鍵盤LED發(fā)光二極管應(yīng)用

1、評語：成績：簽名：日期：淮海工學(xué)院課程設(shè)計報告書 課程名稱： CAD技術(shù)課程設(shè)計 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： 姓 名： 學(xué) 號： 一、 緒論FPGACPLD的設(shè)計開發(fā)中，Verilog HDL語言作為一種主流的硬件描述語言，具有設(shè)計效率高，可靠性好，易讀易懂等諸多優(yōu)點。隨著人們生活水平的不斷提高，在許多場合都可以看到彩色的霓虹燈，LED發(fā)光二級管由于其豐富的燈光色彩，低廉的造價以及控制簡單的優(yōu)點贏得了廣泛的應(yīng)用，目前用鍵盤控制發(fā)光二級管的應(yīng)用已非常廣泛，本設(shè)計為8個獨立按鍵控制8個發(fā)光二級管，核心器件用EPM240設(shè)計。本設(shè)計包括硬件設(shè)

2、計，也包括軟件設(shè)計，其中涉及Verilog HDL語言，鍵盤顯示電路需要消抖處理，硬件設(shè)計亦包括時鐘電路的設(shè)計，設(shè)計控制系統(tǒng)造價比較低廉，功能齊全，具有很強的實用性。二、 設(shè)計目的和要求2.1、設(shè)計目的（1）以EPM240T110C5為核心器件，設(shè)計cpld的最小系統(tǒng)；（2）用8個獨立按鍵和8個led設(shè)計程序；按鍵需要消抖處理；（3）按鍵1按下，led1亮或者滅。2.2、設(shè)計要求（1）寫出可綜合風(fēng)格的電路程序和測試程序。（2）畫出電路的原理圖和pcb圖；（3）對設(shè)計電路進行運行仿真。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所示的簡單電路，微處理器可以容易地檢測到開關(guān)的閉合。當(dāng)開關(guān)打開時，提供邏輯“1”；當(dāng)開關(guān)閉合時提供邏輯“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)獨立方式：獨立方式是指將每個獨立按鍵一對一的方式直接接到I/O輸入線上，如圖2所示。讀鍵時直接讀I/O口，每一個鍵的狀態(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（獨立方式）。這種方

4、式的優(yōu)點：電路配置靈活，軟件結(jié)構(gòu)簡單。缺點：每個按鍵需占用一根I/O口線，在按鍵數(shù)量較多時，I/O口浪費大，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，在行列的每一個交點上設(shè)置一個按鍵，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，在實際應(yīng)用系統(tǒng)中采用較多。（3）本設(shè)計中鍵盤按鍵多于4個，可選用矩陣式鍵盤。圖2 獨立鍵盤 圖3 矩陣鍵盤2. 2、鍵盤識別及抖動的消除2.2.1、鍵盤識別未編碼鍵盤靠軟件實現(xiàn)，

5、識別是否有按鍵按下，采用查詢法，識別被按下的按鍵，采用掃描法。2.2.2、消除抖動當(dāng)按下一個按鍵時，會出現(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)釋放一個按鍵時也會出現(xiàn)類似的情況，即抖動問題。抖動持續(xù)的時間因操作者而異，一般為5-10ms之間，穩(wěn)定閉合時間一般為十分之幾秒至幾秒，由操作者的按鍵動作所確定。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。通常采用軟件延時的方法：在第一次檢測到有鍵按下時，執(zhí)行一段延時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，進行相應(yīng)處理工作，消除了抖動的影響。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，則時基電路不工作，此時不論TR、TH處于何電平，時基電路輸出為“0”，該端不用時應(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)部兩個比較器的基準(zhǔn)電壓，當(dāng)該端不用時，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，用做定時器時電容的放電。電阻分壓器由三個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。比較器由兩個結(jié)構(gòu)相同的集成運放C1、C2組成。高電平觸發(fā)信號加在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；低電平觸發(fā)信號加在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。基本RS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，雙極型時基電路VCC的范圍是4.516V，CMOS型時基電路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內(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 3.1、按鍵電路設(shè)計 設(shè)計實現(xiàn)對8個按鍵S1-S8進行監(jiān)控，且一旦有鍵按下，對應(yīng)的發(fā)光二級管L1-L8被點亮。所設(shè)計按鍵及8個LED發(fā)光二級管硬件原理圖如圖6所示，CCIT/FPGA試驗儀中，標(biāo)號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，這時相應(yīng)的 L1-L8輸出低電平。 圖6 發(fā)光二級管硬件原理圖 3.2、發(fā)光二級管電路設(shè)計

