，文件也己经被删除。 当人们需要使用几个应用软件包时，习惯的形成也可能会带来问题。这些软件包的界面可能相似，但还是有些不同的。相似的用户操作可能会导致不同的系统响应，或类似的系统响应可能需要不同的用户操作。所以在这种情况下，在某种应用软件上养成的操作习惯可能会在其他应用软件上导致错误的发生。 另外一个与人机界面设计研究有关的人类特质就是人类注意力的狭隘性，也就是当集中度增加时，人类注意力往往变得更加专注。随着人类越来越专注于手头上的工作，打破这种专注也越来越困难。1972年.一架商务飞机因为飞行员太过专注于降落器的问题(实际上，是在处理改变降落齿轮指示灯的过程中)，尽管当时在驾驶舱里的警报已经很响了，飞机还是笔直地撞向地面，造成空难的发生。 个人计算机的界面中经常会出现一些小状况。比如，大小写灯是为了显示键盘处在大写键锁定模式下(即“大写锁定”键被按了)。但是，如果有人不小心按了大小写按键，直到 奇异的字符出现在屏幕_匕用户才会注意到灯的变化。即使如此，用户依然会迷茫一会才会发现问题的原因。从某种意义上来说，用户看不到大小写灯的变化是很正常的，因为键盘的指示灯不在用户的视线范围之内。但是，通常用户不能注意到直接放置在他们视线中的指示灯。比如，用户会专注于他们的工作而无法发现显示器上光标的形状，即使观察光标是他们的工作之一。 还有另外一个在界面设计阶段必须预先考虑的人类特质就是并行处理多个事情时有限的思考能力。在195年《心理评论》的一篇文章中，George https://www.doczj.com/doc/d715697739.html,ler的研究表明，人类大脑在同一时间最多处理7个细节问题。因此，界面被设计成:当决定需要时，界面_L要呈现所有相关的信息，而不是依赖于人类用户的记忆，这是非常重要的。特别地，要求人类记住先
人机界面设计原则 “以人为本” 1.以用户为中心的基本设计原则 在系统的设计过程中，设计人员要抓住用户的特征，发现用户的需求。在系统整个开发过程中要不断征求用户的意见，向用户咨询。系统的设计决策要结合用户的工作和应用环境，必须理解用户对系统的要求。最好的方法就是让真实的用户参与开发，这样开发人员就能正确地了解用户的需求和目标，系统就会更加成功。 2.顺序原则 即按照处理事件顺序、访问查看顺序(如由整体到单项，由大到小，由上层到下层等)与控制工艺流程等设计监控管理和人机对话主界面及其二级界面。 3.功能原则 即按照对象应用环境及场合具体使用功能要求，各种子系统控制类型、不同管理对象的同一界面并行处理要求和多项对话交互的同时性要求等，设计分功能区分多级菜单、分层提示信息和多项对话栏并举的窗口等的人机交互界面，从而使用户易于分辨和掌握交互界面的使用规律和特点，提高其友好性和易操作性。 4.一致性原则 包括色彩的一致，操作区域一致，文字的一致。即一方面界面颜色、形状、字体与国家、国际或行业通用标准相一致。另一方面界面颜色、形状、字体自成一体，不同设备及其相同设计状态的颜色应保持一致。界面细节美工设计的一致性使运行人员看界面时感到舒适，从而不分散他的注意力。对于新运行人员，或紧急情况下处理问题的运行人员来说，一致性还能减少他们的操作失误。 5.频率原则 即按照管理对象的对话交互频率高低设计人机界面的层次顺序和对话窗口莱单的显示位置等，提高监控和访问对话频率。 6.重要性原则 即按照管理对象在控制系统中的重要性和全局性水平，设计人机界面的主次菜单和对话窗口的位置和突显性，从而有助于管理人员把握好控制系统的主次，实施好控制决策的顺序，实现最优调度和管理。 7.面向对象原则 即按照操作人员的身份特征和工作性质，设计与之相适应和友好的人机界面。根据其工作需要，宜以弹出式窗口显示提示、引导和帮助信息，从而提高用户的交互水平和效率。
重庆邮电大学移通学院 学生实验报告 实验名称：典型软件人机界面设计评价 专业班级: 数字媒体技术02141401 姓名: 罗钧______________ 学号: ___________ xxx ________ 实验日期:___________ 2017、6、6 _________
