按键状态扫描显示电路的设计与制作.docx

题 目
按键状态扫描显示电路的设计与制作

题 目: 按键状态扫描显示电路的设计与制作
初始条件：
（1） 以0～9十个数符标识十个按键
（2） 当有键按下时，显示其标识符，并保持显示符直到新的按键作用
（3） 如果多个按键同时作用，只响应最先作用的按键
要求完成的主要任务: （包括课程设计工作量及其技术要求，以及说明书撰写等具体要求）
（1） 设计任务及要求
（2） 方案比较及认证
（3） 系统框图，原理说明
（4） 硬件原理，完整电路图，采用器件的功能说明
（5） 调试记录及结果分析
（6） 改进方法

（7） 总结（收获及体会）
（8） 参考资料
（9） 附录：器件表，芯片资料
时间安排：
6月25日~6月28日：明确课题，收集资料，方案确定
7月28日~7月2日：整体设计，硬件电路调试
7月2日~7月6日；报告撰写，交设计报告，答辩

指导教师签名： 2012年 7月 日

目录

摘要………………………………………………………………………………………….1
1 设计内容及方案选择 2
1.1设计内容及其设计要求. ………………………………..........................2
1.2 方案选择 2
1.2.1 按键的标识及对应的标识符显示方案的选择 2
1.2.2 信号的锁存及按键优先作用方案的选择 2
2 电路的设计及器件的选择 3
2.1 电路的原理 3
2.1.1 电路的原理框图及其说明 3
2.1.2 单元电路的说明 3
2.1.3 完整的电路图…………………………….…………………………......4
2.2开关电路的设计和器件的选择 5
2.2.1开关电路的设计 5
2.2.2各主要芯片的功能说明 5
2.2.3 电路的总体说明………………………………………………………10
2.3方案二完整电路图及其比较选择 ………………………...……………....11
3 硬件电路的设计及其制作与调试…………………………………………………….11
3.1 仿真使用的系统…………………………………………………………….12
3.2 制作与调试的方法和技巧………………………………………………….12
3.3 测试的数据分析……………………………………………………………12
3.4 制作与调试中出现的故障、原因及排除方法……………………………..12
结束语 13
参考文献 14
附录 按键状态扫描显示电路所用元件 15
本科生课程设计成绩评定表 16

摘要

此课程设计是基于键盘按键功能的模拟，需要运用现有所学的数字电子技术的知识，主要实现以下设计的功能1.按键显示：按下一个按钮输出显示对应的数字，十个按钮分别用0～9显示 2.按键保持：按键后的显示一直保持到新的按键作用 3.优先按键：如果多个按键同时作用，只响应最先作用的按键。
本文对该按键状态扫描显示电路的设计方案作了详细的说明与分析，主要根据各芯片的功能，采用合理的布线实现满足设计的要求，本实验主要运用到了各芯片编码、触发、译码显示等功能。电路的设计用到了TTL系列的74芯片，外加一些基本的电阻、开关、电源与导线，电路比较简单但却实现了所需要的功能，通过对其电路的优化设计使其尽量使用较少的器材就足以实现所需的功能，这也符合时代的潮流与趋势，本文的最后给出了参考文献与元件清单，这也是为了电路的理论到实践起到了关键性的作用。
此课程设计与我们这一年学的知识息息相关，只用将知识的底座基础打牢了，就会在电路的设计制作过程中游刃有余。为期两周的课程设计需要我们付出很多才会见到成效。
最后，本文对该电路设计作了总体的评价，归纳好经验教训并作出总结。

关键词：按键 编码 触发 译码显示

按键状态扫描显示电路的设计与制作

1 设计内容及方案选择
1.1 设计内容及其设计要求
本次《电工电子技术》课程设计的任务是“按键状态扫描显示电路”，以数字电子技术为基础而设计电路，主要实现按键显示等功能。具体设计要求如下：
（1） 以0～9十个数符标识十个按键
（2） 当有键按下时，显示其标识符，并保持显示符直到新的按键作用
（3） 如果多个按键同时作用，只响应最先作用的按键

1.2 方案选择
1.2.1 按键的标识及对应的标识符显示方案的选择
开关电路实现按键操作：用十个开关分别表示0～9这十个按键，开关接通代表按下按键，开关断开代表按键抬起。
编码电路与译码显示电路的结合实现按键扫描显示功能：运用TTL系列的编码和译码性质的芯片，分别为芯片74LS147、74LS48，这需要通过合理的电路连线实现。
1.2.2 信号的锁存及按键优先作用方案的选择
触发电路实现按键信号的锁存以及按键优先次序的设计：运用TTL系列的触发器芯片74LS175，当然仅有触发器是不够的，需要开关电路与组合门电路的组合为D触发器提供触发信号，才能使74LS175成功触发工作，这需要通过合理的电路连线实现。