9、方案一：發(fā)光二級管電路由8個發(fā)光二極管組成。8個發(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，在陽極+5V電壓的驅(qū)動下發(fā)光二極管發(fā)光，當(dāng)發(fā)光二極管陰極為高電壓時，+5V電壓不能驅(qū)動發(fā)光二極管，此時發(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)光二級管電路同樣由8個發(fā)光二極管組成。但8個發(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，在陽極電壓的驅(qū)動下發(fā)光二極管發(fā)光，當(dāng)發(fā)光二極管陽極為低電壓時，陽極的電壓不能驅(qū)動發(fā)光二極管，此時發(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)光二級管電路 3.2、電源電路的設(shè)計圖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)計電路采用USB電源供電。3.3、時鐘及復(fù)位電路的設(shè)計 3.3.1、時鐘電路時鐘電路由兩種實現(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。圖10 時鐘電路方案二： 555定時器時鐘脈沖產(chǎn)生電路用一片555定時器構(gòu)成多諧振蕩器，設(shè)計脈沖周期為1s，其計算公式為：T=（+2）ln2 T=1.0005s，取 =0.01f。用555定時器設(shè)計的脈沖產(chǎn)生電路如圖10所示。3.3.2、復(fù)位電路設(shè)計復(fù)位電路設(shè)計如圖11所示。圖11 復(fù)位電路3.4、程序設(shè)計3.4.1用連續(xù)賦值語句實現(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)計算與器件選擇4.1、參數(shù)計算電容：本次課設(shè)計中涉及到的電容值為555定時器中所用，

14、為直接給定值，作用為提高555定時器中兩個比較器的穩(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：因為陽極接+5V的電壓，二極管工作電壓在1.5V左右，工作電流在20mA左右，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；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)計整理以上各個局部電路，得總電路如圖1

15、2所示。圖12 總電路圖六、個人小結(jié)本學(xué)期我們學(xué)習(xí)了Verilog數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計這門課程，這門課程與以前學(xué)過的C語言程序設(shè)計有著很多的相似之處，因此也學(xué)的也更容易上手一些。時至今日，“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個月其集成電子元器件的數(shù)目會翻一番。這就對電子自動化設(shè)計提出了更高的要求。這次我拿到的題目是鍵盤LED發(fā)光二級管的應(yīng)用，起初開始時感覺這個題目并不是太難，因為它所涉及到的元器件以及它們的原理都是我們課上重點講過的，對于它

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單，鍵盤LED發(fā)光二級管的應(yīng)用在日常生活中非常常見，它的設(shè)計電路涉及到幾個方面，主要是通過司機對鍵盤電路開關(guān)的控制，將高低電平信號分別送至電路的核心器件，進而由核心芯片識別出電信號，發(fā)光二級管電路采用發(fā)光二極管共陽極的接法做成，整個設(shè)計中感覺最麻煩的是芯片連線，以及程序的設(shè)計，將各個模塊完成以后整合完成就得到了總體的設(shè)計電路。整個設(shè)計中遇到的最大問題就是對于電路各個部分電路狀態(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，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，第一次是上個學(xué)期的模擬電子技術(shù)的設(shè)計，記得當(dāng)時還沒有學(xué)相關(guān)的繪圖軟件，當(dāng)時的設(shè)計就顯得非常困難，最后不得不花了好幾天的時間將繪圖仿真工具Multisim初步學(xué)會，可以正常滿足當(dāng)時的課程設(shè)計所需要的操作要求，這學(xué)期我們學(xué)習(xí)了仿真軟件Quturs ，做課程設(shè)計的時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)計的鍛煉我懂得了做事時不要粗心、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覺得其實一個課題不是太難了，而且做好后也會有較大的成就感?？傊?，通過這次的課程設(shè)