实验十：典型软件人机界面设计评价 (1)了解人机交互的质量与要求与评测方法； (2)熟悉本书10、5节“软件人机界面的评价” 介绍的评价指标与评价方 法,并应用此方法对著名软件产品进行测试评价，提高自己对人机交互界面设计水 平的鉴赏能力。 二、工具/准备工作 需要准备一台带有浏览器，能够访问因特网的计算机。 三、实验内容与步骤 软件名称光影魔术手软件大小19、3 MB 软件版本4、4、1 软件授权永久免费 使用平台XP / Vista / Win7 / Win8 评测时间2017-6-6 序 号内容 评价 1很不满意2不满意3中立4满意5非常满意 1 屏幕上字符的可读性V 2 屏幕布局V 3 各帧屏幕次序V 4 色彩搭配 5 r V 6 颜色搭配就是否考虑色盲使用 1 整个系统术语使用V 2 r V 3 使用的术语就是否熟悉V 4 术语与任务就是否相关V 5 缩略词用法V 6 屏幕上的信息V 7 屏幕上说明性的描述或标题V 8 重要信息就是否突出V 9 信息组织的逻辑性V 10 屏幕不冋类型信息的区分V 11 用户输入信息的位置与格式V 1 始终由用户帮助告知在做什么V 2 出错信息的有用度V 3 纠正用户的错误V 实验目的
240，: 196 四、实验总结 这次实验课结合了之前所学的理论基础，实际下载了光影魔术手这款软件，虽然很多年没用这款软件了，可就是其功能变化并不大，仅仅就是界面做了更新，作为一款入门的后期处理软件，其功能上远不如美图秀秀等简单易用，而与专业修图软件Lightroom或者ACR相比很多 术语不准确且不全面，所以其定位比较尴尬。 在课程探究过程当中，不仅提高了我们对知识的检索能力，还提高了我们的概括梳理能力并且深入思考了一些问题，受益匪浅。 五、实验评价（教师）
1.以用户为中心的基本设计原则 在系统的设计过程中，设计人员要抓住用户的特征，发现用户的需求。在系统整个开发过程中要不断征求用户的意见，向用户咨询。系统的设计决策要结合用户的工作和应用环境，必须理解用户对系统的要求。最好的方法就是让真实的用户参与开发，这样开发人员就能正确地了解用户的需求和目标，系统就会更加成功。 2．顺序原则 即按照处理事件顺序、访问查看顺序（如由整体到单项，由大到小，由上层到下层等）与控制工艺流程等设计监控管理和人机对话主界面及其二级界面。 3．功能原则 即按照对象应用环境及场合具体使用功能要求，各种子系统控制类型、不同管理对象的同一界面并行处理要求和多项对话交互的同时性要求等，设计分功能区分多级菜单、分层提示信息和多项对话栏并举的窗口等的人机交互界面，从而使用户易于分辨和掌握交互界面的使用规律和特点，提高其友好性和易操作性。 4．一致性原则 包括色彩的一致，操作区域一致，文字的一致。即一方面界面颜色、形状、字体与国家、国际或行业通用标准相一致。另一方面界面颜色、形状、字体自成一体，不同设备及其相同设计状态的颜色应保持一致。界面细节美工设计的一致性使运行人员看界面时感到舒适，从而不分散他的注意力。对于新运行人员，或紧急情况下处理问题的运行人员来说，一致性还能减少他们的操作失误。 5．频率原则 即按照管理对象的对话交互频率高低设计人机界面的层次顺序和对话窗口莱单的显示位置等，提高监控和访问对话频率。 6．重要性原则
