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1、课 程 设 计题 目简易数码锁设计学 院专 业班 级姓 名指导教师2011年7月9日课程设计任务书题 目: 简易数码锁设计 初始条件：1 运用所学的模拟电路和数字电路等知识；2 用到的元件：实验板、电源、连接导线、74系列芯片、555芯片或微处理器等。要求完成的主要任务:1 采用数字按键输入，数码为6位或4位；2 开机上电后系统自动复位，处于准备接收数码的准备状态；3 设置一只认可键，每次输入数码后必须按认可键。4 认可键只承认最后6位或4位输入数码，若与本锁规定数码相符则使执行机构动作；5 严格按照课程设计说明书要求撰写课程设计说明书。时间安排： 第1天 下达课程设计任务书，根据任务书查找资
2、料；第24天 进行方案论证，软件模拟仿真并确定设计方案； 第5天 提交电路图，经审查后领取元器件；第68天 组装电路并调试，检查错误并提出问题；第911天 结果分析整理，撰写课程设计报告，验收调试结果；第1214天 补充完成课程设计报告和答辩。指导教师签名： 2011年 6月26日系主任（或责任教师）签名： 2011年 6月26日目 录引言11设计意义与要求21.1设计意义21.2设计要求22方案设计32.1设计思路32.2设计方案42.3方案比较73简易密码锁电路设计83.1密码输入和编码电路83.2密码移位寄存电路83.3密码比较电路93.4开锁电路103.5复位电路114调试与检测124
3、.1调试方法与步骤124.2调试中故障及解决方法124.2调试与运行结果135仿真操作步骤及操作说明14结束语15参考文献16附录一 设计总电路图电路图17附录二 主要元件引脚图和功能表19引言当今社会，科技的进步和人们生活水平的提高，如何保证人们的自身财产和个人隐私的安全性成为现在社会中的一个热点话题。利用传统的机械锁防盗，有许多缺点：机械锁本身构造比较简单，概括来讲就是“机械锁只能用来防君子”，可见其非常容易被撬；另一方面，大型的机械锁必定会有复杂的钥匙，这些钥匙难以携带，丢失后换锁重新配钥匙也不方便，使得安全性和便利性都大打折扣。而在高科技孕育下产生的IC卡识别、指纹识别器等，由于技术含
4、量高，成本大而陷入了难以推广的尴尬局面。但数码锁则因其安全系数高，使用灵活，低成本等许多优点受到广大用户的青睐。设计本课题时，主要应用所学的数字电子技术和模拟电子技术等知识，利用4035并行并入移位寄存器和74LS85数值比较器构成数字逻辑控制电路，并列出小组方案和个人方案，进行对比以得出小组方案相对于个人方案的优势。 1设计意义与要求1.1设计意义传统机械锁的安全性和便利性并不能满足人们对防盗的要求，而数码锁正是在这个时候出现在人们的视野中。通过上个学期的模拟电子技术和这个学期的数字电子技术的学习，这次的简易数码锁的设计主要考察学生综合应用所学知识提出问题、分析问题和解决问题的能力，并且应用
5、proteus仿真软件实现在计算机上完成从原理图设计、电路分析与仿真、系统测试及功能验证等操作过程，培养学生独立思考、创新思维、理论联系实际的能力，并锻炼学生的动手实践能力。1.2设计要求1）设计一个简易数码锁，密码为6位或4位十进制数，采用数字按键输入。2）设置一只认可键，每次输入数码后必须按认可键；且认可键只承认最后6位或4位，若与本锁规定数码相符则使执行开锁动作。3）开机上电后系统自动复位，处于准备接收数码的准备状态；若输入的数码最后6位或4位（与正确密码的位数相同）与正确密码完全一致，且紧接着按下认可键时，执行开锁操作。2方案设计2.1设计思路根据设计要求，要求有输入电路，数字按键1-
