按鍵狀態(tài)掃描顯示電路的設(shè)計與制作課程設(shè)計任務(wù)書

1、課程設(shè)計任務(wù)書學(xué)生姓名： 專業(yè)班級： 指導(dǎo)教師： 工作單位： 題 目: 按鍵狀態(tài)掃描顯示電路的設(shè)計與制作初始條件：（1） 以09十個數(shù)符標識十個按鍵（2） 當(dāng)有鍵按下時，顯示其標識符，并保持顯示符直到新的按鍵作用（3） 如果多個按鍵同時作用，只響應(yīng)最先作用的按鍵要求完成的主要任務(wù): （包括課程設(shè)計工作量及其技術(shù)要求，以及說明書撰寫等具體要求）（1） 設(shè)計任務(wù)及要求（2） 方案比較及認證（3） 系統(tǒng)框圖，原理說明（4） 硬件原理，完整電路圖，采用器件的功能說明（5） 調(diào)試記錄及結(jié)果分析（6） 對成果的評價及改進方法（7） 總結(jié)（收獲及體會）（8） 參考資料（9） 附錄：器件表，芯片資料時間安排：

2、6月27日6月30日：明確課題，收集資料，方案確定，仿真7月1日7月4日：硬件電路制作與調(diào)試7月5日7月8日；報告撰寫，交設(shè)計報告，答辯指導(dǎo)教師簽名： 年 月 日系主任（或責(zé)任教師）簽名： 年 月 目錄說明書：每頁35行；每行40字符應(yīng)列出各組成部分的大小標題、分章分節(jié)并逐項標注頁碼。 摘要1 任務(wù)及要求21.1 設(shè)計任務(wù)21.2 設(shè)計要求22 設(shè)計方案22.1 總體設(shè)計思想22.2 總體邏輯功能圖22.3 設(shè)計方案的選擇32.3.1 編碼電路的選擇32.3.2 觸發(fā)電路的選擇53 單元電路的功能說明63.1 單元電路的設(shè)計63.1.1 按鍵控制電路63.1.2 編碼電路83.1.3 觸發(fā)電路

3、的設(shè)計93.1.4 邏輯反饋電路的設(shè)計103.1.5 譯碼顯示電路的設(shè)計113.2 整體電路的工作原理154 利用protues，multisim仿真電路165 結(jié)束語18參考文獻19附錄20摘要隨著電子技術(shù)和計算機技術(shù)的飛速發(fā)展，電子線路的設(shè)計工作也日益顯得重要。經(jīng)過人工設(shè)計，制作實驗板，調(diào)試再修改的多次循環(huán)才定型的傳統(tǒng)產(chǎn)品設(shè)計方法必然被計算機輔助設(shè)計所取代，因為這種費時費力又費資源的設(shè)計調(diào)試方法即增加了產(chǎn)品開發(fā)的成本和周期，又受到實驗工作場地及儀器的限制。因此，在eda飛速發(fā)展的今天，eda技術(shù)正慢慢領(lǐng)導(dǎo)著電子科技，同時慢慢進入到生活的各個方面。 本次按鍵狀態(tài)掃描顯示電路的設(shè)計與制作，就是

4、一次理論知識與eda技完美結(jié)合。本次設(shè)計要求以0-9十個數(shù)符標識十個按鍵，當(dāng)有按鍵按下時，顯示其標識符，并保持顯示符，并保持顯示指導(dǎo)新的按鍵作用，如果多個按鍵同時作用，只響應(yīng)最先作用的按鍵，有點類似于帶數(shù)字的搶答器，不過加了個數(shù)碼顯示管。關(guān)鍵詞：eda技術(shù) 狀態(tài)掃描 數(shù)碼顯示 按鍵狀態(tài)掃描顯示電路的設(shè)計與制作1 任務(wù)及要求1.1設(shè)計任務(wù)1）以0-9十個數(shù)符標識十個按鍵；2）當(dāng)有鍵按下時，用數(shù)碼顯示管顯示其標識數(shù)字，并保持到新的按鍵作用；3）如果多個按鍵同時作用，只響應(yīng)最先作用的按鍵。1.2設(shè)計要求本課程設(shè)計要求設(shè)計一個10按鍵數(shù)字狀態(tài)掃描顯示電路，以0-9標識十個按鍵，按下某一按鍵，數(shù)碼顯示管