即按照管理对象在控制系统中的重要性和全局性水平，设计人机界面的主次菜单和对话窗口的位置和突显性，从而有助于管理人员把握好控制系统的主次，实施好控制决策的顺序，实现最优调度和管理。 7．面向对象原则 即按照操作人员的身份特征和工作性质，设计与之相适应和友好的人机界面。根据其工作需要，宜以弹出式窗口显示提示、引导和帮助信息，从而提高用户的交互水平和效率。 人机交互界面，无论是面向现场控制器还是面向上位监控管理，两者是有密切内在联系的，他们监控和管理的现场设各对象是相同的，因此许多现场设备参数在他们之间是共享和相互传递的。人机界面的标准化设计应是未来的发展方向，因为它确实体现了易憧、简单、实用的基木原则，充分表达了以人为本的设计理念。各种工控组态软件和编程工具为制作精美的人机交互界面提供了强大的支持手段，系统越大越复杂越能体现其优越性。 组态软件人机界面设计步骤 1.界面风格的设计 控制台人机界面选用非标准Windows风格，以实现用户个性化的要求。但考虑到大多数用户对于标准Windows系统较熟悉，在界面设计中尽量兼容标准Windows界面的特征。因为位图按钮可在操作中实现高亮度、突起、凹陷等效果，使界面表现形式更灵活，同时可以方便用户对控件的识别。但是，界面里使用的对话框、编辑框、组合框等都选用Windows标准控件，对话框中的按钮也使用标准按钮。控件的大小和间距尽量符合Windows界面推荐值的要求。 界面默认窗体的颜色是亮灰色。因为灰色调在不同的光照条件下容易被识别，且避免了色盲用户在使用窗体时带来的不便。为了区分输入和输出，供用户输入的区域使用白色作为底色，能使用户容易看到这是窗体的活动区域；显示区域设为灰色（或窗体颜色），目的是告诉用户那是不可编辑区域。窗体中所有的控件依据Windows界面设计标准采用左对齐的排列方式。对于不同位置上多组控件，各组也是左对齐 2．系统界面布局分析
进行人机界面设计的研究 1.界面风格的设计控制台人机界面选用非标准Windows风格，以实现用户个性化的要求。但考虑到大多数用户对于标准Windows系统较熟悉，在界面设计中尽量兼容标准Windows界面的特征。界面使用的功能按钮选用MFC类库提供的CBmpButton类动态创建自定义位图图标的按钮。因为位图按钮可在操作中实现高亮度、突起、凹陷等效果，使界面表现形式更灵活，同时可以方便用户对控件的识别。但是，界面里使用的对话框、编辑框、组合框等都选用Windows标准控件，对话框中的按钮也使用标准按钮。控件的大小和间距尽量符合Windows界面推荐值的要求。 界面默认窗体的颜色是亮灰色。因为灰色调在不同的光照条件下容易被识别，且避免了色盲用户在使用窗体时带来的不便。为了区分输入和输出，供用户输入的区域使用白色作为底色，能使用户容易看到这是窗体的活动区域；显示区域设为灰色（或窗体颜色），目的是告诉用户那是不可编辑区域。窗体中所有的控件依据Windows界面设计标准采用左对齐的排列方式。对于不同位置上多组控件，各组也是左对齐排列的。 人机界面的布局设计根据人体工程学的要求应该实现简洁、平衡和风格一致。典型的工控界面分为3部分：标题菜单部分、图形显示区以及按钮部分，如图1所示。该界面界面美观，在屏幕上的对象左右达到平衡、不堆挤在某一处，无杂乱无章的感觉。数据的过分拥挤会产生视觉疲劳和接收错误。界面的平衡原则推荐显示屏幕总体性覆盖度不超过40％，而分组中屏幕覆盖度不超过20％。控制台人机界面中包含着大量的图形显示信息，因此将图形显示区布置在屏幕长宽各占屏幕70％左右的范围内，以保证显示信息的清晰和全面。控制按钮组布置在显示区的右侧，一方面是考虑到绝大多数操作者是右手操作用户，按钮区布置在最右侧更加方便；另一方面是根据界面布局的主次原则，把用户注意力最集中的左上区域留给图形显示区。 根据一致性原则，保证屏幕上所有对象，如窗口、按钮、莱单等风格的一致。各级按钮的大小、凹凸效果和标注字体、字号都保持一致，按钮的颜色和界面底色保持一致。 选择界面的概念取决于多个界面。可将界面设计为循环或FIFO缓冲器。
