鍵盤LED發(fā)光二極管應(yīng)用

1、評(píng)語：成績(jī)：簽名：日期：淮海工學(xué)院課程設(shè)計(jì)報(bào)告書 課程名稱： CAD技術(shù)課程設(shè)計(jì) 題 目： 鍵盤LED發(fā)光二極管應(yīng)用一系 （院）： 電子工程學(xué)院 學(xué) 期： 專業(yè)班級(jí)： 姓 名： 學(xué) 號(hào)： 一、 緒論FPGACPLD的設(shè)計(jì)開發(fā)中，Verilog HDL語言作為一種主流的硬件描述語言，具有設(shè)計(jì)效率高，可靠性好，易讀易懂等諸多優(yōu)點(diǎn)。隨著人們生活水平的不斷提高，在許多場(chǎng)合都可以看到彩色的霓虹燈，LED發(fā)光二級(jí)管由于其豐富的燈光色彩，低廉的造價(jià)以及控制簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)贏得了廣泛的應(yīng)用，目前用鍵盤控制發(fā)光二級(jí)管的應(yīng)用已非常廣泛，本設(shè)計(jì)為8個(gè)獨(dú)立按鍵控制8個(gè)發(fā)光二級(jí)管，核心器件用EPM240設(shè)計(jì)。本設(shè)計(jì)包括硬件設(shè)

2、計(jì)，也包括軟件設(shè)計(jì)，其中涉及Verilog HDL語言，鍵盤顯示電路需要消抖處理，硬件設(shè)計(jì)亦包括時(shí)鐘電路的設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)造價(jià)比較低廉，功能齊全，具有很強(qiáng)的實(shí)用性。二、 設(shè)計(jì)目的和要求2.1、設(shè)計(jì)目的（1）以EPM240T110C5為核心器件，設(shè)計(jì)cpld的最小系統(tǒng)；（2）用8個(gè)獨(dú)立按鍵和8個(gè)led設(shè)計(jì)程序；按鍵需要消抖處理；（3）按鍵1按下，led1亮或者滅。2.2、設(shè)計(jì)要求（1）寫出可綜合風(fēng)格的電路程序和測(cè)試程序。（2）畫出電路的原理圖和pcb圖；（3）對(duì)設(shè)計(jì)電路進(jìn)行運(yùn)行仿真。三、工作原理描述2. 1、鍵盤模型及接口 、鍵盤模型鍵盤的基本電路是一個(gè)接觸開關(guān)，通、斷兩種狀態(tài)分別表示“0”和

3、“1”，如圖2-1所示的簡(jiǎn)單電路，微處理器可以容易地檢測(cè)到開關(guān)的閉合。當(dāng)開關(guān)打開時(shí)，提供邏輯“1”；當(dāng)開關(guān)閉合時(shí)提供邏輯“0”。如圖1所示。圖 1 鍵盤模型示意圖2.1.2、鍵盤類型鍵盤借口按照不同的標(biāo)準(zhǔn)有不同的方法。按鍵盤排布的方式可分成獨(dú)立方式和矩陣方式；按讀入鍵值的方式可分為直接 方式和掃描方式；按是否進(jìn)行硬件編碼可分成非硬件編碼方式和硬件編碼方式。將以上各種方式組合成可構(gòu)成不同的鍵盤接口方式。(1)獨(dú)立方式：獨(dú)立方式是指將每個(gè)獨(dú)立按鍵一對(duì)一的方式直接接到I/O輸入線上，如圖2所示。讀鍵時(shí)直接讀I/O口，每一個(gè)鍵的狀態(tài)通過讀入鍵值來反映，所以也稱這種方式為一維直讀方式（獨(dú)立方式）。這種方

4、式的優(yōu)點(diǎn)：電路配置靈活，軟件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。缺點(diǎn)：每個(gè)按鍵需占用一根I/O口線，在按鍵數(shù)量較多時(shí)，I/O口浪費(fèi)大，電路結(jié)構(gòu)顯得復(fù)雜。因此，此鍵盤是用于按鍵較少或操作速度較高的場(chǎng)合。(2)矩陣方式：矩陣方式是采用n條I/O線組成行輸入口，m條I/O線組成列輸入口，在行列的每一個(gè)交點(diǎn)上設(shè)置一個(gè)按鍵，如圖3所示，讀鍵值方法一般采用掃描方式，即輸入出口按位輪換輸出低電平，再從輸入口讀入鍵信息，最后獲得鍵碼。這種方式占用I/O線較少，在實(shí)際應(yīng)用系統(tǒng)中采用較多。（3）本設(shè)計(jì)中鍵盤按鍵多于4個(gè)，可選用矩陣式鍵盤。圖2 獨(dú)立鍵盤 圖3 矩陣鍵盤2. 2、鍵盤識(shí)別及抖動(dòng)的消除2.2.1、鍵盤識(shí)別未編碼鍵盤靠軟件實(shí)現(xiàn)，