2 电路的设计及器件的选择
2.1 电路的原理
2.1.1 电路的原理框图及其说明
按键扫描显示电路原理框图如图1所示
编码电路
开关电路
触发电路

组合门电路
译码显示电路

提供触发信号

图1 按键扫描显示电路原理框图

原理框图说明：此框图由五个单元电路组成，信号由开关电路输入，触发信号由编码输出和0按键接组合门电路来提供，在译码显示电路输出显示按键信号。
2.1.2 单元电路的说明
开关电路：由+5V电源、十个1kΩ电阻、十个无锁的按键开关构成，作用：提供输入信号，电路中开关闭合输入0（低电平），断开则输入1（高电平），这十个开关分别对应0～9这十个模拟的按键。
编码电路：由74LS147芯片构成，作用：接受输入信号进行编码为四位二进制数。同时作为门电路的输入信号。
触发电路：由74LS175芯片构成，作用：对编码后的信号进行锁存，并接受触发信号，实现优先按键的功能，将处理后的输出信号送入译码显示电路。
组合门电路：由74LS04，74LS20和74LS32构成，用到了74LS20芯片中的四输入与非门和74LS32芯片中的二输入或门。作用：通过门电路与开关电路相连为触发电路提供触发信号，使其对应的标识符并且多个按键同时作用，只响应最先作用的按键。
译码显示电路：由74LS48芯片和共阴极的七段显示管构成，作用：将输出信号译码显示为0到9的十进制的数字信号。
初始电路状态：开关都断开，按键按下则对应显示其数值。

2.1.3 完整的电路图
以下是完整的电路图，如图2所示。

图2 完整电路图

说明：译码显示部分U6由74LS48和共阴极的七段显示管组成，图中合二为一。

2.2开关电路的设计和器件的选择
2.2.1开关电路的设计
提供输入信号，每个开关相互独立，中间的RPACK是十个1000欧的电阻，起到了一个保护电路的作用，如图3所示，电路中开关闭合输入0（低电平），断开则输入1（高电平）。以此开关电路为编码电路提供低有效的输入信号，开关电路与组合门电路相连则是为触发电路提供触发信号。这十个开关分别对应0～9这十个模拟的按键

图3 开关电路
2.2.2 各主要芯片的功能说明
74LS147芯片介绍：74LS147优先编码器有9个输入端和4个输出端。某个输入端为0代表输入某一个十进制数。当9个输入端全为1时，代表输入的是十进制数0。4个输出端反映输入十进制数的BCD码编码输出。如图4为74LS147引脚图，其中第15脚NC为空。

图4 74LS147引脚图

74LS147优先编码器的输入端和输出电平端都型号是低电平有效，某一个输入端低电平信号0时图如图，4个输出管脚端就以低电平输出其对应的8421BCD编码。当9个输入编码器全为1时，4个输出也全为1，代表输入十进制数0的8421BCD编码输出。如图5为74LS147真值表。

图5 74LS147真值表

74LS147在编码电路中将开关电路输入的1～9对应的按钮开断（1或0）信号进行编码，编码器输入输出都是低有效。而剩下的开关按钮（0）则是可以通过组合门电路实现编码。147输出信号给D触发器进行锁存处理再由译码显示电路输出。

74LS175芯片介绍：175由四上升沿D触发器构成，74LS175引脚图如图6所示。当清除端（CR）为低电平时，输出端Q为低电平。在时钟（CP）上升沿作用下，Q与数据端（D）相一致。当CP为高电平或低电平时，D对Q没有影响。引出端符号 CP 时钟输入端是上升沿有效，清除端低电平有效）。图7为175的内部逻辑图。

图6 74LS175引脚图 图7 74LS175芯片内部电路图

74LS175在此电路中接受74LS147编码器的信号输出，等待触发信号CP的到来才会触发产生新的信号。175的输出则为最终输出接到译码输出即可。

74LS04芯片介绍：它由六个非门构成，如图7为其引脚图，图8为其内部构造。
04芯片只要有输入为0，则输出就为1。只要输入为1，则输出就为0。

图7 74LS04引脚图 图8 74LS04内部逻辑图

74LS20芯片介绍：它由两个四输入与非门构成，图9为其引脚图，图十为其内部构造。
20芯片是包含了与非芯片，即四个输入中有0则输出1，只有输入全为1才输出0.