第一章绪论 1、计算机人机交互技术的发展历史及每个阶段的特点。（P2） （1）命令行界面交互阶段；（2）图形用户界面（GUI）交互阶段；（3）自然和谐的人机交互阶段。 2、随着计算机技术、网络技术的发展，人机界面的发展方向，每个方向的简要介绍。（P7） （1）高科技化。（2）自然化。（3）人性化。 3、自然和谐的人机界面是人类追求的目标。 4、认知心理学与人机工程学是人机交互技术的理论基础，而多媒体技术和虚拟实现技术与 人机交互技术相互交叉和渗透。 第二章相关学科及知识 1、人机界面学的研究内容，每个内容在说明什么。（P12） 1、计算机语言学。人机界面的形式定义中使用了多种类型的语言，包括自然语言、 命令语言、菜单语言、填表语言或图形语言等。计算机语言学就是专门研究这些语言， 以及涉及它们的计算机语言学和形式语言理论等各个方面的内容。 2、智能人机界面。随着人工智能技术的成熟和介入，智能人机界面的研究近年来 非常活跃，其中包括用户模型、智能人机界面模型、智能用户界面管理系统、专家语言、智能对话、智能网络界面、帮助和学习、智能前端系统、自适应界面、自然语言、多媒 体界面等。 3、社会学与人类学。社会学主要涉及人机系统对社会结构影响的研究，而人类学 则涉及人机系统中群体交互活动的研究。人机界面设计要研究人类的文化特点、审美情 趣以及个人、群体的爱好偏向等。 2、人类主要通过感知与外界交流，进行信息的接收和发送，认知世界。感知和认知是人机交 互的基础。 3、视敏度，又称视力，是评价人的视觉功能的主要指标，它是指人眼对细节的感知能力， 通常用被辨别物体最小间距所对应的视角的倒数表示。 4、人们通常对水平线和垂直线的认识，往往会夸大水平线。 5、有关研究表明，人类从周围世界获取的信息约有80%是通过视觉得到的，因此，视觉是人 类最重要的感觉通道，在进行人机交互时，必须对其重点考虑。 6、人类听觉系统对声音的解释可帮助设计人机交互界面中的语音界面。 7、人类能够听到频率在20Hz-20000Hz 之间的声音，其中在1000-4000Hz 范围内听觉的感受性 最高。 500Hz 以下和5000Hz 以上的声音，强度很大时才能被听到。 8、触觉的感知机理与视觉和听觉的最大不同在于它的非局部性。 9、人机交互过程中人们经常利用的感知有哪几种？每种感知有什么特点？（P12）
关键词:人机界面,设计 文章简要介绍人机界面设计的一些经验，有助于设计者设计出友好、高效的人机界面。下面介绍三类人机界面设计指南： 1、一般交互指南 涉及信息显示、数据输入、系统整体控制，这类是全局性的。下面讲述一般交互指南： （1）保持一致性。菜单、命令输入、数据显示等使用一致格式。 （2）提供有意义、用户可理解、可读的反馈。 （3）执行破坏性动作前要求用户确认。如删除记录。 （4）允许取消、撤销操作。 （5）尽量减少记忆量。不用记忆看到操作界面即可进行下一步操作。 （6）尽量减少按键次数、减少鼠标移动的距离，避免用户问“这是什么意思”的情况。提高行动和思考的效率。 （7）允许操作员犯错误，但是可以恢复。 （8）按功能对动作分类，并据此设计屏幕布局。比如菜单、下拉菜单、右键弹出式菜单。 （9）提供必要帮助，包括集成实时帮助和附加帮助文件。 （10）使用简单动词或动词短语作为命令名。 2、数据输入指南 数据输入界面往往占终端用户的大部分使用时间，也是计算机系统中最易出错的部分之一。其总目标：简化用户的工作，并尽可能降低输入出错率，还要容忍用户错误。 这些要求在设计实现时可采用多种方法： （1）尽可能减轻用户记忆，采用列表选择。 （2）尽量减少用户输入动作，按键次数。 （3）使界面具有预见性和一致性。
用户应能控制数据输入顺序并使操作明确，采用与系统环境(如Windows操作系统)一致风格的数据输入界面。 （4）防止用户出错。 在设计中可采取确认输入(只有用户按下键，才确认)，明确的移动(使用TAB键或鼠标在表中移动)，明确的取消，已输入的数据并不删除。对删除必须再一次确认，对致命错误，要警告并退出。对不太可信的数据输入，要给出建议信息，处理不必停止。 （5）提供反馈。 要使用户能查看已输入的内容，并提示有效的输入提示或数值范围。 （6）按用户速度输入和自动格式化。 用户应能控制数据输入速度并能进行自动格式化，对输入的空格都能被接受。 （7）允许编辑。 