按键状态扫描显示电路的设计与制作

目录

摘要 (1)

按键状态扫描显示电路的设计与制作 (2)

1设计任务及要求 (2)

2系统原理图及说明 (2)

3所用元器件及单元功能说明 (2)

3.1 编码器 (2)

3.2 或门 (4)

3.3 计数器 (5)

3.4 锁存器 (6)

3.5 反相器（非门） (7)

3.6 译码显示芯片 (7)

3.7 七段数码管 (7)

4方案比较及认证 (8)

4.1 方案一 (8)

4.2 方案二 (9)

4.3 方案比较 (10)

5硬件电路的仿真 (11)

5.1 仿真软件 (11)

5.2 仿真过程 (11)

5.3 仿真结果分析 (12)

6电路的制作及调试 (13)

7成果的评估及改进方法 (13)

8总结 (15)

参考文献 (16)

附录1 元件表 (17)

摘要

本次《电子电工技术》课程设计的任务为设计与制作一按键状态扫描显示电路。数字电路的相关内容为本次设计中的主要应用内容。在设计中，使用了编码器，计数器，锁存器，译码显示及七段数码管等数字电路中的常见芯片元器件，并设计出了两套不同的方案进行比较，最终产生了完全符合本次课程设计任务要求的按键状态扫描电路。

借助仿真软件P roteus，成功验证了设计电路的正确性，并制作出了实际电路。

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

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0~9十个数字标示。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系统原理图及说明

按任务书要求可知，本次课程设计题目“按键状态扫描显示电路”

的核心单元应分为以下几部分：（1）按键信号输入。即十个按键部分；

（2）编码。将输入的信号进行编码，并输入到下一单元电路。（3）信号保持电路。将最先输入的信号保持在其中，可以考虑有锁存或保持功能的元器件。（4）控制电路。根据编码电路的输出状态，控制信号保持电路的工作状态，由此来控制电路的输入及保持状态；（5）译码显示。将保持的信号译码显示为要求的“0~9”十个字符。由上文分析可知，电路原理如图2.1所示：

图2.1 按键显示电路原理框图

3所用元器件及单元功能说明

3.1编码器

编码器（encoder）是将信号（如比特流）或数据进行编制、转换为可用以通讯、传输和存储的信号形式的设备。常用的优先编码器有74LS147（10线4线）CD4532(8线三线)等。本次设计中，74LS147单一芯片即可完成工作要求，而C D4532芯片要用两块级联成16-4线编码器，相比来说CD4532较为不便。但是74LS147输出端口是反向输出，

不便于之后的电路的连接，因此，选择使用CD4532芯片进行实验。74LS147引脚图如图3.1.1所示，功能表如表3.1.1所示：

图3.1.1 74LS147引脚图

表3.1.1 74LS147功能表

表3.1.2CD4532功能表

图3.1.2 CD4532逻辑符号

由于本次课程设计题目要求有10个输入端，一块C D4532芯片不满足输入个数的要求，因此，我们可以使用两块CD4532芯片组成一个16-4编码器来满足要求。其电路图如图3.1.3所示。

图3.1.3由两块CD4532芯片组成的16-4编码器

由此，我们就用两块CD4532芯片制成了一个16-4编码电路。这样，在本次实验中的10个按键输入就可以正常编码了。

3.2 或门

74LS32是四2输入或门，常用在各种数字电路以及单片机系统中。表达式为：Y=A+B。其引脚图如图3.2所示。

图3.2 74LS32引脚图

3.3 计数器

计数是一种最简单基本的运算，计数器就是实现这种运算的逻辑电路，计数器在数字系统中主要是对脉冲的个数进行计数，以实现测量、计数和控制的功能，同时兼有分频功能，计数器是由基本的计数单元和一些控制门所组成，计数单元则由一系列具有存储信息功能的各类触发器构成，这些触发器有RS触发器、T触发器、D触发器及J K触发器等。计数器在数字系统中应用广泛，如在电子计算机的控制器中对指令地址进行计数，以便顺序取出下一条指令，在运算器中作乘法、除法运算时记下加法、减法次数，又如在数字仪器中对脉冲的计数等等。在数字电子技术中应用的最多的时序逻辑电路。计数器不仅能用于对时钟脉冲计数，还可以用于分频、定时、产生节拍脉冲和脉冲序列以及进行数字运算等。如果按照计数器中的触发器是否同时翻转分类，可将计数器分为同步计数器和异步计数器两种。