5、顯示相應(yīng)的數(shù)字。2 設(shè)計方案2.1總體設(shè)計思想根據(jù)課程設(shè)計任務(wù)書要求，以及十個按鍵所對應(yīng)的邏輯關(guān)系分析，得出設(shè)計及該電路大體需要按鍵控制電路、編碼電路、觸發(fā)電路、邏輯反饋電路、譯碼電路以及譯碼顯示，其中譯碼電路和譯碼顯示共同構(gòu)成了譯碼顯示電路。其控制關(guān)系如圖2-1所示。圖2-1總體方案圖2.2總體邏輯功能圖 按照按鍵控制電路的運行狀態(tài)與數(shù)碼管的顯示數(shù)字的分析，總結(jié)寫出不同開關(guān)按下時，數(shù)碼管的顯示，以滿足當(dāng)有開關(guān)按下時，用數(shù)碼顯示管顯示其標識數(shù)字，并保持到新的按鍵作用，并且多個按鍵同時作用，只響應(yīng)最先作用的按鍵的任務(wù)要求。其關(guān)系如下表1。表1 開關(guān)和數(shù)碼顯示的關(guān)系2.3設(shè)計方案的選擇在設(shè)計本電路

6、時，一共考慮過兩種方案。這兩種方案的不同點在于編碼的方法不同，觸發(fā)電路以及譯碼顯示電路的芯片選擇不同。下面簡單的介紹一下這兩種方案。2.3.1.編碼電路的選擇方案一：用十個按鍵和門電路組成的8421bcd碼編碼器 此電路邏輯圖如圖2-2所示，增值表如表2所示，十個按鍵s0-s9分別對應(yīng)十進制數(shù)0-9，編碼輸出為abcd和gs。 對真值表和邏輯電路進行分析，可得知：1.該編碼器為輸入低電平有效；2.再按下s0-s9中任意一個鍵時，即輸入信號中有一個為低電平是gs=1，表示信號輸入，在本次設(shè)計中還可作為后續(xù)電路的反饋信號，只有s0-s9均為高電平時gs=0， 圖2-2 用十個按鍵和門電路組成的84

7、21bcd碼編碼器表示有無信號輸入，此時的輸出代碼0000為無效代碼。 盡管用十個按鍵和門電路組成的8421bcd碼編碼器由以上諸多強大的功能，不過其門電路在實際中很難找到。我也曾經(jīng)想過用其他的門電路來代替圖2-2中的五輸入與非門但還是比較復(fù)雜讓人望而卻步。這就是我不選此電路的一個重要原因。 表2 十個按鍵8421bcd碼編碼器真值表 方案二：由74ls147和非門組成的十進制編碼電路此方案中用一個74ls147代替了方案一中大量的門電路，讓電路變得簡化。美中不足的是74ls147只有九個輸入端，再加上74ls芯片后必須得加上四個非門，讓我感覺很麻煩，這也讓我一度放棄用這種編碼電路。后來，我發(fā)

8、現(xiàn)可以用反饋電路中的一個開關(guān)代替“0”輸入開關(guān)，彌補了它的不足，這一點將在后續(xù)的反饋電路中加以說明。所以采用此方案。2.3.2觸發(fā)電路的選擇方案一：由74ls373和反饋電路連接 74ls373是一個八d鎖存器。我讓其使能端與反饋電路相連接，使得有信號輸入后，反饋使能，鎖存信號，使得其他信號不能輸入，實現(xiàn)如果多個按鍵同時作用，只響應(yīng)最先作用的按鍵的作用。理論分析的結(jié)果和仿真效果完全吻合。但是，在實際制作中，我們的開關(guān)系統(tǒng)所用的開關(guān)是按鍵是的。用這種方法，當(dāng)開關(guān)由閉合到斷開后，數(shù)碼顯示管顯示的數(shù)字會歸零，不符合“當(dāng)有鍵按下時，用數(shù)碼顯示管顯示其標識數(shù)字，并保持到新的按鍵作用”的功能。 另外，選用