理想的情况，在输入后能允许编辑且采用风格一致的编辑格式。 （8）数据输入界面可通过对话设计方式，若条件具备尽可能采用自动输入。特别是条码、图像、声音输入。 （9）消除冗余输入。尽可能提供默认值；不要求输入单位；程序可以自动计算的信息绝对不要用户输入；系统自动填入用户已输入过的内容。 3、屏幕显示指南 下面是人机界面显示信息的设计指南： （1）只显示与当前工作内容有关的信息。 （2）尽量使用图形或图表直观方式表现数据。 （3）使用一致的标记、标准的缩写和可预知的颜色。 （4）产生有意义的出错信息，用户可理解的信息。 （5）使用大小写、缩进和文本分组以帮助理解。 （6）使用窗口分割不同类型的信息。 （7）高效率使用显示屏。
组态软件人机界面设计步骤 1.界面风格的设计 控制台人机界面选用非标准Windows风格，以实现用户个性化的要求。但考虑到大多数用户对于标准Windows系统较熟悉，在界面设计中尽量兼容标准Windows界面的特征。因为位图按钮可在操作中实现高亮度、突起、凹陷等效果，使界面表现形式更灵活，同时可以方便用户对控件的识别。但是，界面里使用的对话框、编辑框、组合框等都选用Windows标准控件，对话框中的按钮也使用标准按钮。控件的大小和间距尽量符合Windows界面推荐值的 要求。 界面默认窗体的颜色是亮灰色。因为灰色调在不同的光照条件下容易被识别，且避免了色盲用户在使用窗体时带来的不便。为了区分输入和输出，供用户输入的区域使用白色作为底色，能使用户容易看到这是窗体的活动区域；显示区域设为灰色（或窗体颜色），目的是告诉用户那是不可编辑区域。窗体中所有的控件依据Windows界面设计标准采用左对齐的排列方式。对于不同位置上多组控件，各组也是左对齐 2．系统界面布局分析 人机界面的布局设计根据人体工程学的要求应该实现简洁、平衡和风格一致。典型的工控界面分为3部分：标题菜单部分、图形显示区以及按钮部分。根据一致性原则，保证屏幕上所有对象，如窗口、按钮、莱单等风格的一致。各级按钮的大小、凹凸效果和标注字体、字号都保持一致，按钮的颜色和界面底色保持一致。 3．打开界面的结构体系 选择界面的概念取决于多个界面。可将界面设计为循环，如果运行大量界面，必须设计一个合理的结构体系来打开界面。选择简单而永久的结构以便操作员能够快速了解如何打开 界面。 用户一次处理的信息量是有限的，所以大量信息堆积在屏幕上会影响界面的友好性。为了在提供足够的信息量的同时保证界面的简明，在设计上采用了控件分级和分层的布置方式。分级是指把控件按功能划分成多个组，每一组按照其逻辑关系细化成多个级别。用一级按钮控制二级按钮的弹出和隐藏保证了界面的简洁。分层是把不同级别的按钮纵向展开在不同的区域，区域之间有明显的分界线。在使用某个按钮弹出下级按钮的同时对其他同级的按 钮实现隐藏，使逻辑关系更清晰。
Chapter 1 1. Describe three populations of users with special needs. For each of these populations, suggest three ways current interfaces could be improved to better serve them.(book from p17 to p21) 1）残疾用户 对于盲人或者眼睛有疾病导致视觉不好的人，可以使用文本到语音的转换，文本到语音的转换能够帮助盲人用户接受电子邮件或阅读文本文件，语音的设备更能允许某些用户界面进行语音控制的操作。这项技术同样可以用于虽然视力完好但是特殊情况下的人，例如开车、工作等。 对于听力障碍的用户，往往可以经过简单改动的计算机，实现声音到可视信号的转变。 对于身体障碍用户，需要大量特殊输入设备，这要取决于具体的障碍，语音技术和人眼跟踪设备、头戴式光电鼠标都可以被用来满足残疾用户的需要。世界上有名的例子就是伟大天文学家霍金和他的个人电脑。 