本次实验中，我们使用的计数器并不需要其计数功能，主要运用的是置数，保持及清零功能。由电路要求，我们选择74LS163同步置数计数器，表3.3为其功能表，图3.3为其引脚图。

表3.3 74LS163功能表

图3.3 74LS163引脚图

3.4 锁存器

锁存器(Latch)是一种对脉冲电平敏感的存储单元电路，它们可以在特定输入脉冲电平作用下改变状态。锁存，就是把信号暂存以维持某种

电平状态。只有在有锁存信号时输入的状态被保存到输出，直到下一

个锁存信号。通常只有0和1两个值。典型的逻辑电路是D触发器。由若干个钟控D触发器构成的一次能存储多位二进制代码的时序逻辑电路，叫锁存器件。本次课程设计电路中需要同时锁存4个输入数据，由此，我们选择锁存器74LS573。74LS573功能表及引脚图如下：

图3.4 74LS573引脚图

表3.4 74LS573功能表

此锁存器一般可以作为数码管的驱动电路,对于数据有锁存功能,当锁存端11脚LE为低电平是,上一次输入的数据在输出端仍然保持,无论输入端输入什么数据都不变,当为高电平是相当于导线输入是什么,输出就是什么。

3.5 反相器（非门）

反相器是可以将输入信号的相位反转180度，这种电路应用在摸拟电路，比如说音频放大，时钟振荡器等。在电子线路设计中,经常要用到反相器。

74LS05为集电极开路输出的六组反相器。其引脚图如下：

图3.5 74LS05引脚图

3.6 译码显示芯片

由于该电路最后的输出需要由7段数码管显示，故需要一个译码显示芯片来帮助实现电路最后的输出端。译码显示芯片，实际上就是一个译码器，通常情况下，驱动7段数码管的译码显示芯片，应选用74LS48。74LS48引脚图如下：

图3.6 74LS48引脚图

3.7 七段数码管

其引脚图如图3.7所示。

图3.7七段数码管引脚图

4方案比较及认证

在设计过程中，输入，编码及最后的译码显示部分，基本上都是固定的形式，在最主要的保持编码及控制部分，有几种方案。

4.1 方案一

图4.1方案一电路原理图

该电路中用到得芯片：两块C D4532编码器芯片，74LS163计数器芯片，74LS05非门，74LS32或门。

左侧十个按键从上到下分别标示9~0，按键左侧接高电平。编码部分使用了两块4532芯片即8-3编码器及三个或门74LS32构成的16-4

编码器。由此产生的编码输入到计数器74LS163中。可知，在没有按键按下的时候，编码器的4个输出端口都为低电平，当有任一按键按下时（按键0不包括，因其并不是通过编码器实现），4个端口必有一个为高电平，则将4个输出口一起接一或非门输入到置数端，由74LS163功能表可知，EN P及ENT端都接低电平，当L D端为低电平时，计数器置数，当L D端为高电平时，计数器保持。可知，“1~9”的按键输入端已可以成功完成功能。而“0”字符的输入端，是借助计数器74LS163的清零端完成的。“0”按键左侧接低电平，右侧端直接接到74LS163的清零端，并且借助上拉电阻同时并接一高电平，保证该按键在未按下时，计数器清零端为高电平，按下时为低电平。该电路中需要时钟信号，若无时钟信号发生器，还需要设计一多谐振荡器产生时钟信号。

由此可知，此电路已经可以很好的完成设计任务要求中的前两个要求了。对于第三个要求，要使多个按键同时作用，只响应最先作用的按键。当几个按键同时作用时，由于计数器是时序逻辑电路，其置数端为同步置数，并且编码器为优先编码器，该电路不一定能满足第三个条件。

4.2 方案二

其电路如图4.2所示。

图4.2方案二电路原理图

该电路所需芯片为：两块8-3编码器芯片C D4532，两块74LS573D

锁存器芯片，74LS48译码显示芯片，74LS05反相器，74LS32或门前半部分的输入及编码部分与方案一基本相同，主要的改动是将方案一中的计数器74LS163换成了两个级联的锁存器74LS573。由74LS573的功能表可知，OE端接低电平，当LE端接高电平时，锁存器处于输入状态即D处输入与对应的Q输出保持一致；而当LE端接低电平时，锁存器处于保持状态，即维持其输出。可知，如果只用满足设计任务中的(1)(2)要求的话，只需一个74LS573芯片即可达成效果，但为了满足条件（3），必须使用两块芯片级联。

