按键状态扫描显示电路的设计与制作Word文档格式.docx
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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”，要求有10个按键输入，分别用0～9十个数符标识。
在电路工作过程中，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，并且如果多个按键同时作用，只响应最先作用的按键。
2方案比较及认证
2.1单元电路方案比较
2.1.1按键标识方案
该电路用无锁的按键开关代替按键,用开关的通断控制信号的输入,开关按下时接通,输入0,开关断开输入1,编码电路有两种方案：
方案一：
可以采用8线-3线优先编码器74LS148芯片,10输入可以用两片74LS148级联实现,输入低有效,因此开关闭合时表示输入信号。
方案二：
可以采用10线-4线优先编码器74LS147芯片，将9条数据线（1－9）进行4线BCD编码。
当1－9均为高电平时，编码输出（ABCD）为十进制零。
故不需单设IN0输入端。
比较两个方案，方案二的实现更简单，只需用到一片编码器芯片即可完成所需的功能。
2.1.2按键优先方案
该电路设计的难点在于如何实现当多个按键同时作用，只响应最先作用的按键。
我想到可以用触发器来实现，使当多个按键同时作用，仅第一个按键按下时触发器工作，其余按键按下时触发器输出不变。
触发器的输出端连接译码显示电路。
实现对触发器的控制有两种方案：
通过74LS148的标志位输出端的输出控制触发器的触发信号，触发器采用74LS175，由74LS148的功能表可知，它有标志位输出端GS，当74LS148无输入时GS输出1，有输入时输出0。
将两片74LS148的GS端通过二输入与非门接到74LS175的CP输入端。
当74LS148无输入时，GS输出1，与非门输出输出端为0，CP输入端为0，触发器不工作。
当有输入时，有输入的芯片GS端输出1→0，与非门输出0→1，CP输入端0→1，触发器工作。
如果有多个输入，不影响GS端的输出，即CP输入端不变，译码显示不变，从而实现了多个按键同时作用，只响应最先作用的按键的功能。
通过输入信号控制触发器的触发信号，触发器采用74LS175,上升沿触发，输入信号经过与非门连接至74LS175的CP输入端，当输入信号全为1时，与非门输出0，CP输入端为0；
当有一个开关闭合，输入为0时，与非门输出0→1，CP输入端为0→1，触发器工作。
如果再闭合多个开关，与非门输出仍为1，CP输入也不变，触发器输出不变，后面连接的译码显示输出也不变，因此满足该电路的设计要求。
比较两个方案，方案一的实现更简单，只需将将两片74LS148的GS端通过二输入与非门接到74LS175的CP输入端即可，用到的芯片更少，电路更简单。
2.2整体电路方案比较
2.2.1方案一
图1按键状态扫描显示电路原理图（方案一）
图1所示的电路中用到的元器件有：
两块74LS148编码器芯片、74LS175触发器芯片、74LS08二输入四与门、74LS37二输入四与非门、74LS48译码器芯片、7段数码管、排阻、10个开关、导线若干。
图1所示的电路原理说明：
左侧十个按键从上到下分别标示9～0，按键公共端接低电平。
编码部分使用了两块8线-3线编码器74LS148芯片、三个与门74LS08及一个与非门74LS37构成16线-4线编码器。
由此产生的编码输入到4D触发器74LS175中。
通过74LS148的标志位输出端GS的输出控制触发器的触发信号，当74LS148无输入时GS输出1，有输入时输出0。
将两片74LS148的GS端通过二输入与非门接到74LS175的CLK输入端。
如果有多个输入，不影响GS端的输出，即CP输入端不变，译码显示（译码显示部分由74LS48和共阴极七段数码管构成，图中合二为一）不变，从而实现了多个按键同时作用，只响应最先作用的按键的功能。
2.2.2方案二
图2按键状态扫描显示电路原理图（方案二）
图2所示电路中用到的元器件有：
74LS147编码器芯片、74LS175触发器芯片、74LS21四输入二与门、74LS00二输入四与非门、74LS48译码器芯片、7段数码管、排阻、10个开关、导线若干。
图2所示电路原理说明：
电路图左侧为按键控制部分，十个按键从左到右分别标示0～9，按键公共端接低电平。
0号按键上端接74LS00芯片输入端，1～9号按键上端依次接到74LS147的9个输入端。
编码部分使用了10线-4线编码器74LS147芯片，由此产生的编码输入到4D触发器74LS175中。
