数字密码锁 数电课程设计

课程设计
课程名称数字电子技术
课题名称数字密码锁
专业电气工程及其自动化
班级
学号
姓名
指导老师
2015年 12 月 23
日
报告撰写要求（此页不打印）
课程设计报告是体现课程设计成果的载体，具体要求如下：
1、课程设计报告的基本格式
（1）说明书统一使用word文档打印，A4纸张，页边距设置为：上2cm，下2cm，左2.54cm，右2cm。

（2）正文采用宋体小四，行间距20磅；1级标题采用黑体小三，2级标题采用黑体四号，3级标题采用黑体小四；1和2级标题上下间距为0.5行。

（3）图表需统一编号，图标标题采用黑体五号；图标题在图片下方，表格标题在表格上方。

（4）装订顺序为：封面、任务书、报告正文、评分表。

2、课程设计报告的撰写要求
（1）设计报告正文内容为6-10页为宜，主要内容为自己的设计思路、设计步骤、关键性步骤的记录、重要结果的记录以及自己本次课程设计的总结。

报告撰写要求思路清晰、结构合理、层次清晰，报告简洁但又要能体现设计过程。

（2）报告中图表要求清晰、规范，图表的尺寸大小适当。

（3）课程设计报告内容（仅供参考）：
一、课程设计的任务要求：本次课程设计的任务要求，对照任务书中的任务要求。

二、设计方案：对任务进行分析，提出任务的可行实现思路，包括系统框图，各子模块之间的协同工作方式（800字）。

三、单元电路（子模块，子程序）分析：绘制各子模块电路图，详细分析其工作原理，包括信号的流向，电路工作条件，数据处理，程序流程图，有限状态机工作原理，预期结果，必要时有子模块的仿真结果分析。

报告中必须有6-8个主要子模块分析，每个子模块分析不少于200字。

不得拷贝元件说明书。

（2000字）
四、系统仿真/测试：对采用FPGA开发板的同学，必须设计系统的测试方案，编写测试程序，打印仿真波形，分析仿真结果（600字））
五、电路安装调试：电路的安装，调试步骤，调试过程中遇到的问题是什么？是如何解决的？调试结果（包括运行数据，图片）（800字）
六、元件清单：所用元件列表，或所用FPGA资源
七、总结：整个课程设计过程中，你觉得学习到了什么，课程设计过程中自己做的
不足的地方有哪些？对自己的学习有何启示？希望课程设计过程或者指导老师如何改进？……（500字）
电气信息学院
课程设计任务书
课题名称数字密码锁
姓名专业班级学号
指导老师
课程设计时间2015年12 月 14 日- 2015 年 12 月 23日
一、任务及要求
课程设计任务可采用数字电路实验台，试验箱、单片机或FPGA开发板（由指导老师安排）完成。

具体要求如下：
1.任务：
1）设定的密码为四位，由“1~8”八个数字组成，当输入密码正确时，发出开锁信号；密码错误时，发出报警信号，报警时间为35秒；2）输入密码后30秒，若无开锁信号，则电路进入自锁状态，并发出报警信号；3）用绿色发光二极管亮表示开锁，红色发光二极管亮（或扬声器发声）表示报警。

4）功能扩展：电路具有消抖功能，或者功能扩展自选。

2. 要求：
1）思路清晰，给出整体设计框图；2）完成各单元电路设计，给出总电路图、multisim 软件仿真验证结果；3）安装调试电路，得出测试结果；4）.用A4纸写出设计报告
二、进度安排
第一周：
周一：布置任务，查找资料；
周二～周三：设计系统方案，仿真；
周四～周日：领元器件，电路安装，或程序调试；
第二周：
周一～周二：电路安装，调试，运行或程序调试，下载运行；
周三：结果验收；
周四：收元器件，整理实验室，撰写报告，答辩；
周五：资料整理。

三、参考资料
1、《数字电子技术》第五版高等教育出版社
-------------------阎石主编
2、《电子技术与EDA技术实验实验及仿真》
------------- 孙胜麟、郭照南主编
目录
一、课程设计的任务要求 (1)
二、设计方案 (2)
三、单元电路（子模块）分析 (2)
3.1 防抖开关的设计 (2)
3.2 密码的存储与读取电路 (3)
3.3密码的比较电路. (5)
3.4 35秒报警电路的设计 (6)
3.5 30秒自锁电路 (7)
四、系统仿真/测试 (8)
五、电路安装调试 (9)
六、元件清单 (10)
七、总结 (11)
一、课程设计的任务要求：
1.任务：
1）设定的密码为四位，由“1~8”八个数字组成，当输入密码正确时，发出开锁信号；密码错误时，发出报警信号，报警时间为35秒；2）输入密码后30秒，若无开锁信号，则电路进入自锁状态，并发出报警信号；3）用绿色发光二极管亮表示开锁，红色发光二极管亮（或扬声器发声）表示报警。

