3.7.3 人机接口
人和机械设备之间打交道的操作界面，称之为人机接口。飞机的操作仪表盘和工业机器人的示教盒是典型的人机接口实例。一般来说，外界的信息和能量可以通过人机操作界面和传感器系统两种途径输入到计算机中进行处理，而系统产生的输出信息和能量则用于控制设备或进行显示。人机接口的设计原则要体现机械设备的可操纵性和安全性。例如，工业机器人操控台上不同按钮和开关的布置要符合人的操作习惯，用于紧急制动的按钮或开关要设计成红色，其位置要保证操作人员能在最短时间内采取措施为准。同时，要用指示灯、数码显示器或液晶显示屏显示机器的工作状态和报警信息。总之，人机接口是人和机器之间联系的纽带和桥梁。
1.人机接口设计的原则
人机接口设计的好坏直接影响到机电系统的可操作性。机电系统不仅要完成特定的产品功能，还需要具有良好的人机接口。人机接口的设计原则就是使系统或产品易于使用，减少用户学习和适应系统的时间，降低操作系统的难度。总体上讲，一个良好的人机接口需要满足以下几个原则。
（1）一致性
一致性的含义是指不同的应用系统之间以及同一应用系统内部具有相似界面外观、布局和相似的人机交互方式。例如，所有的Windows应用软件都具有相同的界面风格和约定，用户只要掌握其中一个应用软件，就能很快地学习和掌握其他软件。一致性设计原则有助于用户学习，可以将局部经验扩展到其他场合。因此，在设计光机电一体化系统的人机接口时，要遵循人的操作习惯和大多数机械设备操作界面的设计规律。在保证人机接口的一致性的前提下，努力实现人机接口的个性化。
（2）简洁性
人机接口界面设计要简洁，界面上的元素要少且布置合理。太多的指示灯、按钮和开关，会使人机界面杂乱无章，给操作带来困难。
（3）透明性人机接口是人和机器之间沟通的桥梁
在人机交互的过程中，人机接口要给出用户操作的反馈，使用户明白操作是否被系统接受以及操作的结果。例如，在电梯的每个楼层都安装有显示屏，指示电梯的运行方向和电梯所在的当前层。乘客通过显示屏可以判断电梯的运行状态。
（4）合理利用颜色和显示状态
不同的颜色可以增加视觉冲击力，例如，紧急按钮和报警灯使用红色，引起操作人员的警觉；其他按钮使用柔和、中性的颜色，给人安静和舒适的感觉。数据显示可以用各种显示效果，如动态显示。在流程工业中，可用动态显示方式显示物料的运行方向、设备的运行状态等，使操作人员有很直观的判断。同样以电梯为例，电梯在楼层之间运行时可以动态显示运行方向和楼层号，表明电梯正在运行，这样的动感显示会使乘客感到很放心。
（5）容错功能和帮助
在输入数据时往往会出现错误，这就要求人机接口有容错功能。人机接口包括输入接口和输出接口两大类。输入接口有按钮、键盘、触摸屏、鼠标、扫描仪、照相机、手写输入和声控输入等形式；输出接口有打印机、显示屏、数码管、指示灯和音响等。
2.人机输入接口
光机电一体化系统通过输入接口来接受操作指令。对于输入接口，要求其稳定可靠、使用简便。传统的输入接口有键盘、拨码盘、触摸屏、开关和旋钮等。随着新技术发展，各种各样的新型输入接口器件和技术应运而生，其目的就是要解决输入的快捷、可靠和简易性。新输入方式有虹膜识别、手写输入、指纹识别和声音识别等。这些新输入方法具有强大的生命力，但仍需在技术上不断完善。总体来说，传统的按钮、拨码盘、键盘和触摸屏还是使用最多的输入接口。
常用的键盘一般由一个个机械式开关组成。当键按下时，开关闭合；当键松开时，开关断开。由于机械开关的撞击作用，开关在闭合和断开的瞬间，开关的动片会产生抖动，抖动的时间大约在5～10毫秒。为了保证CPU对每次按键只做一次且仅做一次处理，需要消除键抖动时产生的干扰。在设计过程中，可以采用硬件和软件或两者的组合来消除键的抖动。一般来说，硬件消抖比较可靠，但当键盘上有很多按键时，硬件消抖的硬件开销很大，这时可以采用软件消抖的方式。软件消抖的原理是：在第一次检测到有键按下时，执行一段10毫秒的延时程序，再检测此按键，如果第二次检测结果仍为按下状态，则表明此键确实被按下，可以读取键的状态。
