键盘LED发光二极管应用.docx
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键盘LED发光二极管应用
评语：
成绩：
签名：
日期：
淮海工学院
课程设计报告书
课程名称：
CAD技术课程设计
题目：
键盘LED发光二极管应用一
系（院）：
电子工程学院
学期：
专业班级：
姓名：
学号：
一、绪论
FPGA／CPLD的设计开发中，VerilogHDL语言作为一种主流的硬件描述语言，具有设计效率高，可靠性好，易读易懂等诸多优点。
随着人们生活水平的不断提高，在许多场合都可以看到彩色的霓虹灯，LED发光二级管由于其丰富的灯光色彩，低廉的造价以及控制简单的优点赢得了广泛的应用，目前用键盘控制发光二级管的应用已非常广泛，本设计为8个独立按键控制8个发光二级管，核心器件用EPM240设计。
本设计包括硬件设计，也包括软件设计，其中涉及VerilogHDL语言，键盘显示电路需要消抖处理，硬件设计亦包括时钟电路的设计，设计控制系统造价比较低廉，功能齐全，具有很强的实用性。
二、设计目的和要求
2.1、设计目的
（1）以EPM240T110C5为核心器件，设计cpld的最小系统；
（2）用8个独立按键和8个led设计程序；按键需要消抖处理；
（3）按键1按下，led1亮或者灭。
2.2、设计要求
（1）写出可综合风格的电路程序和测试程序。
（2）画出电路的原理图和pcb图；
（3）对设计电路进行运行仿真。
三、工作原理描述
2.1、键盘模型及接口
2.1.1、键盘模型
键盘的基本电路是一个接触开关，通、断两种状态分别表示“0”和“1”，如图2-1所示的简单电路，微处理器可以容易地检测到开关的闭合。
当开关打开时，提供逻辑“1”；当开关闭合时提供逻辑“0”。
如图1所示。
图1键盘模型示意图
2.1.2、键盘类型
键盘借口按照不同的标准有不同的方法。
按键盘排布的方式可分成独立方式和矩阵方式；按读入键值的方式可分为直接方式和扫描方式；按是否进行硬件编码可分成非硬件编码方式和硬件编码方式。
将以上各种方式组合成可构成不同的键盘接口方式。
（1）独立方式：
独立方式是指将每个独立按键一对一的方式直接接到I/O输入线上，如图2所示。
读键时直接读I/O口，每一个键的状态通过读入键值来反映，所以也称这种方式为一维直读方式（独立方式）。
这种方式的优点：
电路配置灵活，软件结构简单。
缺点：
每个按键需占用一根I/O口线，在按键数量较多时，I/O口浪费大，电路结构显得复杂。
因此，此键盘是用于按键较少或操作速度较高的场合。
（2）矩阵方式：
矩阵方式是采用n条I/O线组成行输入口，m条I/O线组成列输入口，在行列的每一个交点上设置一个按键，如图3所示，读键值方法一般采用扫描方式，即输入出口按位轮换输出低电平，再从输入口读入键信息，最后获得键码。
这种方式占用I/O线较少，在实际应用系统中采用较多。
（3）本设计中键盘按键多于4个，可选用矩阵式键盘。
图2独立键盘图3矩阵键盘
2.2、键盘识别及抖动的消除
2.2.1、键盘识别
未编码键盘靠软件实现，识别是否有按键按下，采用查询法，识别被按下的按键，采用扫描法。
2.2.2、消除抖动
当按下一个按键时，会出现所按的键在闭合位置和断开位置之间跳几下才稳定的问题，当释放一个按键时也会出现类似的情况，即抖动问题。
抖动持续的时间因操作者而异，一般为5-10ms之间，稳定闭合时间一般为十分之几秒至几秒，由操作者的按键动作所确定。
软件消抖：
如果按键较多，硬件消抖将无法胜任，常采用软件消抖。
通常采用软件延时的方法：
在第一次检测到有键按下时，执行一段延时10ms的子程序后，再确认电平是否仍保持闭合状态电平，如果保持闭合状态电平，则确认真正有键按下，进行相应处理工作，消除了抖动的影响。
2.3、主要芯片
2.3.1、555芯片
555芯片管脚图如图4所示，其各引脚功能为：
1脚：
GND（或VCC）源负端VSS或接地，一般情况下接地。
2脚：
TR低触发端。
3脚：
OUT（或Vo）输出端。
4脚：
R是直接清零端。
当R端接低电平，则时基电路不工作，此时不论TR、TH处于何电平，时基电路输出为“0”，该端不用时应接高电平。
图4555芯片管脚图
5脚：
CO（或VC）为控制电压端。
若此端外接电压，则可改变内部两个比较器的基准电压，当该端不用时，应将该端串入一只0.01μF电容接地，以防引入干扰。
6脚：
TH高触发端。
7脚：
D放电端。