当1~9中有按键按下时，编码器的4个输出端口必有至少1个为高电平，则通过3个2输入的或门链接，组成控制单元，输入LE端，即可控制74LS573的工作状态。在按键按下时，编码器的输出信号立刻进入第一个锁存器74LS573中，而由于控制电路中有部分延迟，在信号输入前，第一个锁存器的LE端还没来得及变为低电平，于是最先按下的按键的信号输入了锁存器中，而稍后第一个锁存器L E端变为高电平，阻止了其他信号的输入，第二个锁存器此时LE端处于高电平，即可接受从第一个锁存器传递过来的信号，并将其显示。由此可知，就算有许多按键同时按下，锁存器也只能得到第一个按下的按键的信号。

当按键全部松开后，第一个锁存器的LE端又变为高电平，即接收输入状态，而第二个锁存器的LE端变为低电平，即保持输出的状态，可以保证此次的输入信号一直显示，直到有第二个信号的输入。

0按键虽然独立于其他的按键单独存在，但其工作原理其实还是相同。由于当没有输入的时候，编码器的4个输出即全部为低电平，0按键的只需要改变两个74LS573芯片的工作状态即可完成工作，则0按键直接接在控制电路上，当0按键按下时，两芯片工作状态跟着改变，由此达到电路的设计要求。

4.3 方案比较

由两个方案的分别叙述可知，方案一可以成功完成设计任务中的前两个要求，但在第三个要求上并不能很好的实现，方案二虽然电路较为复杂，但理论上可以很好的完成设计任务的所有要求，因此，我们采取方案二的电路。

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P ROTUES软件。Proteus软件是英国Labcenter electro nics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。P roteus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PC B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（Prosp ice）；独特的单片机协同仿真功能（VSM）；实用的PC B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P ROTEUS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，发现电路无法显示结果，所用的74LS05反相器由于编码器L3端输出的是高阻态，导致无法正常执行反向工作。于是，在反相器的输出端加试着加了个上拉电阻，使该处成为高电平，在有开关按下时，由于反相器输入端为正，输出端为负，电压都加在了上拉电阻上，电路仿真结果正常。其仿真时效果如下图所示：当按下按键4后如图5.2.1所示。

图5.2.1

当按下按键8后如图5.2.2所示。

图5.2.2

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

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电路板上，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。经过测试，可知电路工作结果与仿真结果相同，可知电路制作成功。

6成果的评估及改进方法

本次制作的按键状态扫描显示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。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，可以按以下电路框图制作：

图7.1

7总结

在本次《电工电子技术》课程设计任务的过程中，我收获了很多。

最开始得知自己的题目时，第一眼看上去觉得很简单，只是一个编码电路加一个锁存电路而已。但是，开始深入研究制作时，才慢慢发现要完全满足该设计任务的要求并不是很简单就能达成的。前两天一直苦思冥想，也没得到什么好结果。后来在和同组同学一起讨论的过程中，我们终于发现了一种方案，就是本文中的方案一。虽然这种应用计数器的置数端功能的电路并不能完全达成实验设计的要求，但是它的发现对我们后面的制作有了很大的启发。由于计数器的置数端功能其实就是数据的锁存，我们开始直接用锁存器制作电路。虽然有了思路，但距离真正做出来还是有很大的距离，开始我们一直没考虑到可以使用两个锁存器去达到数据输入和数据锁定的效果。最后还是在巧合之下，做出了我们的第二套方案，也就是本文中的方案二。最终也是用这个方案，完成了实物电路的设计。

在《电工电子技术》课程设计的这两个星期中，我自己觉得比平常上课的时候还要充实许多。在自主设计的过程中，我们只有一个设计任务提示，其他的各种细节都要自己上网看书查找资料。我们开始对各种芯片几乎一无所知，慢慢的几天之后，只要听到芯片型号就能知道其芯片类型。虽然很热也很辛苦，但是，最后在电路图仿真成功时的喜悦是货真价实的。

通过这次课程设计，我对于数字电路理论的理解加深了许多，对数电的认识也不仅仅局限于书本之中，更是有了切实的感受，这对我今后的学习生活，起到了很大的启发和引导作用。

以上，就是我本次《电子电工技术》课程设计的总结。

参考文献

[1]康光华《电子技术基础（数字部分）》高等教育出版社，2006

[2]伍时和《数字电子技术基础》清华大学出版社，2009

[3]徐淑华、率肈《电子电工技术》电子工业出版社，2008

[4]刘培植《数字电路与逻辑设计》北京邮电大学出版社，2009

[5]张文涛《P ROTEUS仿真软件应用》华中科技大学出版社，2010

附录1 元件表