5、識(shí)別是否有按鍵按下，采用查詢法，識(shí)別被按下的按鍵，采用掃描法。2.2.2、消除抖動(dòng)當(dāng)按下一個(gè)按鍵時(shí)，會(huì)出現(xiàn)所按的鍵在閉合位置和斷開位置之間跳幾下才穩(wěn)定的問題，當(dāng)釋放一個(gè)按鍵時(shí)也會(huì)出現(xiàn)類似的情況，即抖動(dòng)問題。抖動(dòng)持續(xù)的時(shí)間因操作者而異，一般為5-10ms之間，穩(wěn)定閉合時(shí)間一般為十分之幾秒至幾秒，由操作者的按鍵動(dòng)作所確定。軟件消抖：如果按鍵較多，硬件消抖將無法勝任，常采用軟件消抖。通常采用軟件延時(shí)的方法：在第一次檢測(cè)到有鍵按下時(shí)，執(zhí)行一段延時(shí)10ms的子程序后，再確認(rèn)電平是否仍保持閉合狀態(tài)電平，如果保持閉合狀態(tài)電平，則確認(rèn)真正有鍵按下，進(jìn)行相應(yīng)處理工作，消除了抖動(dòng)的影響。2. 3、主要芯片、555

6、芯片555芯片管腳圖如圖4所示，其各引腳功能為： 1腳：GND(或VCC)源負(fù)端VSS或接地，一般情況下接地。 2腳：TR低觸發(fā)端。3腳：OUT（或Vo）輸出端。4腳：R是直接清零端。當(dāng)R端接低電平，則時(shí)基電路不工作，此時(shí)不論TR、TH處于何電平，時(shí)基電路輸出為“0”，該端不用時(shí)應(yīng)接高電平。圖4 555芯片管腳圖5腳：CO(或VC)為控制電壓端。若此端外接電壓，則可改變內(nèi)部?jī)蓚€(gè)比較器的基準(zhǔn)電壓，當(dāng)該端不用時(shí)，應(yīng)將該端串入一只0.01F電容接地，以防引入干擾。6腳：TH高觸發(fā)端。7腳：D放電端。該端與放電管集電極相連，用做定時(shí)器時(shí)電容的放電。電阻分壓器由三個(gè)5k的等值電阻串聯(lián)而成。電阻分壓器為比

7、較器C1、C2提供參考電壓，比較器C1的參考電壓為2/3Vcc，加在同相輸入端，比較器C2的參考電壓為1/3Vcc，加在反相輸入端。比較器由兩個(gè)結(jié)構(gòu)相同的集成運(yùn)放C1、C2組成。高電平觸發(fā)信號(hào)加在C1的反相輸入端，與同相輸入端的參考電壓比較后，其結(jié)果作為基本RS觸發(fā)器R端的輸入信號(hào)；低電平觸發(fā)信號(hào)加在C2的同相輸入端，與反相輸入端的參考電壓比較后，其結(jié)果作為基本RS觸發(fā)器S端的輸入信號(hào)?；綬S觸發(fā)器的輸出狀態(tài)受比較器C1、C2的輸出端控制。 8腳：VCC(或VDD)外接電源VCC，雙極型時(shí)基電路VCC的范圍是4.516V，CMOS型時(shí)基電路VCC的范圍為318V。一般用5V。、EPM240T

8、110C芯片EPM240T110C芯片都采用邏輯單元為單位衡量?jī)?nèi)部的資源。芯片可用五部分電路表示如下圖5所示。圖5 EPM240T110C芯片三、電路設(shè)計(jì) 3.1、按鍵電路設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)對(duì)8個(gè)按鍵S1-S8進(jìn)行監(jiān)控，且一旦有鍵按下，對(duì)應(yīng)的發(fā)光二級(jí)管L1-L8被點(diǎn)亮。所設(shè)計(jì)按鍵及8個(gè)LED發(fā)光二級(jí)管硬件原理圖如圖6所示，CCIT/FPGA試驗(yàn)儀中，標(biāo)號(hào)S1-S8分別與芯片61-63、66-67引腳相連，L1-L8分別與芯片29-32、37-40相連，一旦S1-S8中有鍵盤輸入，則該引腳由高電平跳變到低電平，這時(shí)相應(yīng)的 L1-L8輸出低電平。 圖6 發(fā)光二級(jí)管硬件原理圖 3.2、發(fā)光二級(jí)管電路設(shè)計(jì)

