1、題 目按鍵狀態(tài)掃描顯示電路的設(shè)計(jì)與制作 題 目: 按鍵狀態(tài)掃描顯示電路的設(shè)計(jì)與制作初始條件：（1） 以09十個數(shù)符標(biāo)識十個按鍵（2） 當(dāng)有鍵按下時，顯示其標(biāo)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(jì)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(jì)任務(wù)及要求（2） 方案比較及認(rèn)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） 改進(jìn)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：6月25日6月28日：明確課題，收集

2、資料，方案確定7月28日7月2日：整體設(shè)計(jì)，硬件電路調(diào)試7月2日7月6日；報(bào)告撰寫，交設(shè)計(jì)報(bào)告，答辯指導(dǎo)教師簽名： 2012年 7月 日目錄 摘要.11 設(shè)計(jì)內(nèi)容及方案選擇21.1設(shè)計(jì)內(nèi)容及其設(shè)計(jì)要求. .21.2 方案選擇2 1.2.1 按鍵的標(biāo)識及對應(yīng)的標(biāo)識符顯示方案的選擇2 1.2.2 信號的鎖存及按鍵優(yōu)先作用方案的選擇22 電路的設(shè)計(jì)及器件的選擇32.1 電路的原理3 2.1.1 電路的原理框圖及其說明3 單元電路的說明3 2.1.3 完整的電路圖.42.2開關(guān)電路的設(shè)計(jì)和器件的選擇5開關(guān)電路的設(shè)計(jì) 5 2.2.2各主要芯片的功能說明5 2.2.3 電路的總體說明10 2.3方案二完整

3、電路圖及其比較選擇.113 硬件電路的設(shè)計(jì)及其制作與調(diào)試.11 3.1 仿真使用的系統(tǒng).123.2 制作與調(diào)試的方法和技巧.123.3 測試的數(shù)據(jù)分析123.4 制作與調(diào)試中出現(xiàn)的故障、原因及排除方法.12結(jié)束語13參考文獻(xiàn)14附錄 按鍵狀態(tài)掃描顯示電路所用元件15本科生課程設(shè)計(jì)成績評定表16 摘要此課程設(shè)計(jì)是基于鍵盤按鍵功能的模擬，需要運(yùn)用現(xiàn)有所學(xué)的數(shù)字電子技術(shù)的知識，主要實(shí)現(xiàn)以下設(shè)計(jì)的功能1.按鍵顯示：按下一個按鈕輸出顯示對應(yīng)的數(shù)字，十個按鈕分別用09顯示 2.按鍵保持：按鍵后的顯示一直保持到新的按鍵作用 3.優(yōu)先按鍵：如果多個按鍵同時作用，只響應(yīng)最先作用的按鍵。本文對該按鍵狀態(tài)掃描顯示電

4、路的設(shè)計(jì)方案作了詳細(xì)的說明與分析，主要根據(jù)各芯片的功能，采用合理的布線實(shí)現(xiàn)滿足設(shè)計(jì)的要求，本實(shí)驗(yàn)主要運(yùn)用到了各芯片編碼、觸發(fā)、譯碼顯示等功能。電路的設(shè)計(jì)用到了TTL系列的74芯片，外加一些基本的電阻、開關(guān)、電源與導(dǎo)線，電路比較簡單但卻實(shí)現(xiàn)了所需要的功能，通過對其電路的優(yōu)化設(shè)計(jì)使其盡量使用較少的器材就足以實(shí)現(xiàn)所需的功能，這也符合時代的潮流與趨勢，本文的最后給出了參考文獻(xiàn)與元件清單，這也是為了電路的理論到實(shí)踐起到了關(guān)鍵性的作用。此課程設(shè)計(jì)與我們這一年學(xué)的知識息息相關(guān)，只用將知識的底座基礎(chǔ)打牢了，就會在電路的設(shè)計(jì)制作過程中游刃有余。為期兩周的課程設(shè)計(jì)需要我們付出很多才會見到成效。最后，本文對該電路設(shè)