9、鎖存器就是一個方向性的錯誤。當(dāng)我決定用按鍵開關(guān)時，就應(yīng)該想到應(yīng)該用觸發(fā)器。 綜合以上理由，不選方案一。方案二：由74ls273與反饋電路連接 74ls373是一個八d觸發(fā)器，適合于這種用按鍵開關(guān)控制的電路。按鍵開關(guān)每按一下都會產(chǎn)生相應(yīng)的一個脈沖信號，進行反饋和觸發(fā)。 方案二完全符合本題目的要求，所以選方案二方案一和方案二的總體電路圖分別如圖2-3，圖2-4所示。圖2-3方案一的總體設(shè)計圖（棄選） 圖2-4方案二的總體設(shè)計圖 （采用） 3.單元電路的功能說明3.1單元電路的設(shè)計31.1 按鍵控制電路 按鍵控制系統(tǒng)不僅僅是幾個開關(guān)，圖3-1就是一個典型錯誤。 圖3-1 錯誤的開關(guān)連接 圖3-2正確

10、的開關(guān)連接圖3-1中沒有加上拉電阻，當(dāng)按鍵沒有按下時，芯片輸入管腳懸空，不利于電路功能的實現(xiàn)。正確的按鍵電路應(yīng)該是加上10k的上拉電阻，使得當(dāng)按鍵都沒有按下時，芯片輸入為高電平。否則，若按照圖3-1的接法，沒有一個按鍵按下時，芯片的輸入有可能是高電平，也有可能是低電平，造成芯片輸入混亂，對后面的邏輯電路造成重大的影響。 如圖3-2所示，從上到下的按鍵分別表示1,2,3,4,5,6,7,8,9.。.通過按鍵的閉合即可完成相關(guān)信號的輸入。3.1.2編碼電路按鍵狀態(tài)掃描顯示電路的設(shè)計我采用的是74ls147十進制優(yōu)先編碼器，它的真值表和管腳圖如下。 表3 74ls147真值表其中74ls147的第9

11、腳nc為空。74ls147優(yōu)先編碼器有9個輸入端和4個輸出端。某個輸入端為0，代表輸入某一個十進制數(shù)。當(dāng)9個輸入端全為1時，代表輸入的是十進制數(shù)0。4個輸出端反映輸入十進制數(shù)的bcd碼編碼輸出。 74147 將 9 條數(shù)據(jù)線（19）進行 4 線 bcd 編碼，即對最高位數(shù)據(jù)線進行譯碼。當(dāng) 19 均為高電平時，編碼輸出（abcd）為十進制零。故不 需單設(shè)/in0 輸入端。74ls147優(yōu)先編碼器的輸入端和輸出端都是低電平有效，即當(dāng)某一個輸入端低電平0時，4個輸出端就以低電平0的輸出其對應(yīng)的8421 bcd編碼。當(dāng)9個輸入 圖3-3 74ls47管腳圖 全為1時，4個輸入出也全為1，代表輸入十進制

12、數(shù)0的8421 bcd編碼輸出。 選用74ls147有一個明顯的缺陷，就是它只有九個輸入端子，不能實現(xiàn)“0”按鍵的功能。但是，幸運的是，“0”按鍵的功能比較簡單?？梢栽诤罄m(xù)電路中實現(xiàn)，具體情況我將要在后續(xù)電路中介紹。3.1.3觸發(fā)電路的設(shè)計如圖3-5所示，為帶有清零端的八d觸發(fā)器74ls273。只有在清除端保持高電平時，數(shù)據(jù)才能通過觸發(fā)器傳遞到后續(xù)電路。觸發(fā)控制端為11腳clk，采用上升沿觸發(fā)。通過d觸發(fā)器，我們可以將輸入的相關(guān)信號“鎖存”（因為必須要有上升沿的脈沖觸發(fā)才能使信號通過，有點類似于鎖存）起來。防止信號的任意跳變。 74ls273是8位數(shù)據(jù)/地址鎖存器，他是一種帶清除功能的8d觸發(fā)

