变量穴施水穴播机人机交互界面设计

1.引言
变量穴施水穴播机为一种可根据田间土壤湿度，实现自动变量穴施水的节水抗旱型播种机具，在使用前需对整机进行初始化设置并对相关传感器及附件进行有效性检测，在使用中需根据田间土壤水分的分布状况对工作模式进行切换。为便于用户对该机具的操作，利于其推广应用，设计一简单、实用的人机交互界面是必不可少的。
2.硬件简介
变量穴施水穴播机控制系统组成如图1所示。图中的单片机是系统的控制中心，选用台湾Winbond公司的W78E58，它属8位总线快速51系列单片机，其片内程序存储空间为32kB，片内数据存储器空间为512字节。系统采用4×4型矩阵键盘，各键分别代表“0”-“9”、4个方向键（“↑”、“↓”、“→”、“←”）、确认键以及返回键。液晶显示模块则采用型号为JHD192×64的点阵型LCD，，最多可显示48个（16×16点阵）汉字或92个（16×8点阵）英文字符。GPS接收机用来对机组进行田间定位，USB模块则用来从U盘相关文件中读出施水量并上传给单片机，单片机根据施水量来控制执行机构进行施水。为实现水种同步，系统采用光电传感器对种子的下落进行监控。
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3.人机交互用户界面设计
3.1 功能设计
变量穴施水穴播机在工作之前控制系统要进行自检，工作过程中可根据需要对工作模式进行切换，同时用户也可单独对其中一个附属部件进行检测和试验，因此，在设计人机交互界面时必须进行充分的考虑。根据该机具的具体结构及使用要求，本文设计了由4级菜单组成的人机交互界面，表1列出了各级菜单名称及索引号(ID)。为增加程序的可读性，菜单的ID定义为有代表意义的字符。从表1可看出，整个菜单呈树形拓扑结构,每个节点的父节点都是唯一的。
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3.2 软件设计
系统软件采用C51语言编写，在Keil环境下编译和调试。人机交互界面设计的总体思想是以固定格式建立一个变量库和一个菜单库，以索引号作为各个变量和菜单的主关键字。变量库中专门存放液晶显示所涉及的变量，每个变量有一个变量索引号；菜单库中专门存放各个菜单的内容，每个菜单有一个菜单索引号，菜单中所涉及的变量可以从变量库中抽取。
3.2.1相关参数及结构体定义
(1).与菜单操作有关的按键定义
#define KeyUp 10 //“向上”键键码
#define KeyEnter 11 //“向下”键键码
#define KeyEsc 12 //“返回”键键码
#define KeyDown 14 //“回车”键键码
(2).根据需求，建立一个结构,并定义一个结构体变量KeyTabStruct。
typedef struct
{
uchar KeyTab_MenuIndex； //当前菜单的ID号
uchar KeyTab_MaxItems； //当前菜单最大项目数
uchar KeyTab_PressEnter； //按下“回车”键时转向的菜单ID号
uchar KeyTab_PressEsc； //按下“返回”键时转向的菜单ID号
uchar KeyTab_PressDown； //按下“向下”键时转向的菜单ID号
uchar KeyTab_PressUp； //按下“向上”键时转向的菜单ID号
void (*CurrentOperate)()； //当前菜单对应的功能操作函数指针
}KeyTabStruct；
该结构中共有6 个结构元素,分别是5 个字符型和1 个指针变量，5 个字符型变量分别为当前及各个按键按下时所对应菜单的索引号，最后1 个指针变量指向需要执行的函数。
(3).临时菜单ID定义
uchar  iMenuID；//当前显示菜单的ID
uchar  iMenuNextID；//当前菜单中需高亮显示的菜单ID
3.2.2菜单库的构建
菜单库中存放的是各个菜单的内容，每级菜单都由两个数组组成。第一个数组存放该级菜单的显示字符，第二个数组存放该级菜单中每个子菜单的索引号，此索引号用来作为高亮显示选中菜单时的依据。所有菜单库都存储在单片机的Flash存储器中。
3.2.3变量库的构建
变量库实质上是一个结构体数组，在结构体数组里为每一个菜单项编制一个单独的函数，并根据菜单的嵌套顺序排好本菜单项的索引号，以及本级菜单项的上、下卷动的索引号和上、下级菜单的索引号。变量库存储在单片机的内部附加的RAM中。表4.2是专为变量穴施水穴播机人机交互界面设计的变量库。表中Items表示同级菜单最大项目数，子菜单ID=99，表示菜单已到底；父菜单ID=99，表示菜单已到顶；弟菜单ID=99和兄菜单ID=99，表示该菜单为独生子；函数FunNull为空函数。
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3.2.3主程序
主程序的任务是对菜单库和变量库进行解码操作，完成液晶显示和键盘响应的功能。主程序仅提供一个人机交互界面的柜架，因此改动菜单时不必修改主程序。添加菜单时只需按顺序向菜单库和变量库中加入，删除或修改菜单也只需对菜单库中相关菜单进行操作，而不影响其它程序。图2为主程序的流程图。当有任意键被按下时，程序都会到变量库中进行查询操作以确定当前菜单应执行的具体操作。当进入某一菜单时，通过“向上”或“向下”键进行菜单项的选择，被选中的菜单项高亮显示(即反黑显示)。
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4.结论
本文的创新点是根据变量穴施水穴播机的结构特点和使用要求，在JHD19264上设计并实现了由4级菜单组成的人机交互界面。应用结果表明，该界面稳定可靠，操作简单，交互友好。本文提供的设计方法及软件流程也可以用在具有类似人机接口的仪器设备中,特别适合于具有自主知识产权产品的开发。