5、計(jì)作了總體的評價(jià)，歸納好經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)并作出總結(jié)。關(guān)鍵詞：按鍵 編碼 觸發(fā) 譯碼顯示按鍵狀態(tài)掃描顯示電路的設(shè)計(jì)與制作1 設(shè)計(jì)內(nèi)容及方案選擇1.1 設(shè)計(jì)內(nèi)容及其設(shè)計(jì)要求本次電工電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)的任務(wù)是“按鍵狀態(tài)掃描顯示電路”，以數(shù)字電子技術(shù)為基礎(chǔ)而設(shè)計(jì)電路，主要實(shí)現(xiàn)按鍵顯示等功能。具體設(shè)計(jì)要求如下：（1） 以09十個數(shù)符標(biāo)識十個按鍵（2） 當(dāng)有鍵按下時，顯示其標(biāo)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1.2 方案選擇 按鍵的標(biāo)識及對應(yīng)的標(biāo)識符顯示方案的選擇開關(guān)電路實(shí)現(xiàn)按鍵操作：用十個開關(guān)分別表示09這十個按鍵，開關(guān)接通代表按下按鍵，開關(guān)斷開代表按鍵抬起。編碼

6、電路與譯碼顯示電路的結(jié)合實(shí)現(xiàn)按鍵掃描顯示功能：運(yùn)用TTL系列的編碼和譯碼性質(zhì)的芯片，分別為芯片74LS147、74LS48，這需要通過合理的電路連線實(shí)現(xiàn)。 信號的鎖存及按鍵優(yōu)先作用方案的選擇 觸發(fā)電路實(shí)現(xiàn)按鍵信號的鎖存以及按鍵優(yōu)先次序的設(shè)計(jì)：運(yùn)用TTL系列的觸發(fā)器芯片74LS175，當(dāng)然僅有觸發(fā)器是不夠的，需要開關(guān)電路與組合門電路的組合為D觸發(fā)器提供觸發(fā)信號，才能使74LS175成功觸發(fā)工作，這需要通過合理的電路連線實(shí)現(xiàn)。2 電路的設(shè)計(jì)及器件的選擇2.1 電路的原理 電路的原理框圖及其說明按鍵掃描顯示電路原理框圖如圖1所示編碼電路開關(guān)電路觸發(fā)電路組合門電路譯碼顯示電路提供觸發(fā)信號 圖1 按鍵掃

7、描顯示電路原理框圖原理框圖說明：此框圖由五個單元電路組成，信號由開關(guān)電路輸入，觸發(fā)信號由編碼輸出和0按鍵接組合門電路來提供，在譯碼顯示電路輸出顯示按鍵信號。 單元電路的說明 開關(guān)電路：由+5V電源、十個1k電阻、十個無鎖的按鍵開關(guān)構(gòu)成，作用：提供輸入信號，電路中開關(guān)閉合輸入0（低電平），斷開則輸入1（高電平），這十個開關(guān)分別對應(yīng)09這十個模擬的按鍵。 編碼電路：由74LS147芯片構(gòu)成，作用：接受輸入信號進(jìn)行編碼為四位二進(jìn)制數(shù)。同時作為門電路的輸入信號。 觸發(fā)電路：由74LS175芯片構(gòu)成，作用：對編碼后的信號進(jìn)行鎖存，并接受觸發(fā)信號，實(shí)現(xiàn)優(yōu)先按鍵的功能，將處理后的輸出信號送入譯碼顯示電路。組

8、合門電路：由74LS04，74LS20和74LS32構(gòu)成，用到了74LS20芯片中的四輸入與非門和74LS32芯片中的二輸入或門。作用：通過門電路與開關(guān)電路相連為觸發(fā)電路提供觸發(fā)信號，使其對應(yīng)的標(biāo)識符并且多個按鍵同時作用，只響應(yīng)最先作用的按鍵。 譯碼顯示電路：由74LS48芯片和共陰極的七段顯示管構(gòu)成，作用：將輸出信號譯碼顯示為0到9的十進(jìn)制的數(shù)字信號。 初始電路狀態(tài)：開關(guān)都斷開，按鍵按下則對應(yīng)顯示其數(shù)值。 2.1.3 完整的電路圖以下是完整的電路圖，如圖2所示。 圖2 完整電路圖 說明：譯碼顯示部分U6由74LS48和共陰極的七段顯示管組成，圖中合二為一。2.2開關(guān)電路的設(shè)計(jì)和器件的選擇開關(guān)

9、電路的設(shè)計(jì)提供輸入信號，每個開關(guān)相互獨(dú)立，中間的RPACK是十個1000歐的電阻，起到了一個保護(hù)電路的作用，如圖3所示，電路中開關(guān)閉合輸入0（低電平），斷開則輸入1（高電平）。以此開關(guān)電路為編碼電路提供低有效的輸入信號，開關(guān)電路與組合門電路相連則是為觸發(fā)電路提供觸發(fā)信號。這十個開關(guān)分別對應(yīng)09這十個模擬的按鍵圖3 開關(guān)電路 各主要芯片的功能說明 74LS147芯片介紹：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(jìn)制數(shù)。當(dāng)9個輸入端全為1時，代表輸入的是十進(jìn)制數(shù)0。4個輸出端反映輸入十進(jìn)制數(shù)的BCD碼編碼輸出。如圖4為74LS147引腳圖，其中第15腳NC為