6、9代表的十进制数码在数字电路中必须转换为二进制码，因此总电路的第一个模块是密码输入电路和编码电路，编码器输出的二进制代码是将原码逐位取反。设计要求输入密码后4位有效，考虑用四个级联的移位寄存器接收编码，然后每输入一个新的数码，原来的数码就右向移位，保证寄存器中现存的数据只有最后输入的四个密码所对应的二进制码，实现后4位有效。因此第二模块是密码移位寄存电路。要比较最后输入的4位数码是否正确，可以用四个数值比较器分别接收移位寄存器中存储的数据，再将四个比较器的Q(AB)输出端相与，控制开锁动作。所以第三模块是密码比较电路。第四个模块，开锁与清零，当密码正确且按下认可键时，系统执行开锁动作，同时开锁
7、信号对电路进行清零，方便下次输入密码开锁。综上所述，总电路由密码输入与编码电路，密码移位寄存电路，密码比较电路，复位电路，开锁电路五个部分构成。初始开机复位后输入十进制的密码，由编码器进行其二进制原码逐位取反后进入移位寄存器，移位寄存器现存的二进制码与数值比较器中设置的正确密码的二进制代码进行比较，从而实现输入密码后4位或6位有效。当密码输入完毕按下确认键时，若此时密码正确则开锁电路工作，密码错误则不开锁（方案表现为灯亮或者不亮）。设计思路框图如图2-1所示：复位输入密码右移寄存比较密码开锁不开锁正确错误图2-1 设计思路框图2.2设计方案要实现此数码锁的设计，大体上有两套方案。2.2.1设计
8、方案一该电路共有11个数字按键，其中1-9共九个数字按键是密码输入端，分别与10-4线优先编码器输入端连接，另外两个分别是确认键和复位键。输入的十进制密码经74LS147优先编码器二进制编码后与移位寄存器电路的四个数据输入端相连。该电路是四片4035四位并入并出移位寄存器级联组成的右移寄存器电路，边沿触发，其输出端Q0-Q3分别与四片四位数值比较器的输入端B0-B3连接。数值比较器A0-A3是预置密码输入端，用户可以通过改变A0-A3所接高低电平的不同以实现修改密码的功能。由B0-B3、A0-A3的比较结果，并通过74LS85数值比较器中的Q(AB)输出结果相与，所得结果再同确认键相与，共同控
9、制着开锁电路中信号灯的亮灭。每次按键按下瞬间，编码器由全1输出变成有0输出，按键弹起时又变成全1输出。因此将编码器的四个输出端相与非后可以作为移位寄存器的边沿触发信号，即每次按下数字按键时，寄存器受到触发，与输入密码一一对应的寄存数据右向移动。四片寄存器只能存储4个四位二进制数，若现存的4个四位二进制数与数值比较器中待比较的正确密码比较完全一致，且紧接着按下确认键时，开锁信号灯亮，开锁，即实现输入密码后4位有效的功能要求。复位电路由复位键和开锁信号相或构成，当人为按下复位键，或者密码正确实行开锁时，各移位寄存器的清零端得到有效的高电平信号进行清零。图 2-2 方案一总电路图2.2.2设计方案二
10、方案二与方案一的原理异曲同工，同样由数字按键输入的密码输入和编码电路、四位并行并入移位寄存器电路、密码比较电路、开锁电路、复位电路五部分组成。考虑到4035芯片难以购买，因此利用四片74LS194芯片构成移位寄存器电路。由于机械开关存在抖动，因此，在优先编码器输出信号相与之后，再在其后加上由555定时器构成的不可重复单稳态触发器，用以消除机械开关带来的抖动，从而保证密码输入的正确性。图2-3 方案二电路图2.3方案比较两种方案大同小异，原理基本相同。但第一种方案密码设置是1-9九个数字，有开锁后的自动复位电路；第二种方案接入555定时器构成的单稳态触发器，使得密码输入后能产生一个周期固定的脉冲
11、，并且在这段时间之内输入任何数字均无效，有效防止了因机械开关抖动带来的密码输入错误的问题。 基于上述原因，选择第二种方案为小组方案，第一种方案为个人方案。3简易密码锁电路设计3.1密码输入和编码电路密码输入和编码电路如图3-1所示。十进制数1-9以数字按键的形式作为密码输入端，符合实际易于操作。74LS147是10线-4线二进制优先编码器，共有9个数据输入端和4个编码输入端，均为低电平有效。每按下一个十进制数字键，与之相接的编码器输入端便得到低电平，输出该十进制数对应的四位二进制数的原码进行逐位取反。四位二进制编码输出图3-1 密码输入电路3.2密码移位寄存电路密码移位寄存电路图如图3-2所示