13、器1腳是復(fù)位clr,低電平有效,當(dāng)1腳是低電平時,輸出腳2(q0)、5(q1)、6(q2)、9(q3)、12(q4)、15(q5)、16(q6)、19(q7)全部輸出0,即全部復(fù)位;當(dāng)1腳為高電平時,11(clk)腳是鎖存控制端,并且是上升沿觸發(fā)鎖存,當(dāng)11腳有一個上升沿,立即鎖存輸入腳3、4、7、8、13、14、17、18的電平狀態(tài),并且立即呈現(xiàn)在在輸出腳2(q0)、5(q1)、6(q2)、9(q3)、12(q4)、15(q5)、16(q6)、19(q7)上；第一腳wr：主清除端，低電平觸發(fā)，即當(dāng)為低電平時，芯片被清除，輸出全為0（低電平）；cp（clk）：觸發(fā)端，上升沿觸發(fā)，即當(dāng)cp從低到

14、高電平時，d0d7的數(shù)據(jù)通過芯片，為0時將數(shù)據(jù)鎖存，d0d7的數(shù)據(jù)不變1d8d為數(shù)據(jù)輸入端，1q8q為數(shù)據(jù)輸出端，正脈沖觸發(fā)，低電平清除，常用作8位地址鎖存器。 圖3-4 74ls273的電氣符號 引腳圖和邏輯功能表 通過真值表以及芯片的相關(guān)功能，我們已經(jīng)了解74ls273的相關(guān)功能。在本次相關(guān)電路的設(shè)計中，通過反相器作用的信號輸入到芯片74ls273，由于芯片為八d觸發(fā)器。由d觸發(fā)器的基本功能，輸出q端與輸入d相同，如果同時有多個按鍵作用的時候，此時74ls273芯片起到鎖存器的作用，只顯示出最初輸入的信號。同時，當(dāng)按鍵恢復(fù)到?jīng)]有按下去的時候，信號通過相關(guān)邏輯作用后，反饋給clk。在clk的

15、作用下，實現(xiàn)清零的功能。清零以后，d觸發(fā)器就不再鎖存以前加入的信號。當(dāng)有按鍵按下去的時候，此時芯片輸入的就是作用按鍵的信號，再通過d觸發(fā)器的作用，就可以完成新輸入信號的鎖存。3.1.4邏輯反饋電路的設(shè)計 邏輯反饋電路如圖3-5所示，有四個個或門（實際操作時，用或非門加上一個非門代替或門，具體原理為：=）和一個開關(guān)組成。其中出現(xiàn)的開關(guān)是“0”開關(guān)。 當(dāng)圖3-6中的四個非門有一個輸出為高電平，就會輸入一個上升沿信號到clk端，并且輸出一個高電平到清零端，使得輸出的信號通過。而且如果最先按下的按鍵沒有按下，高電平會持續(xù)輸入到clk端，阻止其他信號的輸入。從而實現(xiàn)“如果多個按鍵同時作用，只響應(yīng)最先作用

16、的按鍵”的功能。圖3-5邏輯反饋電路clk端的具體邏輯輸入為： clk=對于mr輸入表達式，根據(jù)設(shè)計的方案，寫出mr的邏輯表達式： mr=clk+d0 圖3-5中的開關(guān)起到清零的作用，由于設(shè)計的電路中有一些芯片需要控制使能端，才能使芯片工作在所需要的狀態(tài)。此外對于不同的芯片，可能有效的信號高低電平不同，需要加入反相器進行相關(guān)的轉(zhuǎn)換。因為設(shè)計選擇的芯片是九輸入的74ls147，所以我們還需要補充一個按鍵作為“0”按鍵。而上圖中的開關(guān)就是“0”開關(guān)。當(dāng)該按鍵按下時，輸出低電平到清零端清零。3.1.5譯碼顯示電路的設(shè)計 本次設(shè)計利用的是cd4511芯片以及共陰極七段數(shù)碼顯示管顯示管構(gòu)成譯碼顯示電路。