可知，在没有按键按下的时候，编码器的9个输入端口均为高电平，由74LS147功能表可知此时其4个输出端口也均为高电平，故与门74LS21的输出为高电平，即与非门74LS00的其中一个输入管脚为高电平。
同时与0号按键上端相连的另一个输入管脚也为低电平，故74LS00的输出为低电平，即74LS175芯片的时钟控制端为低电平，触发器输出保持。
当有按键按下时，74LS00的两个输入端必有一个为低电平，输出为高电平，使得触发器时钟控制端由0跳变到1，由D触发器特性方程可知反向输出等于输入求反。
当按下的键为1～9号按键时,输入信号经过74LS147编码反向输出，74LS175的反向输出，输入到显示译码器74LS48的为相应按键序号的8421BCD码，由显示译码器、7段数码管的配合（译码显示部分由74LS48和共阴极七段数码管构成,图中合二为一）,可达到显示按键相应数字的功能。
当按下的键为0号按键时,即其他按键均未被按下，故74LS147的输入全高，输出全高，4D触发器输出全高，经过显示译码器、7段数码管最终显示数字为零。
达到了在电路工作过程中，当有键按下时，显示其标识符的要求。
当之后又有按键按下时，4D触发器由于没有CLK端上跳沿的触发条件，故输出一直保持，数码管显示数字不变。
达到了保持显示符直到新的按键作用，并且如果多个按键同时作用，只响应最先作用的按键的要求。
2.2.3方案比较
两个方案均能实现任务要求，相比较而言方案二的电路使用的芯片数量较少，较充分地利用了芯片的功能，所用芯片易于购买，接线清晰，电路简洁，连接实物时完全会降低出错的概率，而且降低了实验的费用。
方案一实现的功能与方案二完全相同，接线较方案二复杂，信号损失变大，有可能导致反应滞后，实物结果可能没有仿真电路那么明显，故选用方案二为最终方案。
3电路原理说明
3.1系统框图
图3按键状态扫描显示电路系统框图
由图3所示电路原理框图说明：
此框图由五个单元电路组成，信号由开关电路输入，在译码显示电路输出显示按键信号。
3.2单元电路原理的说明
开关电路：
图4开关电路模块原理图
图4所示电路由+5V电源、十个1kΩ电阻、十个无锁的按键开关构成，其作用为：
提供输入信号。
每个开关相互独立。
电路中开关闭合输入0，断开则输入1。
这十个开关分别对应0～9这十个模拟的按键。
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。
中间的RPACK是十个180欧的电阻，起到了一个保护电路的作用。
编码电路：
图5编码电路模块原理图
图5所示电路由74LS147芯片构成，作用：
接受输入信号进行编码为四位二进制数。
触发电路：
图6触发电路模块原理图
图6所示电路由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：
图7组合门电路模块原理图
图7所示电路由74LS21和74LS00构成，作用：
构成五输入与非门，为触发电路提供触发信号。
译码显示电路：
图8译码显示电路模块原理图
图8所示电路由74LS48芯片和七段数码管构成，作用：
将输出信号译码显示为0到9的十进制的数字信号。
3.3整体电路图与原理说明
图9按键状态扫描显示电路整体原理图
图9所示电路原理说明：
4器件选择及功能说明
4.1元器件清单
表1元器件清单表
序号
元器件名称
数量
1
74LS147
2
74LS21
3
74LS00
4
74LS175
5
74LS48
6
七段共阴数码管
7
10脚排阻180Ω
8
单刀单掷开关
10
9
导线
若干
5V稳压源
4.2硬件原理及主要芯片功能说明
4.2.1编码器
用文字、符号或数码表示特定对象的过程称为编码。
在数字电路中用二进制代码表示有关信号称为二进制编码。
实现编码操作的电路就是编码器。
本次课程设计使用的编码器芯片为74LS147，其引脚图及功能表如下：
图1074LS147芯片引脚图
表274LS147芯片功能表
4.2.2触发器
触发器（FlipFlop）是一种可以存储电路状态的电子元件。
最简单的是由两个与非门，两个输入端和两个输出端组成的RS触发器。
复杂一些的有带时钟（CLK）段和D（Data）端，在CLK端为高电平时跟随D端状态，而在CLK端变为低电平的瞬间锁存信号的D触发器。
更常用的是两个简单D触发器级联而成的在时钟下跳沿锁存信号的边缘D触发器。
本次课程设计使用的触发器芯片为74LS175，其引脚图及功能表如下：
图1174LS175芯片引脚图及功能表
4.2.3显示译码器