12、。四个移位寄存器在某个时刻总是存储4个四位二进制数，因此其主要功能是将存储的数据进行移位，并实现后4位有效的设计要求。由于输入的是四位二进制代码，必须实行四位二进制数并行传输和移位，因此选择4035四位二进制数并行并入移位寄存器。D0-D3是并行数据输入端，Q0-Q3是并行数据输出端。CP是时钟输入端，上升沿触发。CR是异步清零端，高有效。P/S()是并行串行控制端，接高电平时并行移位。T/C()是原码/反码输出控制端，接高电平时原码输出。由于数字键按下和弹起瞬间，四位二进制代码输入状态由1111-有0-1111，将这四个输入端想与非后跟四个移位寄存器的时钟输入端相接，就会产生一个正脉冲，使寄
13、存器触发进行并行移位操作。也就是说，每输入一个十进制数码，移位寄存器就进行一次并行移位，使存储的四位二进制代码总为4个，将这四个代码与正确的密码比较，就可以实现密码后4位有效。四位二进制编码输入复位端图3-2 密码移位寄存电路3.3密码比较电路密码比较电路如图3-3所示。数值比较器预置的一组待比较数据A0-A3从左到右依次是1001、0101、1101、0011。由于编码器的输出是十进制数字按键相应的二进制原码逐位取反，且移位寄存器是右移位、原码输出，因此正确的密码是3456。将四个移位寄存器的输出端Q0-Q3分别接到四个数值比较器的B0-B3输入端,就可将某个时刻的输入密码与正确密码进行比较
14、。当密码完全相符时，四个数值比较器的Q(AB)端就会全1输出。存储数据输入端存储数据输入端存储数据输入端存储数据输入端密码比较结果图3-3 密码比较电路3.4开锁电路开锁电路如图3-4所示。当输入密码正确时，密码比较结果为1，此时必须按确认键，与门的两个输入端均为1，开锁信号灯才亮，开锁。密码比较结果图3-4 开锁电路3.5复位电路复位电路如图3-5所示。当按复位键或者密码输入正确开锁时，寄存器的清零端都会得到高电平清零信号，对电路清零。开锁信号接寄存器清零端图3-5复位电路4调试与检测经过小组之间的多次假设和查阅资料，我们终于理清了头绪，初步确定了设计方案，也有了设计出稿。但是通过prote
15、us仿真软件仿真之后，出现了许多问题，通过不断调试和修改，以及小组成员集体努力，电路得到改善，并最终实现了方案所要求得到的结果。4.1调试方法与步骤电子电路的调试方法有两种：分块调试和整体调试。1）为了明确各模块是否工作正常，首先进行分块调试。分块调试是指把总体电路按功能分成几个模块后分别进行调试。例如密码输入和编码模块电路中，根据设计预测，当按下某个数字键时，二进制编码输出端应该出现相应的低电平。我们可以单独对该部分进行仿真，在二进制码输出端分别接4个低电平点亮的发光二极管，如果按下数字键相应的发光二极管能被点亮，并且发光的二极管得到的是该输入数字二进制编码的原码逐位取反所得到的编码，则说明
16、该部分电路设计正确。再例如开锁电路模块中，根据设计要求，当密码比较结果为1时，按下确认键之后，指示灯亮。我们可以将0或者1输入开锁电路中，当按下确认键之后，指示灯暗或者亮，则说明该部分电路正确，可以进行下一模块的设计和仿真。2）各模块电路调试功能符合设计要求后，再进行整体调试，即把总体电路完全组装好以后，进行总调试。本方案是先检查导线是否接错线脚或漏接、多接，检查高低电平是否连接正确等。确保连接无误后，先按复位键对电路进行清零，再输入密码并按确认键，根据初始设置密码若开锁信号灯相应正确的亮灭，则说明总电路也符合要求。4.2调试中故障及解决方法对方案一进行仿真时，遇到的问题及解决方法为：1）根据
17、现实所见，密码一般是0-9共十个十进制数，需要10-4线编码器，如果用两片8-3线级联比较麻烦，但是找不到合适的10-4线或单片的16-4线编码器，最后我选择了74LS147芯片（10-4线编码器，但是实际只有9个数据输入端），数字按键设置为为1-9。2）当密码输入完毕之后，并且输入的是正确的密码，但是还未按下确认键，指示灯就亮了，确认键起不到任何作用。仿真时，观察确认开关所对应的电阻两端的电平信号，发现电阻的右侧为灰色，即不起作用。通过网上查阅资料和与小组同学讨论发现，该端直接接地上，而上拉电阻是10k，负载多就容易产生高阻态，此时应适当减小电阻的阻值。当设置该电阻的阻值为1k后再进行仿真，