9、方案一：發(fā)光二級(jí)管電路由8個(gè)發(fā)光二極管組成。8個(gè)發(fā)光二極管采用共陽極連接方式，陽極接+5V的電壓，二極管工作電壓在1.5V左右，工作電流在20mA左右，陽極與二極管之間接20左右的限流電阻，以防止二極管過亮而導(dǎo)致?lián)p壞。當(dāng)發(fā)光二極管的陰極為低電壓時(shí)，在陽極+5V電壓的驅(qū)動(dòng)下發(fā)光二極管發(fā)光，當(dāng)發(fā)光二極管陰極為高電壓時(shí)，+5V電壓不能驅(qū)動(dòng)發(fā)光二極管，此時(shí)發(fā)光二極管處于截止?fàn)顟B(tài)，不能正常發(fā)光工作。電路如圖7所示。方案二：發(fā)光二級(jí)管電路同樣由8個(gè)發(fā)光二極管組成。但8個(gè)發(fā)光二極管采用共陰極連接方式，陰極接地，二極管工作電壓在1.5V左右，工作電流在20mA左右，陰極與二極管之間接20左右的限流電阻以防止二

10、極管過亮而導(dǎo)致?lián)p壞。當(dāng)發(fā)光二極管的陽極為高電壓時(shí)，在陽極電壓的驅(qū)動(dòng)下發(fā)光二極管發(fā)光，當(dāng)發(fā)光二極管陽極為低電壓時(shí)，陽極的電壓不能驅(qū)動(dòng)發(fā)光二極管，此時(shí)發(fā)光二極管處于截止?fàn)顟B(tài)，不能正常發(fā)光工作。 電路如圖8所示。圖8 共陰極發(fā)光二極管電路圖7共陽極發(fā)光二級(jí)管電路 3.2、電源電路的設(shè)計(jì)圖9 電源電路電源電路如下圖9所示，EMP240開發(fā)板既可以使用獨(dú)立的5V/1A開關(guān)電源供電，也可以USB線直接供電，增加電源控制開關(guān)，該設(shè)計(jì)電路采用USB電源供電。3.3、時(shí)鐘及復(fù)位電路的設(shè)計(jì) 3.3.1、時(shí)鐘電路時(shí)鐘電路由兩種實(shí)現(xiàn)方案：方案一：石英晶體振蕩器此電路的振蕩頻率取決于石英晶體的串聯(lián)諧振頻率fs，與電路中

11、的R、C的值無關(guān)，所以此電路能夠得到頻率穩(wěn)定性極高的脈沖波形。但它的頻率不能調(diào)節(jié)，而且頻帶窄，不能用于寬帶濾波。適合于秒脈沖發(fā)生器的設(shè)計(jì)。圖10 時(shí)鐘電路方案二： 555定時(shí)器時(shí)鐘脈沖產(chǎn)生電路用一片555定時(shí)器構(gòu)成多諧振蕩器，設(shè)計(jì)脈沖周期為1s，其計(jì)算公式為：T=（+2）ln2 T=1.0005s，取 =0.01f。用555定時(shí)器設(shè)計(jì)的脈沖產(chǎn)生電路如圖10所示。3.3.2、復(fù)位電路設(shè)計(jì)復(fù)位電路設(shè)計(jì)如圖11所示。圖11 復(fù)位電路3.4、程序設(shè)計(jì)3.4.1用連續(xù)賦值語句實(shí)現(xiàn)文件名為：keyled1.vmodule keyled1(keyin,ledout); output7:0ledout; in

12、put7:0keyin; assign ledout=keyin;endmodule3.4.2用過程賦值語句實(shí)現(xiàn)文件名為：keyled2.vmodule keyled2(keyin ledout); output7:0ledout; inout7:0keyin; reg7:0ledout_regt; always begin ledout_reg=keyin; end assign ledout=ledout_reg;endmodule3.4.3、鍵盤測(cè)試程序include"keyled.v"'timescale 1ns/100ps'define clk-c

13、ycle 50module t;reg7:0 keyins;reg clock,resets;wire ledouts;always #'clk-cycle clock=clock;initialbeginclock=0;resets=0;keyins=0;#10 resets=1;#110 resets=0;#100000 $stop;endkeyled t(.clk(clock),.reset(resets),.keyin(keyins),.ledout(ledouts);endmodule四、參數(shù)計(jì)算與器件選擇4.1、參數(shù)計(jì)算電容：本次課設(shè)計(jì)中涉及到的電容值為555定時(shí)器中所用，