10、空。圖4 74LS147引腳圖74LS147優(yōu)先編碼器的輸入端和輸出電平端都型號是低電平有效，某一個輸入端低電平信號0時圖如圖，4個輸出管腳端就以低電平輸出其對應(yīng)的8421BCD編碼。當(dāng)9個輸入編碼器全為1時，4個輸出也全為1，代表輸入十進(jìn)制數(shù)0的8421BCD編碼輸出。如圖5為74LS147真值表。圖5 74LS147真值表 74LS147在編碼電路中將開關(guān)電路輸入的19對應(yīng)的按鈕開斷（1或0）信號進(jìn)行編碼，編碼器輸入輸出都是低有效。而剩下的開關(guān)按鈕（0）則是可以通過組合門電路實(shí)現(xiàn)編碼。147輸出信號給D觸發(fā)器進(jìn)行鎖存處理再由譯碼顯示電路輸出。 74LS175芯片介紹：175由四上升沿D觸發(fā)

11、器構(gòu)成，74LS175引腳圖如圖6所示。當(dāng)清除端（CR）為低電平時，輸出端Q為低電平。在時鐘（CP）上升沿作用下，Q與數(shù)據(jù)端（D）相一致。當(dāng)CP為高電平或低電平時，D對Q沒有影響。引出端符號 CP 時鐘輸入端是上升沿有效，清除端低電平有效）。圖7為175的內(nèi)部邏輯圖。 圖6 74LS175引腳圖 圖7 74LS175芯片內(nèi)部電路圖 74LS175在此電路中接受74LS147編碼器的信號輸出，等待觸發(fā)信號CP的到來才會觸發(fā)產(chǎn)生新的信號。175的輸出則為最終輸出接到譯碼輸出即可。 74LS04芯片介紹：它由六個非門構(gòu)成，如圖7為其引腳圖，圖8為其內(nèi)部構(gòu)造。 04芯片只要有輸入為0，則輸出就為1。只

12、要輸入為1，則輸出就為0。 圖7 74LS04引腳圖 圖8 74LS04內(nèi)部邏輯圖74LS20芯片介紹：它由兩個四輸入與非門構(gòu)成，圖9為其引腳圖，圖十為其內(nèi)部構(gòu)造。20芯片是包含了與非芯片，即四個輸入中有0則輸出1，只有輸入全為1才輸出0.圖9 74LS10引腳圖 圖10 74LS10內(nèi)部邏輯圖74LS32芯片介紹：它由四個2輸入或門構(gòu)成，圖11為其引腳圖，圖12為其內(nèi)部構(gòu)造。 32芯片是包含了最基本的或門芯片，即兩個輸入中有1則輸出1，只有輸入中全為0才輸出0圖11 74LS32引腳圖 圖12 74LS32的內(nèi)部邏輯圖在此電路中只需74LS04，74LS10和74LS32芯片各一個即可。 觸

13、發(fā)電路工作原理：該組合門電路輸入口由開關(guān)信號0和147的輸出相連，輸出端與74LS175的CP觸發(fā)信號端相連。開關(guān)初始都是斷開， 輸入十個1信號，則一開始輸入給門電路后輸出0給CP，當(dāng)1-9的開關(guān)按下，進(jìn)行編碼后四個輸出端必有0輸出，根據(jù)與非門有0即出1的規(guī)則，組合門電路輸出1給CP，四個D觸發(fā)器則會接收到一個上升沿得以觸發(fā)，四個輸出端則會對應(yīng)得到輸出Qn+1=Qn，相應(yīng)的會譯碼顯示出開關(guān)對應(yīng)的十進(jìn)制數(shù)輸出。同理，0開關(guān)按下時，經(jīng)非門電路直接輸入1，同樣輸出1給CP觸發(fā)。在按鍵按下后，若再按其它鍵則輸出不會改變，原因：此時CP=1，若再閉合一個開關(guān)（輸入0），經(jīng)門電路后CP輸出依舊為1，不會產(chǎn)