4）功能扩展：电路具有消抖功能，或者功能扩展自选。

2. 要求：
1）思路清晰，给出整体设计框图；2）完成各单元电路设计，给出总电路图、multisim 软件仿真验证结果；3）安装调试电路，得出测试结果；4）.用A4纸写出设计报告
二、设计方案：
根据本次课程设计的任务要求，结合所学知识及实验室实际可提供的芯片我们可以将本次数字密码锁课题的整体电路细分为以下几个模块的电路，即密码的存储读取电路，密码的比较电路，计时报警电路，计时自锁电路以及拨键开关的防抖电路。

整个电路的设计系统框图设计如下：
图1 整体电路系统框图
根据系统框图，对密码的存储读取电路我们可以用分别用一片74LS148，74LS160，RAM2114（仿真时由于软件原因用HM6116代替）来实现。

其中74LS148芯片主要起编码作用，即在输入端分别连接好8个拨码开关，根据拨码开关的开断情况（每次只拨动一个开
关）使输出端产生相应的二进制编码； 74LS160主要起给定地址的作用，电路在第一次存入密码时，每一个密码产生的相应二进制编码在存入存储器时都需要首先给定相应的地址才能存储成功。

RAM2114则主要起存储编码和输出编码的作用，即实现“读”和“写”的功能，在第一次设置密码时存入用户设置的4位密码的二进制编码，在用户正式使用输入密码时输出之前存入的密码编码。

对密码的比较电路，本次课程设计我们使用了74LS85四位数值比较器芯片。

在芯片的输入端分别与编码器和存储器的编码输出端相连。

对计时报警电路和计时自锁电路，本次课程设计均选择使用两片十进制同步计时器74LS160芯片，分别连接成一个30进制和35进制的计数器来实现。

按照要求，应在用户开始输入第一个密码时开始30秒的计时电路，若用户未能在30秒内输入正确密码，计时器应该输入相应信号使得编码器EI端电平由低电平变为高电平，即关闭编码器的编码功能实现自锁。

在用户输错密码时，系统开始维时35秒的报警计时并同时给报警信号，在35秒后或者用户输入正确的密码使系统发出开锁信号时报警计时方终止。

三、单元电路（子模块）分析：
3.1 防抖开关的设计
图2 拨码开关的消抖电路
在实际接连线路时，当用户拨动拨码开关时，拨码开关开关不可避免的会产生一些机械抖动，从而使输出端产生不规则的震颤脉冲输出，因此，电路中必须要消除机械开关的抖动，避免影响正常的功能实现。

如图所示，本次课程设计通过使用RS锁存器，来实现消除机械开关抖动。

RS锁存器的功能表特性如下：
表1 SR锁存器的真值表
3.2 密码的存储与读取电路
图1 密码的存储与读取电路
如图，密码的存储电路由编码器芯片74LS148，8个拨码开关以及计数芯片74LS160相连接组成。

一方面，在用户每次拨动开关时由编码器产生相应的编码输入到存储器的数据线（I/O1~I/O8）端口准备存储，另一方面在用户拨动开关时编码器的GS端会产生相应的由高电平变为低电平的脉冲，将这一脉冲接入计数器74LS160的CLK端，每当拨码开关动作一次时，计数器就会计数一次，与此同时产生的4个不同的地址输入存储器的地址端口。

密码的存储时，应该要遵循先给地址，再存编码数据的原则，这样数据才能稳定的被存储。

74LS148 的功能表和引脚图如下：
图2 74LS148 的功能表和引脚图
HM6116 存储器的功能表如下
表2 HM6116的功能
3.3密码的比较电路
图3 密码的比较电路
密码的比较电路由芯片74LS85来实现功能。

芯片的输入端口分别接从编码器编码输出端和存储器的数据输出端，以此来比较用户输入的密码和先前用户设置的密码。

由74LS85的功能表可知，将选择使输入端的使能端A＞B ,A＜B端接地，A=B端接高电平时，即能使得芯片输出端口在比较两组编码为相同时产生相应脉冲对正确的编码次数进行计数，当输入四次正确时，触发开锁信号，绿灯亮；若比较为不同时红灯亮，即触发报警电路开始报警。

74LS85比较器的功能表如下：
图4 74LS85的功能表
3.4 35秒报警电路的设计
图5 密码锁的35秒报警电路
当由比较电路产生“不等”信号（即输入的密码与先前用户设置的密码不同）时，开始启动报警电路。

当产生报警信号时，经过一个锁存器将信号保存，与三态门的EN端链接，信号源开始不断给脉冲，当计数到35秒时，报警灯灭，三态门EN端呈高阻态，信号源停止将脉冲输入到计数器的CLK端，计数停止。