发光二极管点亮只须使其正向导通即可，根据LED的公共极是阳极还是阴极分为两类译码器，即针对共阳极的低电平有效的译码器；
针对共阴极LED的高电平输出有效的译码器。
由于本次课程设计采用的是共阴数码管，故使用共高电平输出有效的显示译码器74LS48。
其引脚图及功能表如下：
图1274LS48芯片引脚图
表3：
74LS48芯片功能表
74LS48与共阴数码管构成的译码显示模块如下所示：
图13显示译码模块原理图
5硬件电路的仿真及制作
5.1仿真软件
在数字电路的仿真中，一般使用的是PROTUES软件。
Proteus软件是英国Labcenterelectronics公司出版的EDA工具软件。
它不仅具有其它EDA工具软件的仿真功能，还能仿真单片机及外围器件。
它是目前最好的仿真单片机及外围器件的工具。
Proteus是世界上著名的EDA工具（仿真软件），从原理图布图、代码调试到单片机与外围电路协同仿真，一键切换到PCB设计，真正实现了从概念到产品的完整设计。
其功能模块包括：
智能原理图设计（ISIS）；
完善的电路仿真功能（Prospice）；
独特的单片机协同仿真功能（VSM）；
实用的PCB设计平台。
课程设计、毕业设计是学生走向就业的重要实践环节。
由于PROTEUS提供了实验室无法相比的大量的元器件库，提供了修改电路设计的灵活性、提供了实验室在数量、质量上难以相比的虚拟仪器、仪表，因而也提供了培养学生实践精神、创造精神的平台。
5.2仿真过程
运行Proteus的ISIS软件，在其原理图绘制处安放好各元件，按电路原理图连接电路。
电路连接完成后，开始仿真，电路仿真结果正常。
其仿真时效果如下：
图14：
按键扫描显示电路仿真图
5.3仿真结果分析
当仿真电路处于正常工作状态时，分别点下“0~9”十个按键，电路中的显示数码管马上显示按下的按键对应的数字，证明设计要求
（1）完成。
当按键松手后，之前显示的数字仍然保持，直到下一个按键作用才变化为下一个显示，可知达到设计要求
（2）的要求。
若先将某一按键按下并锁住，再按下另一个按键也锁住，此时显示的仍然是第一次按下的按键对应的数字。
先松开第一次按下的按键，再松开第二次按下的按键，显示的数字仍然没变，由此可知，在几个按键同时按下时，此电路只能接收第一次按下的按键，即设计要求（3）的要求也满足。
综上所述，仿真电路成功。
5.4电路的制作及调试记录
电路的制作过程中，为了确保结果正确，在使用各个元件前，应先检查其功能是否正确。
当确定元件功能正常后，将元件整齐均匀的分布在面包板上，这样在排线时更加方便。
在使用导线前，也要检查其通断状况，避免引导线问题导致电路出现问题。
在一切正常的情况下，按电路原理图将导线连接好，接通电源，开始测试电路工作状态。
测试结果并不理想，数码管显示的数字不完整，并且没有按按键的编号顺序显示数字。
经过我们对数码管的检查，电路各节点电位的检查，初步判断为接触不良造成的。
由于面包板老化较为严重，我们决定焊接电路板。
电路板正面布置芯片、电阻、开关、数码管，电路板背面布置电源线和地线。
为了保证电路可调整的余地，我们在各个芯片引脚边上布置了插针，其余走线通过杜邦线与插针相连便可完成布线，接通电源后数码管没有数字显示，经检查为焊点短路造成芯片烧坏引起的，切断电源，排除故障，再进行测试，工作结果与仿真结果相同，可知电路制作成功。
5.5电路工作结果分析
接通5V稳压电源，分别闭合“0~9”十个按键，电路中的显示数码管马上显示按下的按键对应的数字，证明设计要求
（1）完成。
在一个按键按下的条件下，再去闭合其他按键，之前显示的数字仍然保持，直到当前作用的按键断开、下一个按键作用才变化为下一个显示，可知达到设计要求
（2）的要求。
若先将某一按键闭合，再闭合另一个按键，此时显示的仍然是第一次按下的按键对应的数字。
先断开第一次按下的按键，再断开第二次按下的按键，显示的数字仍然没变，由此可知，在几个按键同时按下时，此电路只能接收第一次按下的按键，即设计要求（3）的要求也满足。
综上所述，电路制作成功。
6成果评价及改进方法
本次制作的按键状态扫描显示电路可以实现所要求的功能，使用芯片简单易获得，接线简单，并且电路工作稳定。
但是本次制作的电路主要是运用数字电路的知识制作出的，其电路及原理较为繁琐。
而且，当按键较多时，采用这种方法就需要非常多的芯片，这是不符合实际的，所以在一般情况下，类似的按键状态扫描显示电路可以用单片机编程制作，其方法更为简单，并且易于制作。
除此之外，如果有4*4的矩阵按键开关，可以按以下电路图制作：
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