2）老年用户 通过用户提供对字体大小、显示对比度和音量大小的控制、更清晰的导航路径、一致的布局和更简单的命令语言来设计界面，从而为老年人改进对界面内容的访问。还有诸如手眼协调、增强灵敏性和改进反应时间等作法，都能改善老年人的使用体验。另外，计算机游戏对老年人来说也是一个有吸引的东西，这可以让一些惧怕使用电脑的老年人获得体验机会而被吸引。老年人使用鼠标往往很迟钝，我们可以转换成高精度的触摸屏。 3）儿童 儿童的用户界面，强调娱乐性和教育性。儿童的用户界面往往与父母息息相关。首先要注意到界面的教育性，要为儿童的教育着想，可以附带丰富的知识内容、家长指南资料和教师培训资料等，尤其在艺术、音乐、写作和数学方面的教学资料。另外，设计需要考虑到儿童的局限性，要简单，易懂，避免复杂的序列。特别需要注意的是，在教育和父母对孩子的关注来说，避免对暴力、种族主义、色情资料还有儿童隐私陌生人威胁等问题的信息访问，这都是非常重要的。 3. Suppose you need to design a system for users in both the United States and China. Present a list of cultural differences that you should be aware of so that a successful design can be made. 1）中国的用户来自沉思的传统文化，，他们更喜欢稳定显示的界面，而美国的用户都是行动导向的基于新奇文化的用户，他们更偏爱生动的屏幕和多次点击。2）在高校主页来反应二者的文化差异，中国主要喜欢在主页上强调他们深刻印象的建筑物和有名的师资，美国的高校主页则更多表现那种学生团队精神和活跃的社交生活。 3）文本作为世界用户界面的一个关键因素，必须重视其中涉及到的文化差异，这些差异因素主要表现在： 字符、数字、特殊符号和区分符 阅读方向（从左到右与从右到左、垂直阅览等） 日期和时间格式
《人机界面设计》课程教学大纲 课程编号:20431107 总学时数:32 总学分数:2 课程性质:选修课程 适用专业:计算机科学与技术 一、课程的任务和基本要求 人机界面是人与机器之间传递和交换信息的媒介,包括硬件界面和软件界面,是计算机科学与心理学、设计艺术学、认知科学和人机工程学的交叉研究领域。近年来,随着软件工程学的迅速发展和新一代计算机技术研究的推动,网络技术的突飞猛进,设计学科的日益膨胀,人机界面的设计和开发已成为国际计算机界和设计界最为活跃的研究方向。了解人机界面的定义、起源、发展、研究内容及发展趋势;熟悉相关学科及知识,掌握人机界面设计中认知心理学、人机工程学、人机界面的艺术设计、色彩设计等;掌握硬件人机界面的设计风格、人文关怀等;掌握软件人机界面,介绍了软件人机界面的形式与标准、软件人机界面设计、Internet网页界面设计、图标设计等;熟悉人机界面设计评价与可用性测试;以及新交互技术及发展趋势。 二、基本内容和要求 1. 人机界面概述
教学内容:人机界面的定义、起源、发展;人机界面学的研究内容;人机界面的设计的发展趋势;20世纪最伟大的10种人机界面装置。 教学要求:人机界面的定义,人机界面学的研究内容。 2. 认知心理学 教学内容:感觉信号的检测、视觉、听觉、记忆和学习、人的特性。 教学要求:感觉信号的检测、人的特性。 3. 人机工程学 教学内容:人机工程与人机界面、显示界面设计、控制界面设计、显控协调性设计、集中控制中的显控上桌面设计、人机系统中及其界面设计、视觉显示终端作业的人机界面设计、数字化人机工程。 教学要求:人机工程与人机界面、显示界面设计、数字化人机工程。 4. 人机界面的艺术设计 教学内容:设计的概念、艺术设计的研究内容、艺术设计与技术、艺术设计的形态、术设计的内涵、艺术设计的美、艺术设计的语言与符号学规范。 教学要求:设计的概念、艺术设计的研究内容、艺术设计的语言与符号学规范。 5. 色彩设计