另外，当用户在报警的35秒时间段内输入了正确的密码使产生了开锁信号时，报警也应该停止，可以用一个如图所示的三态门EN端前的与门来实现。

其中74LS160的功能表如下：
图6 74LS160的功能表和管脚图
3.5 30秒自锁电路
图7 密码锁的30秒自锁电路
根据要求，系统应该在用户输入密码（而不是设置密码）时输入第一个密码起，就开始30秒的计时，若30秒内系统没有产生开锁信号则会产生自锁，用户无法再输入密码。

首先应在储存器的读写开关处设计逻辑关系，使得当用户正式输入密码（存储器为“读”状态）时，拨动第一个拨码开关，编码器GS输出端产生一个脉冲信号，经由一个锁存器保持这个信号，再将这个信连接到信号源前三态门的EN端，使得三态门处于导通状态，30秒计数开始。

若30秒内，用户输入了正确密码，系统产生开锁信号，30秒的计时停止；30秒内，若系统无开锁信号，30秒时将产生一个脉冲与编码器74LS148的EI输入端相连，使得EI端由低电平变为高电平，编码器无法再次编码从而实现“自锁”功能。

四、系统仿真/测试：
将上述各模块电路连成整体后整体电路图如下：
图8 整体电路图
实际接线情况如下：
图9 实际接线图
五、电路安装调试：
本次课程设计中我们主要遇到了以下几个问题：
1）在实际调试的时候发现产生地址的74LS160计时器工作不能稳定工作，极容易发生跳变，给出错误的地址。

最后通过询问指导老师才了解到，在实际连线测试电路的时候，数字电路试验箱上的机械开关在合断时总不可避免的会产生机械抖动从而使输出端产生不规则的震颤脉冲输出，使得计数器在给地址时发生跳变或者给出错误的地址，因此需要在拨码开关处用RS 锁存器做一个防机械开关抖动的电路。

按照老师的指导要求增加一个防抖电路后发现问题得已解决。

2）进行模块测试的时候，发现密码总是不能正确的存储和读取，从而导致电路总是错误的产生开锁信号或者报警信号。

通过查询有关资料我们才了解到存储器在存储编码内容时，必须等上一个编码稳定存储之后才能再次给下一个新的地址存储下一个编码内容，因此在设计存储电路时不能使得编码数据和地址同时进入到储存器，而应该在编码数据输入之前先预置一个地址，按照此方法连接电路后发现密码锁存储与读取电路工作正常。

六、元件清单：
七、总结：
通过这次的数字电子技术课程设计，我感觉自己收获良多，无论是数字电子技术的知识方面，还是培养自己动手能力方面。

在加深对数字电路知识理解方面，这次课程设计使得我第一次将平常在课堂上所学的理论知识完整的运用到了工程实际，使得我能够比平时的数电实验课更加全面和系统的运用我们平常在课堂上所学习过的各种芯片进行相关的逻辑连接实现相关的功能，了解到理论知识如何运用到实际工程上的过程，提高了我们对数字电路这门学科的兴趣的同时加深了我对数字电路如何实现各项功能的理解。

在培养实践能力方面，这次课程设计中我所选择的电子密码所这个课题无论是在仿真设计还是实际调试过程中，都遇到了许许多多的难题，有几个难题比如存储电路的设计这里由于一开始我和同组同学一起讨论研究了一两天，用multisim仿真软件仿真试验过很多很多次都没成功，于是情绪都很低落，感到有些挫败感，最后向指导老师李老师寻求帮助，李老师耐心的帮我们分析了我们电路设计，查出了我们设计的错误不足之处。

最后李老师还语重心长的教导我们我们电气工程专业的学生以后无论是学习还是工程实践中会不断遇到诸如此类的一系列的难题，因此必须要培养自己的耐心，要有信心。

这使得我们深刻认识到搞工程的过程实际上就是一个不断发现问题，然后解决问题的过程，所以遇到问题，我们不能退缩，而要迎难而上，勤查与问题相关的文献资料，多与同学老师交流，分析自己的设计思想与他人思想的差别之处，不断试验，直至解决困难。

在此我们也特别要感谢指导老师李老师，不仅给与我们学科知识上的细心指导，同时还给予了我们精神上的鼓励和指导。

同时这里也要感谢一起参加本次课程设计的其他同学们，在完成本次课程设计的过程中我们遇到困难一起研究，调试过程遇到芯片的短缺问题能一起商量协调解决，正因为有了你们的互帮互助，我们才能一起顺利的完成此次的课程设计，也是我们懂得了“合作”在解决工程问题时候的重要性。

电子技术课程设计评分标准。