18、电路工作正常。3）将二进制编码输出端相与后作为移位寄存器的触发信号，输入密码时发现移位寄存器没有被触发，经调试分析发现，4035移位寄存器为上升沿触发，因此需要一个0-1的信号，而在与门输出信号之后，信号的变化则是1-0，起不到效果。因此与门后再加一个非门，解决了该问题。对方案二即小组方案进行测试时，遇到的问题及解决方法为：1）小组最先的设计方案并未加入由555定时器构成的单稳态触发器，按照设计的电路连接实物之后，将密码设置为1111，但是输入密码之后发现有时按三下开关灯就亮了，但有时需要按五次甚至更多次开关灯才亮。根据分析发现，机械开关存在抖动，当按下开关输入密码的时候，由于编码器输出的信号
19、不是一个稳定的脉冲信号，所以导致按下开关之后的抖动产生不稳定的信号，干扰移位寄存器的右移功能。于是我们在10线-4线优先编码器的输出端接入一个由555定时器构成的单稳态触发器，并将其电阻设置为5k，电容设置为100u，经过计算得知该单稳态触发器的脉宽为0.55s，并且在这段时间内，只允许输入一位密码，输入其他的密码则会被判定为无效，有效防止了因开关抖动而产生的信号不稳定的情况。2）小组最先设计的方案的复位端是当按复位键或者密码输入正确开锁时，寄存器的清零端都会得到高电平清零信号，对电路清零。但是在实物电路中，这一方案比较难实现，基本不起作用。因此我们去掉了输入正确密码并进行复位的这一功能，改为
20、手动清零。这样问题就得以解决。4.2调试与运行结果方案一仿真调试结果：当输入正确密码3456并按下确认键后，开锁信号灯闪亮，执行开锁操作。当输入密码为8883456并按下确认键时，开锁信号灯闪亮，开锁；当输入密码为5634566并按下确认键时，开锁信号灯不亮，说明实现了认可输入密码后四位功能。 5仿真操作步骤及操作说明方案一：1-9共九个数字按键是密码输入端，D1是开锁信号灯。数字按键“确认键”和“复位键”按下时分别对输入数码进行确认和清零。先按“复位”键开机复位（灯不亮），进入密码输入状态，正确密码是3456。输入密码后按确认键确认最后四位，当输入正确开锁信号灯闪亮，并对电路进行清零；输入错
21、误时不提示，返回密码输入状态。方案二：方案二与方案一的基本原理是一致的，仿真操作也和方案一的基本相同，但方案二的密码为7749，且输入单个密码之后必须等待输入提示灯熄灭之后才能再输入下一个密码。结束语将近两周的电工电子综合课程设计即将进入尾声，时间非常短，但是我感受颇多。一方面，这次课程设计不仅锻炼了我独立思考、解决问题的能力，还加强了我的动手能力，更加强了我团队协作的能力，为以后进入社会做准备。这次课程设计同时也是对模电、数电知识的巩固和加强。因为课本上的知识很多，很杂，而且这两门学科又十分抽象，平时课间的学习并不能很好的理解和运用各个元件的功能，而且考试内容有限，不能面面俱到地考察知识掌握
22、程度。但是在这次综合课程设计过程中，要设计出实现功能要求的电路，必须先了解各种芯片的工作特点和优缺点，这促使我们广泛查阅书籍、网络资源，潜移默化中了解了很多元件的功能，并且对于其在电路中的使用有了更多的认识。虽然在设计过程中遇到了很多的困难和重重阻碍，但我在选择器件和设计方向的过程中，发现自己可以将课本上的知识应用于实际，虽然不熟练，但迈出了第一步，我相信以后的学习和实践中我能更好的将理论与实际相结合，加深了自己对知识的理解和应用。此次实习也锻炼了我的自主学习能力。在实验中，我们运用到了新的软件proteus仿真软件，对这个软件的不熟悉促使我充分利用图书馆以及计算机网络去查阅和学习相关资料，增