利用键盘向系统发送命令和数据使用起来很方便，但容易产生误动作。对于很少改变的命令或数据，往往利用静态开关来设定。这类开关即使掉电，也会保持原先的状态不变。这种开关有拨动开关和拨码盘。拨动开关是光机电一体化控制系统中常用的器件，如打印机后面板上用于设置西文打印还是中文打印的拨动开关。系统复位后立即读取拨动开关的状态，从而按照规定的方式运行。
触摸屏是一种新型的人机交互式输入设备，其功能与键盘相同，被称之为“软键盘”。
触摸屏操作直观、简洁，同传统输入设备，如键盘、跟踪球、操纵杆等相比，更容易为非计算机专业的普通公众所接受和使用。触摸屏在公用信息查询方面应用得比较成熟，如邮政业务查询、银行账务查询、城市问路系统等。现在触摸屏的使用范围越来越广，在自动售货、工厂复杂工艺控制、手持移动设备等领域都得到广泛应用。
根据工作原理的不同，触摸屏可以分为电阻式触摸屏、电容式触摸屏、红外线式触摸屏、表面声波式触摸屏和遥控力感式触摸屏等五种类型。目前比较常用的触摸屏是电阻式和红外线式两种。这里着重介绍电阻式触摸屏的工作原理。
典型的电阻式触摸屏的工作部分一般由三个部分组成，即两层透明的电阻性导体层、隔离层和电极组成。电阻性导体层选用阻性材料，如铟锡氧化物，涂在衬底上构成。
上层衬底选用塑料，下层衬底选用玻璃。隔离层采用聚酯薄膜这样的黏性绝缘的液体材料构成。电极选用导电性极好的材料构成。触摸屏的上下导体层实际上是一个电阻网络。当某一层的电极对上施加了电压，则在该导体层上就会形成均匀连续的平行电压分布。当手指触摸屏幕时，两导体层在触摸点处接触。在未加电压的另一个导体层上能够检测到接触点处的电压，从而知道接触点处的坐标。
随着图像处理和模式识别技术的发展，利用生物体特征进行机器识别的方法应运而生。生物特征识别技术就是利用光学传感器提取包含生物特征的图像、用图像处理技术和模式识别原理提取图像中的生物特征，通过与数据库中的生物特征比对来鉴定个人身份。生物特征是人类与生俱来的，如脸像、指纹、虹膜和DNA等。生物特征识别技术的种类划分为以下几种主要类型。
（1）指纹识别
手指纹能唯一表征一个人的身份特征，生物统计学研究结果表明，世界上没有完全相同的两枚指纹。利用计算机图像处理和模式识别方法进行指纹自动分析，形成自动指纹识别系统。指纹识别技术无论从硬件和软件上都比较成熟，因此指纹识别系统广泛应用于刑事侦察和社会生活的方方面面，如指纹门禁系统、指纹考勤系统、驾驶员指纹管理系统、银行指纹储蓄系统和证券交易指纹系统等。
（2）虹膜识别
虹膜是位于眼睛黑色瞳孔和白色巩膜之间的圆环状部分，总体上呈现一种由里到外的放射状结构，由相当复杂的纤维组织构成，一旦形成几乎终生不变。发育完全的虹膜不易受到外界的伤害而产生变化，虹膜识别的准确性是各种生物识别中最高的。
（3）手写体识别
一般来说，每个人的笔迹是不相同的，它综合反映一个人的精神气质，但手写体是一种行为特征，动态变化范围大。同一个人在不同时期和精神状态下的笔迹也不会完全相同，因此多用于身份验证中。目前手写体识别主要用于拼音文字的识别。
（4）手形识别
手形识别是利用手掌、手指的长、宽、厚三维尺寸和连接特征来进行身份识别。手形特征稳定性高，不易随外在环境或生理变化而改变，采集速度快，设备简单，是最早引入商业应用的生物识别技术，但因识别率相对较低，一般只用作身份验证。
（5）人脸识别
人脸的面部特征是相对固定的，鉴别一个人的身份，主要依靠面部特征进行识别。
标准视频和热成像技术是人工智能和机器知识学习系统用于捕捉面部图像的两项技术。
（6）声音识别
人说话时的声音频谱由声带决定，成年人的声音几乎是终生不变的。用电声学仪器采集、分析声音携带的声波频谱，将其与已知语声样本进行比对，就可以进行个体鉴定。
3.人机输出接口
在人机接口系统中，计算机的处理信息、报警信号、工作状态等都需要通过显示器的输出传递给操作者。在光机电一体化系统中，作为信息输出的器件有发光二极管LED、液晶显示器LCD、CRT和打印机等。LED价格低廉、配置灵活、接口方便，是光机电一体化系统中最为常用的显示器件。随着液晶显示技术的进步，功耗低、抗干扰性强的LCD逐渐得到广泛的应用，在中、高档产品中，有取代LED的趋势。