17、 這里，先簡要介紹一下cd4511。 cd4511的功能：cd4511是一個用于驅(qū)動共陰極 led （數(shù)碼管）顯示器的 bcd 碼七段碼譯碼器，特點如下：具有bcd轉(zhuǎn)換、消隱和鎖存控制、七段譯碼及驅(qū)動功能的cmos電路能提供較大的拉電流?？芍苯域?qū)動led顯示器。用cd4511實現(xiàn)led與接口方法如下圖： 圖3-6 cd4511連接方法 其功能介紹如下： bi：4腳是消隱輸入控制端，當(dāng)bi=0 時，不管其它輸入端狀態(tài)如何，七段數(shù)碼管均處于熄滅（消隱）狀態(tài)，不顯示數(shù)字。 lt：3腳是測試輸入端，當(dāng)bi=1，lt=0 時，譯碼輸出全為1，不管輸入 dcba 狀態(tài)如何，七段均發(fā)亮，顯示“8”。它主要用

18、來檢測數(shù)碼管是否損壞。 le：鎖定控制端，當(dāng)le=0時，允許譯碼輸出。 le=1時譯碼器是鎖定保持狀態(tài)，譯碼器輸出被保持在le=0時的數(shù)值。 a1、a2、a3、a4、為8421bcd碼輸入端。 a、b、c、d、e、f、g：為譯碼輸出端，輸出為高電平1有效。 cd4511的內(nèi)部有上拉電阻，在輸入端與數(shù)碼管筆段端接上限流電阻就可工作。1. cd4511的引腳 cd4511具有鎖存、譯碼、消隱功能，通常以反相器作輸出級，通常用以驅(qū)動led。其引腳圖如3-2所示。 各引腳的名稱：其中7、1、2、6分別表示a、b、c、d；5、4、3分別表示le、bi、lt；13、12、11、10、9、15、14分別表示

19、 a、b、c、d、e、f、g。左邊的引腳表示輸入，右邊表示輸出，還有兩個引腳8、16分別表示的是vdd、vss 2. cd4511的工作原理：（）cd4511的工作真值表如表3所示 （ 2 ）鎖存功能 譯碼器的鎖存電路由傳輸門和反相器組成,傳輸門的導(dǎo)通或截止由控制端le的電平狀態(tài)。 當(dāng)le為“0”電平導(dǎo)通，tg2截止；當(dāng)le為“1”電平時，tg1截止，tg2導(dǎo)通，此時有鎖存作用。如圖3-3（3）譯碼 cd4511譯碼用兩級或非門擔(dān)任，為了簡化線路，先用二輸入端與非門對輸入數(shù)據(jù)b、c進行組合，得出a、b、c、d四項，然后將輸入的數(shù)據(jù)a、d一起用或非門譯碼。 （4）消隱 bi為消隱功能端，該端施加

20、某一電平后，迫使b端輸出為低電平，字形消隱。消隱控制電路如圖3-6所示。 消隱輸出j的電平為： j=（c+b）d+bi如不考慮消隱bi項，便得j=（b+c）d據(jù)上式，當(dāng)輸入bcd代碼從1010-1111時，j端都為“1”電平，從而使顯示器中的字形消隱。 表3 cd4511的真值表輸 入輸 出lebilidcbaabcdefg顯示xx0xxxx11111118x01xxxx0000000消隱01100001111110001100010110000101100101101101201100111111001301101000110011401101011011011501101100011111

21、601101111110000701110001111111801110011110011901110100000000消隱01110110000000消隱01111000000000消隱01111010000000消隱01111100000000消隱111xxxx鎖 存鎖存 這里我要著重強調(diào)一下七段譯碼顯示管，它看似簡單，卻讓我們組吃盡了苦頭。簡單的數(shù)碼管還分為兩種：共陰極和共陽極（如圖3-7，圖3-8）。. 圖3-7 共陰極數(shù)碼管圖3-8 共陽極 圖3-9數(shù)碼顯示管管腳圖 另外，我們所選用的cd4511只能搭配共陰極數(shù)碼顯示管。3.2整體電路的工作原理 整個電路的電路圖如下： 圖3-10