14、生上升沿就不會觸發(fā)，則信號輸出依舊為上次按鍵留下的輸出信號不變，這就實(shí)現(xiàn)了信號鎖存的功能。這也可看成按鍵優(yōu)先的功能，即倆開關(guān)信號先后按下，譯碼顯示輸出只顯示先按下鍵的對應(yīng)十進(jìn)制數(shù)。 只有當(dāng)?shù)谝淮伟聪碌陌存I彈起斷開后（輸入1），CP由1變0，再按下其它鍵（輸入0），門電路輸出給CP，CP由0變1再次產(chǎn)生上升沿得以觸發(fā)，這時顯示輸出值才會改變?yōu)榇藭r按下的按鍵數(shù)。 譯碼顯示器使用的是共陰極連接，與驅(qū)動芯片74LS48相連接，完成對二進(jìn)制輸入的譯碼顯示。 數(shù)碼顯示譯碼器：將數(shù)字、文字、符號的代碼譯成數(shù)字、文字、符號的電路。七段發(fā)光二極管數(shù)碼管：圖14,15為共陰管電路和共陰數(shù)碼管引出腳功能圖。 圖14

15、 圖15 電路的總體說明 19開關(guān)輸入的按鈕信號經(jīng)由74LS147編碼器編碼成四位二進(jìn)制數(shù)后送入74LS175觸發(fā)器，等待觸發(fā)信號。同時開關(guān)電路與組合門電路聯(lián)接為觸發(fā)器提供觸發(fā)的上升沿信號，初始狀態(tài)是每個開關(guān)都斷開，當(dāng)按下19任何一個按鍵時，74LS147的輸出端必有0，經(jīng)門電路后74LS175的CP端得到一個上升沿信號從而觸發(fā)，由于編碼輸出是低有效給入觸發(fā)器的，所以將各D觸發(fā)器的Q非端接入最終的譯碼顯示才能得到正確的數(shù)值顯示，所以只要有觸發(fā)就可以使其譯碼顯示輸出。 0開關(guān)比較特殊：不接編碼器，而直接接非門后接入組合門電路參與觸發(fā)，初始狀態(tài)下當(dāng)0開關(guān)按下，二輸入或門輸入為1，CP得到觸發(fā)信號，

16、而編碼器9個輸入端都輸入1，根據(jù)真值表看出輸出1111給觸發(fā)器，所以Qn =1111 ，而0按鍵按下觸發(fā)后使得 = =0000，最后正好在譯碼顯示輸出0這個十進(jìn)制數(shù)。所以此電路能滿足所有的設(shè)計(jì)要求。 2.3方案二完整電路圖及其比較選擇方案二的完整電路圖如圖16所示 圖16 完整電路圖方案比較及其選擇該方案工作原理與方案一相同，各個單位也相近，所以在這里就不加以贅述，在本方案與上一方案有什么不同點(diǎn)的地方看來，就是多了一些門電路，并且是從開關(guān)電路直接接過來，這些門電路的作用與功能是為芯片74LS175提供觸發(fā)脈沖信號，同樣完成設(shè)計(jì)所需要的任務(wù)。 但是十輸入與非門需要與十個開關(guān)都要連線，使得電路比較

17、復(fù)雜，而且還得用六個基本門電路和一個非門構(gòu)成十輸入與非門，即使用門電路較多，不夠經(jīng)濟(jì)。其實(shí)可以考慮根據(jù)輸出信號的一些性質(zhì)來思考怎樣實(shí)現(xiàn)觸發(fā)，而不必使觸發(fā)非要與開關(guān)的輸入有關(guān)，這樣可以省線省芯片，同時可以使連線過程簡單化，不易出現(xiàn)錯誤 方案一即做到了這一點(diǎn)。 總之，此電路的核心在于怎樣產(chǎn)生觸發(fā)信號，根據(jù)這可以改進(jìn)出許多電路以達(dá)到此目標(biāo)。 條條大路通羅馬，這次課程設(shè)計(jì)的電路圖不唯一，許多芯片器件可以更換替代從而會產(chǎn)生不同的電路形式，但萬變不離其宗，原理得搞通搞透徹，在對電路有整體把握的情況下再去對其做修改和優(yōu)化，盡量減少芯片個數(shù)使得電路更簡潔經(jīng)濟(jì)。 3 硬件電路的設(shè)計(jì)及其制作與調(diào)試3.1 仿真使用