图9 74LS10引脚图 图10 74LS10内部逻辑图
74LS32芯片介绍：它由四个2输入或门构成，图11为其引脚图，图12为其内部构造。
32芯片是包含了最基本的或门芯片，即两个输入中有1则输出1，只有输入中全为0才输出0

图11 74LS32引脚图 图12 74LS32的内部逻辑图

在此电路中只需74LS04，74LS10和74LS32芯片各一个即可。

触发电路工作原理：该组合门电路输入口由开关信号0和147的输出相连，输出端与74LS175的CP触发信号端相连。开关初始都是断开， 输入十个1信号，则一开始输入给门电路后输出0给CP，当1-9的开关按下，进行编码后四个输出端必有0输出，根据与非门有0即出1的规则，组合门电路输出1给CP，四个D触发器则会接收到一个上升沿得以触发，四个输出端则会对应得到输出Qn+1=Qn，相应的会译码显示出开关对应的十进制数输出。同理，0开关按下时，经非门电路直接输入1，同样输出1给CP触发。
在按键按下后，若再按其它键则输出不会改变，原因：此时CP=1，若再闭合一个开关（输入0），经门电路后
CP输出依旧为1，不会产生上升沿就不会触发，则信号输出依旧为上次按键留下的输出信号不变，这就实现了信号锁存的功能。这也可看成按键优先的功能，即俩开关信号先后按下，译码显示输出只显示先按下键的对应十进制数。
只有当第一次按下的按键弹起断开后（输入1），CP由1变0，再按下其它键（输入0），门电路输出给CP，CP由0变1再次产生上升沿得以触发，这时显示输出值才会改变为此时按下的按键数。

译码显示器使用的是共阴极连接，与驱动芯片74LS48相连接，完成对二进制输入的译码显示。
数码显示译码器：将数字、文字、符号的代码译成数字、文字、符号的电路。
七段发光二极管数码管：图14,15为共阴管电路和共阴数码管引出脚功能图。

图14 图15

2.2.3 电路的总体说明
1～9开关输入的按钮信号经由74LS147编码器编码成四位二进制数后送入74LS175触发器，等待触发信号。同时开关电路与组合门电路联接为触发器提供触发的上升沿信号，初始状态是每个开关都断开，当按下1～9任何一个按键时，74LS147的输出端必有0，经门电路后74LS175的CP端得到一个上升沿信号从而触发，由于编码输出是低有效给入触发器的，所以将各D触发器的Q非端接入最终的译码显示才能得到正确的数值显示，所以只要有触发就可以使其译码显示输出。
0开关比较特殊：不接编码器，而直接接非门后接入组合门电路参与触发，初始状态下当0开关按下，二输入或门输入为1，CP得到触发信号，而编码器9个输入端都输入1，根据真值表看出输出1111给触发器，所以Qn =1111 ，而0按键按下触发后使得 = =0000，最后正好在译码显示输出0这个十进制数。所以此电路能满足所有的设计要求。

2.3方案二完整电路图及其比较选择
方案二的完整电路图如图16所示

图16 完整电路图
方案比较及其选择
该方案工作原理与方案一相同，各个单位也相近，所以在这里就不加以赘述，在本方案与上一方案有什么不同点的地方看来，就是多了一些门电路，并且是从开关电路直接接过来，这些门电路的作用与功能是为芯片74LS175提供触发脉冲信号，同样完成设计所需要的任务。

但是十输入与非门需要与十个开关都要连线，使得电路比较复杂，而且还得用六个基本门电路和一个非门构成十输入与非门，即使用门电路较多，不够经济。其实可以考虑根据输出信号的一些性质来思考怎样实现触发，而不必使触发非要与开关的输入有关，这样可以省线省芯片，同时可以使连线过程简单化，不易出现错误 方案一即做到了这一点。
总之，此电路的核心在于怎样产生触发信号，根据这可以改进出许多电路以达到此目标。 条条大路通罗马，这次课程设计的电路图不唯一，许多芯片器件可以更换替代从而会产生不同的电路形式，但万变不离其宗，原理得搞通搞透彻，在对电路有整体把握的情况下再去对其做修改和优化，尽量减少芯片个数使得电路更简洁经济。