22、總體電路圖 電路中有十個按鍵，右側(cè)的那個按鍵為“0”，左側(cè)的按鍵從高到低依次是1-9。當(dāng)任意按鍵按下后，通過譯碼電路，數(shù)碼顯示管顯示其對應(yīng)的數(shù)字，并通過觸發(fā)電路的作用，保持到有新的按鍵作用。當(dāng)多個按鍵同時作用時，由于反饋電路的作用，只響應(yīng)最先作用的按鍵。4利用protues，multisim仿真電路ni multisim軟件是一個專門用于電子電路仿真與設(shè)計的eda工具軟件。作為 windows 下運行的個人桌面電子設(shè)計工具，ni multisim 是一個完整的集成化設(shè)計環(huán)境。ni multisim計算機仿真與虛擬儀器技術(shù)可以很好地解決理論教學(xué)與實際動手實驗相脫節(jié)的這一問題。學(xué)員可以很方便地把剛

23、剛學(xué)到的理論知識用計算機仿真真實的再現(xiàn)出來，并且可以用虛擬儀器技術(shù)創(chuàng)造出真正屬于自己的儀表。ni multisim軟件絕對是電子學(xué)教學(xué)的首選軟件工具。 整個操作界面就像一個電子實驗工作臺，繪制電路所需的元器件和仿真所需的測試儀器均可直接拖放到屏幕上，輕點鼠標可用導(dǎo)線將它們連接起來，軟件儀器的控制面板和操作方式都與實物相似，測量數(shù)據(jù)、波形和特性曲線如同在真實儀器上看到的。提供了世界主流元件提供商的超過17000多種元件，同時能方便的對元件各種參數(shù)進行編輯修改，能利用模型生成器以及代碼模式創(chuàng)建模型等功能，創(chuàng)建自己的元器件。 以spice3f5和xspice的內(nèi)核作為仿真的引擎，通過electron

24、ic workbench 帶有的增強設(shè)計功能將數(shù)字和混合模式的仿真性能進行優(yōu)化。包括spice仿真、rf仿真、mcu仿真、vhdl仿真、電路向?qū)У裙δ堋Ｌ峁┝宿D(zhuǎn)換原理圖和仿真數(shù)據(jù)到其他程序的方法，可以輸出原理圖到pcb布線（如ultiboard、orcad、pads layout2005、p-cad和protel）；輸出仿真結(jié)果到mathcad、excel或labview；輸出網(wǎng)絡(luò)表文件；向前和返回注；提供internet design sharing（互聯(lián)網(wǎng)共享文件）。 proteus是一種功能強大的電子設(shè)計自動化軟件，提供智能原理圖設(shè)計系統(tǒng)、spice模擬電路、數(shù)字電路及mcu器件混合仿真

25、系統(tǒng)和pcb設(shè)計系統(tǒng)功能。其不僅可以仿真?zhèn)鹘y(tǒng)的電路分析實驗、模擬電子線路實驗、數(shù)字電路實驗等，而且可以仿真嵌入式系統(tǒng)的實驗，其最大的特色在于可以提供嵌入式系統(tǒng)（單片機應(yīng)用系統(tǒng)、arm應(yīng)用系統(tǒng)）的仿真實驗，這也是其它任何仿真軟件無力所及的。例如，其支持單片機和周邊設(shè)備，可以仿真51系列、8086、avr、pic、motorola的68系列等常用的mcu，并提供周邊設(shè)備的仿真，例如373、led、示波器等。proteus提供了大量的元件庫，有ram、rom、鍵盤、馬達、led、lcd、ad/da、部分spi器件、部分iic器件等。在編譯方面，它也支持keil和mplab等多種編譯器。 至于具體的仿真，前面都有