该端与放电管集电极相连，用做定时器时电容的放电。
电阻分压器由三个5kΩ的等值电阻串联而成。
电阻分压器为比较器C1、C2提供参考电压，比较器C1的参考电压为2/3Vcc，加在同相输入端，比较器C2的参考电压为1/3Vcc，加在反相输入端。
比较器由两个结构相同的集成运放C1、C2组成。
高电平触发信号加在C1的反相输入端，与同相输入端的参考电压比较后，其结果作为基本RS触发器R端的输入信号；低电平触发信号加在C2的同相输入端，与反相输入端的参考电压比较后，其结果作为基本RS触发器S端的输入信号。
基本RS触发器的输出状态受比较器C1、C2的输出端控制。
8脚：
VCC（或VDD）外接电源VCC，双极型时基电路VCC的范围是4.5～16V，CMOS型时基电路VCC的范围为3～18V。
一般用5V。
2.3.1、EPM240T110C芯片
EPM240T110C芯片都采用逻辑单元为单位衡量内部的资源。
芯片可用五部分电路表示如下图5所示。
图5EPM240T110C芯片
三、电路设计
3.1、按键电路设计
设计实现对8个按键S1-S8进行监控，且一旦有键按下，对应的发光二级管L1-L8被点亮。
所设计按键及8个LED发光二级管硬件原理图如图6所示，CCIT/FPGA试验仪中，标号S1-S8分别与芯片61-63、66-67引脚相连，L1-L8分别与芯片29-32、37-40相连，一旦S1-S8中有键盘输入，则该引脚由高电平跳变到低电平，这时相应的L1-L8输出低电平。
图6发光二级管硬件原理图
3.2、发光二级管电路设计
方案一：
发光二级管电路由8个发光二极管组成。
8个发光二极管采用共阳极连接方式，阳极接+5V的电压，二极管工作电压在1.5V左右，工作电流在20mA左右，阳极与二极管之间接20Ω左右的限流电阻，以防止二极管过亮而导致损坏。
当发光二极管的阴极为低电压时，在阳极+5V电压的驱动下发光二极管发光，当发光二极管阴极为高电压时，+5V电压不能驱动发光二极管，此时发光二极管处于截止状态，不能正常发光工作。
电路如图7所示。
方案二：
发光二级管电路同样由8个发光二极管组成。
但8个发光二极管采用共阴极连接方式，阴极接地，二极管工作电压在1.5V左右，工作电流在20mA左右，阴极与二极管之间接20Ω左右的限流电阻以防止二极管过亮而导致损坏。
当发光二极管的阳极为高电压时，在阳极电压的驱动下发光二极管发光，当发光二极管阳极为低电压时，阳极的电压不能驱动发光二极管，此时发光二极管处于截止状态，不能正常发光工作。
电路如图8所示。
图8共阴极发光二极管电路
图7共阳极发光二级管电路
3.2、电源电路的设计
图9电源电路
电源电路如下图9所示，EMP240开发板既可以使用独立的5V/1A开关电源供电，也可以USB线直接供电，增加电源控制开关，该设计电路采用USB电源供电。
3.3、时钟及复位电路的设计
3.3.1、时钟电路
时钟电路由两种实现方案：
方案一：
石英晶体振荡器
此电路的振荡频率取决于石英晶体的串联谐振频率fs，与电路中的R、C的值无关，所以此电路能够得到频率稳定性极高的脉冲波形。
但它的频率不能调节，而且频带窄，不能用于宽带滤波。
适合于秒脉冲发生器的设计。
图10时钟电路
方案二：
555定时器
时钟脉冲产生电路用一片555定时器构成多谐振荡器，设计脉冲周期为1s，其计算公式为：
T=（
+2
）
ln2T=1.0005s，
取
Ω
=0.01μf。
用555定时器设计的脉冲产生电路如图10所示。
3.3.2、复位电路设计
复位电路设计如图11所示。
图11复位电路
3.4、程序设计
3.4.1用连续赋值语句实现
文件名为：
keyled1.v
modulekeyled1（keyin,ledout）;
output[7:
0]ledout;
input[7:
0]keyin;
assignledout=keyin;
endmodule
3.4.2用过程赋值语句实现
文件名为：
keyled2.v
modulekeyled2（keyinledout）;
output[7:
0]ledout;
inout[7:
0]keyin;
reg[7:
0]ledout_regt;
always
begin
ledout_reg=keyin;
end
assignledout=ledout_reg;
endmodule
3.4.3、键盘测试程序
’include"keyled.v"
'timescale1ns/100ps