3 硬件电路的设计及其制作与调试
3.1 仿真使用的系统
仿真所用软件为Multisim 11.0 Multisim是美国国家仪器（NI）有限公司推出的以Windows为基础的仿真工具，适用于板级的模拟/数字电路板的设计工作。它包含了电路原理图的图形输入、电路硬件描述语言输入方式，具有丰富的仿真分析能力。
3.2 制作与调试的方法和技巧
电路仿真成功后，即在电路板上进行各个器件的安装与连接，对照电路图进行仔细的电路连线，注意不能连错线，不然就会导致实验结果出不来。连线技巧：若两连接孔间距离较近，则可利用些废弃的电阻引脚线当作导线进行连线。
3.3 测试的数据分析
电路连好后，进行按键测试，初始状态下按下一个键，看其对应的十进制数输出是否正确，若正确则表示这个键正常，以此继续检查其余按键是否正常工作。
从而验证按键扫描电路的功能。
3.4 制作与调试中出现的故障、原因及排除方法
存在的故障：译码显示输出数值有时会不稳定，会产生闪烁的现象。原因：器件接入电路不够稳，比如开关管脚直接插入电路板中会产生晃动的现象甚至会脱离电路板。排除方法：可以用万用表测试各个电路连线是连通，发现问题连线后即可对症下药，重新接线使其稳定并保持接线连通无误。
在调试中没有出现其他问题，我也进行了一下总结，整个电路设计是关键，因为电路不够简化，线路放置不够合理都会对实验产生一定影响，但是只要准备充分，在认真思索，对调试中可能遇到的问题提前做了充分的思考与衡量，实验的成功率将大大提高。下一次实验要继续保持这样的先想后做，先考虑后动手的习惯。本实验功能简单，使用芯片较少，连接方便也是实验容易实现的原因之一，再次强调选择了一个较为简单的方案是可以节省时间降低错误的关键。

收获与体会
此课程设计是一次对我们专业知识的考察，特别是对我们数字电路技术知识基础是否牢固的考验，从最开始的电路设计思考、画出电路图，到后来电路的仿真和各种方案的比较，到最终选出最佳方案再进行器件的购买以及电路的制作与检测。这种课设的过程是对体力与脑力的双重考验，只要你能挺过去，你就是胜利者。
当然这次课程设计的最大收获在于加深了对数电知识的掌握，还有对电路的整体把握。还有也需要同老师或者同学进行交流，这样对自己电路的改进有所帮助，也是可以拓宽信息的获取量。
在进行现实中电路板上制作的时候，对我们的耐心与细心也是一种考验，如果发现故障应学会及时排查，力求做到电路制作达到完美。
通过两个星期的课程设计实习,我学会了怎么将自己所学的知识整合到实际运用当中.本次电路图的独立设计,加深了我对相关课程基础知识的理解与掌握.对数电,模电所学知识的实际运用有了进一步的了解。我们通过自己查资料来了解一些芯片的功能，增强了自主学习的能力。 通过查资料如何去整合，利用已有的资源为自己的设计服务。总之每一次的实践课实习学习都是在给我们将来积累经验，锻炼自主学习、独立思考、 综合运用所学知识的能力。我们应该学会如何整理自己所学的知识为现实生活服务，或是让生活更方便。同时开发了我们创新思维能力,以及克服困难的决心。这也将成为我们以后人生道路上的一笔巨大财富。

参考文献
[1]吴友宇 .《数字电子技术基础》. 清华大学出版社. 2009
[2]周新民 .《工程实践与训练教程》. 武汉理工大学出版社. 2009
[3]康华光 .《电子技术基础数电部分》. 华中科技大学出版社. 2006
[4]吴友宇.《模电数电基础实验》. 清华大学出版社. 2009
[5]李建清 .《从零开始学电路仿真Multisim与电路设计Protel技术》. 国防工业出版社. 2006
[6]邱关源 .《电路》. 北京高等教育出版社. 2006
[7]Charles K.Alexander and Matthew N.O.Sadiku .《Fundamentals of Electric Circuits》. 北京：清华大学出版社. 2000

附录: 按键状态扫描显示电路所用元件

名称
规格型号
位号
数量
电阻
1K
R1
10个
电池
1.5V
Vcc
4个
开关
无锁式开关
J1
10个
编码器
74LS147
U4
1个
D触发器
74LS175
U5
1个
七段数码显示管
DCD-HEX
U6
1个
非门
74LS04
U1
1个
四输入与非门
74LS20
U2
1个
二输入或门
74LS32
U3
1个

本科生课程设计成绩评定表
姓 名

性 别

专业、班级

课程设计题目：
课程设计答辩或质疑记录：

成绩评定依据：

设计方案和内容

（30分）
制作与调试

（30分）
说明书内容和
规范程度
（20分）
答 辩

（10分）
考 勤

（10分）
总 分

（100分）

最终评定成绩（以优、良、中、及格、不及格评定）

指导教师签字：

年 月 日