18、的系統(tǒng) 仿真所用軟件為Multisim 11.0 Multisim是美國國家儀器（NI）有限公司推出的以Windows為基礎(chǔ)的仿真工具，適用于板級的模擬/數(shù)字電路板的設(shè)計(jì)工作。它包含了電路原理圖的圖形輸入、電路硬件描述語言輸入方式，具有豐富的仿真分析能力。3.2 制作與調(diào)試的方法和技巧 電路仿真成功后，即在電路板上進(jìn)行各個器件的安裝與連接，對照電路圖進(jìn)行仔細(xì)的電路連線，注意不能連錯線，不然就會導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)結(jié)果出不來。連線技巧：若兩連接孔間距離較近，則可利用些廢棄的電阻引腳線當(dāng)作導(dǎo)線進(jìn)行連線。3.3 測試的數(shù)據(jù)分析 電路連好后，進(jìn)行按鍵測試，初始狀態(tài)下按下一個鍵，看其對應(yīng)的十進(jìn)制數(shù)輸出是否正確，若正

19、確則表示這個鍵正常，以此繼續(xù)檢查其余按鍵是否正常工作。從而驗(yàn)證按鍵掃描電路的功能。3.4 制作與調(diào)試中出現(xiàn)的故障、原因及排除方法 存在的故障：譯碼顯示輸出數(shù)值有時會不穩(wěn)定，會產(chǎn)生閃爍的現(xiàn)象。原因：器件接入電路不夠穩(wěn)，比如開關(guān)管腳直接插入電路板中會產(chǎn)生晃動的現(xiàn)象甚至?xí)撾x電路板。排除方法：可以用萬用表測試各個電路連線是連通，發(fā)現(xiàn)問題連線后即可對癥下藥，重新接線使其穩(wěn)定并保持接線連通無誤。在調(diào)試中沒有出現(xiàn)其他問題，我也進(jìn)行了一下總結(jié)，整個電路設(shè)計(jì)是關(guān)鍵，因?yàn)殡娐凡粔蚝喕?，線路放置不夠合理都會對實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生一定影響，但是只要準(zhǔn)備充分，在認(rèn)真思索，對調(diào)試中可能遇到的問題提前做了充分的思考與衡量，實(shí)驗(yàn)的成功

20、率將大大提高。下一次實(shí)驗(yàn)要繼續(xù)保持這樣的先想后做，先考慮后動手的習(xí)慣。本實(shí)驗(yàn)功能簡單，使用芯片較少，連接方便也是實(shí)驗(yàn)容易實(shí)現(xiàn)的原因之一，再次強(qiáng)調(diào)選擇了一個較為簡單的方案是可以節(jié)省時間降低錯誤的關(guān)鍵。收獲與體會此課程設(shè)計(jì)是一次對我們專業(yè)知識的考察，特別是對我們數(shù)字電路技術(shù)知識基礎(chǔ)是否牢固的考驗(yàn)，從最開始的電路設(shè)計(jì)思考、畫出電路圖，到后來電路的仿真和各種方案的比較，到最終選出最佳方案再進(jìn)行器件的購買以及電路的制作與檢測。這種課設(shè)的過程是對體力與腦力的雙重考驗(yàn)，只要你能挺過去，你就是勝利者。當(dāng)然這次課程設(shè)計(jì)的最大收獲在于加深了對數(shù)電知識的掌握，還有對電路的整體把握。還有也需要同老師或者同學(xué)進(jìn)行交流，這樣對自己電路的改進(jìn)有所幫助，也是可以拓寬信息的獲取量。在進(jìn)行現(xiàn)實(shí)中電路板上制作的時候，對我們的耐心與細(xì)心也是一種考驗(yàn)，如果發(fā)現(xiàn)故障應(yīng)學(xué)會及時排查，力求做到電路制作達(dá)到完美。通過兩個星期的課程設(shè)計(jì)實(shí)習(xí),我學(xué)會了怎么將自己所學(xué)的知識整合到實(shí)際運(yùn)用當(dāng)中.本次電路圖的獨(dú)立設(shè)計(jì),加深了我對相關(guān)課程基礎(chǔ)知識的理解與掌握.對數(shù)電,模電所學(xué)知識的實(shí)際運(yùn)用有了進(jìn)一步的了解。我們通過自己查資料來了解一些芯片的功能，增強(qiáng)了自主學(xué)習(xí)的能力。 通過查資料如何去整合，利用已有的資源為自己的設(shè)計(jì)服務(wù)?？傊恳淮蔚膶?shí)踐課實(shí)習(xí)學(xué)習(xí)都是在給我們將來積