LED显示器是把若干个发光二极管按照一定的形状制作在一块基板上构成的字符显示器件。当发光二极管导通时，相应的段或点被点亮。控制不同组合的发光二极管导通，就能显示不同的字符和图形。为了适应不同的驱动电路，LED显示器的引线分共阳极和共阴极两种接线方式。LED显示器的每一段发光时，通过的平均电流为10～20毫安。无论是单片机的端口线还是扩展的普通I/O口线，都无法提供这么大的驱动电流。
因此，LED显示器通常需要驱动电路。
LED显示器的工作方式有静态显示和动态显示两种方式。在LED静态显示方式下，各位LED显示器的共阴极（或共阳极）点连接在一起接地（或电源正极），每位的段选线分别与一个八位并行口通过驱动电路相连。这样，只要该位的段选线上保持段选码电平，该位就能保持相应的显示字符。一个两位的LED静态显示器每一位可以单独显示一个数字。每位由一个八位输出口控制段选码，在同一时间里，每一位显示的字符可以各不相同。改变相应位控制口的段选码即可改变某位的显示内容。
液晶显示器简称LCD，液晶显示器的主要材料是液态晶体，它是一种有机材料，在特定的温度范围内既具有液体的流动性，又具有晶体的某些光学特性。它的颜色和透明度随着电场、磁场、光、温度的变化而变化。液晶显示器是一种利用光反射的被动型显示器，它本身并不发光，而是借助自然光或外来光来显示字符的，因此它适合在光线明亮的场合使用。液晶显示器的工作电压低，耗电少，成本低，但工作温度范围较窄，响应慢。
液晶显示器可制作成分段式和点阵式数码显示屏。分段式液晶显示屏是在平整度很好的玻璃上喷涂二氧化锡透明导电层，刻出七段作正面电极，在另一块玻璃上对应地做成“8”字形的背电极，然后在两块玻璃之间封装间隙为10毫米的液晶盒，灌注液晶密封而成。如果在液晶屏的正面电极的某段和背电极之间加上适当的电压（大于3伏），则该段所夹持的液晶产生“散射效应”，显示出字符。
分段式LCD显示器只能显示数字和英文字母。要显示汉字，则必须采用点阵式LCD。有的液晶显示驱动器带有汉字库，但大部分都是不带汉字库的。如果手工编制汉字库，不仅工作量大，而且不美观。要在点阵式LCD上显示汉字，就得从标准汉字库中提取汉字的点阵数据，然后再将其写入点阵式LCD的显示存储器中进行显示。不同的液晶显示器所需要的汉字库格式是不完全相同的，一般来说，LCD要求的汉字库格式有横向型和纵向型两种。
热敏式打印机是物流自动化系统中常用的一种输出设备。根据打印原理，打印机分为击打式和非击打式两种。针式打印机就是最常见的一种击打式打印机。
它的特点是结构简单、价格低廉、打印成本较低、易维护，但打印时的噪声大、需经常更换色带且打印分辨率比较低。热敏式打印机是非击打式打印机的代表，它的体积小、打印噪声小、分辨率相对较高且打印字符清晰。因此被广泛用于POS终端系统、超市、仓库、银行系统、医疗仪器、便携式智能仪器仪表等领域。热敏式打印机根据其热敏元件的排列方式又可分为行式热敏和列式热敏。列式热敏属于早期产品，现在主要应用在一些对打印速度要求不高的场合。行式热敏属于20世纪90年代的技术，其打印速度比列式热敏打印机快得多，目前最快速度已达到220毫米/秒。
热敏式打印机的打印原理是：热敏打印头上有一排发热元件，在逻辑电路的控制下使打印头上的发热元件瞬时发热，这些热量很快传导到热敏记录纸上并使该点的记录纸改变颜色，从而形成文字或图案。
思考题
1.物流自动化系统装置主要有哪两种控制形式？对机构运动控制的发展趋势如何？
哪些装置可以用于逻辑控制？
2.物流领域常用的传感器主要有哪些？主要用于检测哪些参数？
3.接触器、熔断器、断路器和继电器有什么区别？分别用于哪些场合？
4.主令电器主要有哪些？其中万能转换开关主要有哪些优点？
5.物流自动化系统中使用比较广泛的电动机有哪几种？分别用在什么场合？
6.PLC有什么主要特点？主要的技术参数有哪些？今后的发展趋势怎样？
7.嵌入式系统的含义是什么？在物流自动化系统中使用嵌入式系统对整个系统的性能提升有什么意义？
8.什么是机电一体化接口技术？在物流自动化系统中主要如何应用？物流自动化系统中常用的人机接口有哪些？