23、加了许多课本以外的知识，不仅能基本操作proteus仿真软件，也培养了根据课题需要选择参考书籍，查阅手册、图表等有关文献资料的自主学习能力。最重要的是，我明白了课程设计的精髓之所在。课程设计不是简简单单按照要求将电路设计出来，组装调试成功就算结束了，而是在课程设计中，让我学会了做一件事情的步骤和应当拥有的态度。拿到一个任务，从什么地方开始下手，先做什么，后做什么，都有其自身的规律所在。如何应用所学的一丁点知识创造出无限的奇迹，如何使结果最优化，从而积累自身对待一件任务的态度，自信。参考文献1 康华光.电子技术基础-数字部分（第五版）.高等教育出版社，2006.12 毕满清主编.电子技术实验与课
24、程设计.机械工业出版社，1995.53 高吉祥. 电子技术基础实验与课程设计. 电子工业出版社，20024 包亚萍主编.数字逻辑设计与数字电路实验技术.中国水利出版社，20035 谢自美. 电子线路设计实验测试.华中理工大学出版社，20066 周惠朝.常用电子元件及典型应用.电子工业出版社，20057 祁存荣，陈伟.电子技术基础实验（数字部分）.教材中心附录一 设计总电路图小组方案总电路图如附图1所示：附图1小组方案电路图个人方案总电路图如附图2所示：附图2 个人方案电路图附录二 主要元件引脚图和功能表附2.1 74LS147的功能表和逻辑引脚图16 15 14 13 12 11 10 91
25、2 3 4 5 6 7 8VCC NC GND74LS147附图3 74LS147逻辑引脚图附表1 74LS147功能表输 入输出123456789DCBAHHHHHHHHHHHHHLLHHLLHLHHHLHHHLLLLHHHHLLHLHHHHHLHLLHHHHHHLHHLHHHHHHHHLLLHHHHHHHHHLHLHHHHHHHHHHHL附2.2 4035芯片的引脚图和功能表16 15 14 13 12 11 10 91 2 3 4 5 6 7 8VDD Q1 Q2 Q3 D3 D2 D1 D0Q0 T/C() K() J CR CP P/S() VSS4035附图4 4035芯片的引脚图
26、和功能表附表2 4035芯片功能表输 入输出T/C()HT/C()LCPCRJK()P/S()D0D1D2D3Q0Q1Q2Q3Q0Q1Q2Q3LLLLLQ0Q1Q2HQ0Q1Q2LLHLQ0Q0Q1Q2Q0Q0Q1Q2LHLLQ()0Q0Q1Q2Q()0Q0Q1Q2LHHLHQ0Q1Q2LQ0Q1Q2LLQ0Q1Q2Q3Q0Q1Q2Q3HLLLLHHHHLHD0D1D2D3D0D1D2D3D()0D()1D()2D()3附2.3 74LS85数值比较器的逻辑引脚图和功能表1 2 3 4 5 6 7 816 15 14 13 12 11 10 9VCC A3 B2 A2 A1 B1 A0 B0B
27、3 AB AB AB AB AB AB GND74LS85附图5 74LS85逻辑引脚图附表3 74LS85功能表输 入输 出A3、B3A2、B2A1、B1A0、B0IABIABIABFABFABFABA3B3LHLA3B3LLHA3B3A2B2LHLA3B3A2B2LLHA3B3A2B2A1B1LHLA3B3A2B2A2B2LLHA3B3A2B2A1B1A0B0LHLA3B3A2B2A1B1A0B0LLHA3B3A2B2A1B1A0B0HHLLA3B3A2B2A1B1A0B0LHLLHLA3B3A2B2A1B1A0B0LLHLLHA3B3A2B2A1B1A0B0LHHLLLA3B3A2B2A
28、1B1A0B0LLLLHH附2.4 555定时器的逻辑引脚图和功能表12345558765地U2U0RDUCC放电端U6UCO附图6 555定时器逻辑引脚图附表4 555定时器功能表输 入输 出阈值输入（）触发输入（）复位（R()D）输出（）放电管T00导通11截止10导通1不变不变 本科生课程设计成绩评定表姓 名性 别专业、班级课程设计题目：简易数码锁设计课程设计答辩或质疑记录：成绩评定依据：设计方案与内容（30分）制作与调试（20分）说明书内容与规范程度（30分）答 辩（10分）学习态度与考勤（10分）总 分（100分）最终评定成绩（以优、良、中、及格、不及格评定）指导教师签字： 2011年 7月 12日