14、為直接給定值，作用為提高555定時(shí)器中兩個(gè)比較器的穩(wěn)定性，取值=0.01F，=10uF。4.1.2電阻：（1）脈沖產(chǎn)生電路部分的電阻：由于f為1Hz左右適合觀察即可，根據(jù)公式： f=1/ (R1+2R2)ln2，所以選取=0k，=0.01F。（2）發(fā)光二極管上拉電阻：因?yàn)殛枠O接+5V的電壓，二極管工作電壓在1.5V左右，工作電流在20mA左右，則：R=×=17.5所以電阻取值為20左右。4.2、器件選擇主要元器件1、 555芯片 1片；2、 開關(guān) 若干；4、發(fā)光二極管 7個(gè)；6、面包板若干塊，電阻、電容、導(dǎo)線等；7、電源、導(dǎo)線若干。五、總體電路設(shè)計(jì)整理以上各個(gè)局部電路，得總電路如圖1

15、2所示。圖12 總電路圖六、個(gè)人小結(jié)本學(xué)期我們學(xué)習(xí)了Verilog數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)這門課程，這門課程與以前學(xué)過的C語言程序設(shè)計(jì)有著很多的相似之處，因此也學(xué)的也更容易上手一些。時(shí)至今日，“數(shù)字化”浪潮幾乎席卷了電子技術(shù)應(yīng)用的一切領(lǐng)域。電子產(chǎn)品的更新周期日益縮短，新產(chǎn)品的開發(fā)速度也日益加快，因此對(duì)數(shù)字電子技術(shù)的開發(fā)要求也更為苛刻。數(shù)字集成電路方面，電路的集成度遵循著摩爾定律，也即每18個(gè)月其集成電子元器件的數(shù)目會(huì)翻一番。這就對(duì)電子自動(dòng)化設(shè)計(jì)提出了更高的要求。這次我拿到的題目是鍵盤LED發(fā)光二級(jí)管的應(yīng)用，起初開始時(shí)感覺這個(gè)題目并不是太難，因?yàn)樗婕暗降脑骷约八鼈兊脑矶际俏覀冋n上重點(diǎn)講過的，對(duì)于它

16、們的原理也都耳熟能詳。但是真正做起來感覺也不是想象中的那么簡(jiǎn)單，鍵盤LED發(fā)光二級(jí)管的應(yīng)用在日常生活中非常常見，它的設(shè)計(jì)電路涉及到幾個(gè)方面，主要是通過司機(jī)對(duì)鍵盤電路開關(guān)的控制，將高低電平信號(hào)分別送至電路的核心器件，進(jìn)而由核心芯片識(shí)別出電信號(hào)，發(fā)光二級(jí)管電路采用發(fā)光二極管共陽極的接法做成，整個(gè)設(shè)計(jì)中感覺最麻煩的是芯片連線，以及程序的設(shè)計(jì)，將各個(gè)模塊完成以后整合完成就得到了總體的設(shè)計(jì)電路。整個(gè)設(shè)計(jì)中遇到的最大問題就是對(duì)于電路各個(gè)部分電路狀態(tài)與整體電路狀態(tài)的控制關(guān)系的整理，通過不斷的研究和查找資料，這一部分得以順利完成。所以通過這次課程設(shè)計(jì)，我明白了不懂得就要鍥而不舍的搞明白的道理，當(dāng)然也從中得到的

17、較大的收獲，嘗到了其中的成功的喜悅。大學(xué)期間已經(jīng)做了好幾次課程設(shè)計(jì)，第一次是上個(gè)學(xué)期的模擬電子技術(shù)的設(shè)計(jì)，記得當(dāng)時(shí)還沒有學(xué)相關(guān)的繪圖軟件，當(dāng)時(shí)的設(shè)計(jì)就顯得非常困難，最后不得不花了好幾天的時(shí)間將繪圖仿真工具M(jìn)ultisim初步學(xué)會(huì)，可以正常滿足當(dāng)時(shí)的課程設(shè)計(jì)所需要的操作要求，這學(xué)期我們學(xué)習(xí)了仿真軟件Quturs ，做課程設(shè)計(jì)的時(shí)候編程就比以往容易了?？梢妼W(xué)的東西越多也就意味著在以后的道路上有越少的攔路虎。通過課程設(shè)計(jì)的鍛煉我懂得了做事時(shí)不要粗心、急躁，而是要耐心地一步一步地走，更加要細(xì)心，搞懂每一步的原理，只要這些搞明白了也就會(huì)覺得其實(shí)一個(gè)課題不是太難了，而且做好后也會(huì)有較大的成就感?？傊ㄟ^這次的課程設(shè)