'defineclk-cycle50
modulet;
reg[7:
0]keyins;
regclock,resets;
wireledouts;
always#'clk-cycleclock=~clock;
initial
begin
clock=0;
resets=0;
keyins=0;
#10resets=1;
#110resets=0;
#100000$stop;end
keyledt（.clk（clock）,.reset（resets）,.keyin（keyins）,.ledout（ledouts））;
endmodule
四、参数计算与器件选择
4.1、参数计算
4.1.1电容：
本次课设计中涉及到的电容值为555定时器中所用，为直接给定值，
作用为提高555定时器中两个比较器的稳定性，取值
=0.01μF，
=10uF。
4.1.2电阻：
（1）脉冲产生电路部分的电阻：
由于f为1Hz左右适合观察即可，根据公式：
f=1/
（R1+2R2）ln2，所以选取
=
0kΩ，
=0.01μF。
（2）发光二极管上拉电阻：
因为阳极接+5V的电压，二极管工作电压在1.5V左右，工作电流在20mA左右，则：
R=
×
=17.5Ω
所以电阻取值为20Ω左右。
4.2、器件选择
主要元器件
1、555芯片1片；
2、开关若干；
4、发光二极管7个；
6、面包板若干块，电阻、电容、导线等；
7、电源、导线若干。
五、总体电路设计
整理以上各个局部电路，得总电路如图12所示。
图12总电路图
六、个人小结
本学期我们学习了《Verilog数字系统设计》这门课程，这门课程与以前学过的C语言程序设计有着很多的相似之处，因此也学的也更容易上手一些。
时至今日，“数字化”浪潮几乎席卷了电子技术应用的一切领域。
电子产品的更新周期日益缩短，新产品的开发速度也日益加快，因此对数字电子技术的开发要求也更为苛刻。
数字集成电路方面，电路的集成度遵循着摩尔定律，也即每18个月其集成电子元器件的数目会翻一番。
这就对电子自动化设计提出了更高的要求。
这次我拿到的题目是键盘LED发光二级管的应用，起初开始时感觉这个题目并不是太难，因为它所涉及到的元器件以及它们的原理都是我们课上重点讲过的，对于它们的原理也都耳熟能详。
但是真正做起来感觉也不是想象中的那么简单，键盘LED发光二级管的应用在日常生活中非常常见，它的设计电路涉及到几个方面，主要是通过司机对键盘电路开关的控制，将高低电平信号分别送至电路的核心器件，进而由核心芯片识别出电信号，发光二级管电路采用发光二极管共阳极的接法做成，整个设计中感觉最麻烦的是芯片连线，以及程序的设计，将各个模块完成以后整合完成就得到了总体的设计电路。
整个设计中遇到的最大问题就是对于电路各个部分电路状态与整体电路状态的控制关系的整理，通过不断的研究和查找资料，这一部分得以顺利完成。
所以通过这次课程设计，我明白了不懂得就要锲而不舍的搞明白的道理，当然也从中得到的较大的收获，尝到了其中的成功的喜悦。
大学期间已经做了好几次课程设计，第一次是上个学期的模拟电子技术的设计，记得当时还没有学相关的绘图软件，当时的设计就显得非常困难，最后不得不花了好几天的时间将绘图仿真工具Multisim初步学会，可以正常满足当时的课程设计所需要的操作要求，这学期我们学习了仿真软件QutursⅡ，做课程设计的时候编程就比以往容易了。
可见学的东西越多也就意味着在以后的道路上有越少的拦路虎。
通过课程设计的锻炼我懂得了做事时不要粗心、急躁，而是要耐心地一步一步地走，更加要细心，搞懂每一步的原理，只要这些搞明白了也就会觉得其实一个课题不是太难了，而且做好后也会有较大的成就感。
总之，通过这次的课程设计我学到了更多的设计方法以及学习方法，也锻炼了自己独立思考问题与设计课题方案的能力，这样的锻炼对于自己来说很重要的，当然我也会在以后的学习中更加注重这方面的学习与锻炼，以更好的提高自己的能力。
七、参考文献
⒈《VerilogHDL与CPLD/FPGA项目开发教程》，聂章龙、张静，机械工业出
版社，2010；
⒉《FPGA/CPLD应用设计200例（上册）》，张洪润、张亚凡，北京空航天大学出版社，2009；
3.《VerilogHDL数字设计与综合》，夏宇闻、胡燕祥，电子工业出版社，2002；
4.《数字系统逻辑设计》，欧阳星明，电子工业出版社，2004
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