按键状态扫描显示电路的设计与制作.docx
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按键状态扫描显示电路的设计与制作
摘要
本次《电子电工技术》课程设计的任务为设计与制作按键状态扫描显示电路。
数字电路的相关知识为本次设计中的主要应用内容。
在设计中，使用了编码器、锁存器、译码显示及七段数码管、逻辑门等数字电路中的常见元器件，并设计出了两套方案，借助仿真软件multisim，成功验证了设计电路的正确性。
通过比较，选择较优的方案搭建实际电路，实际运行结果符合本次课程设计任务要求。
最后，本文对此次课程设计中的收获和体会进行了总结。
关键词：
按键扫描仿真制作
绪论
按键状态扫描电路，广泛应用于生活中的各个角落，比如说计算器，按键显示灯，就连电脑当中对按键的记录也是由这种技术发展而来的。
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。
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。
按键状态扫描显示电路的设计与制作
1设计任务及要求
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”，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：
方案一：
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。
方案二：
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。
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（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：
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。
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
1
2
74LS21
1
3
74LS00
1
4
74LS175
1
5
74LS48
1
6
七段共阴数码管
1
7
10脚排阻180Ω
1
8
单刀单掷开关
10
9
导线
若干
10
5V稳压源
1
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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