電子電路課程設(shè)計密碼鎖(滿分實驗報告)

1、29電子電路課程設(shè)計報告密碼鎖設(shè)計報告 摘要：本系統(tǒng)是由鍵盤和報警系統(tǒng)所組成的密碼鎖。系統(tǒng)完成鍵盤輸入、開鎖、超時報警、輸入位數(shù)顯示、錯誤密碼報警、復(fù)位等數(shù)字密碼鎖的基本功能。關(guān)鍵字：數(shù)字密碼鎖 GAL16V8 28C64 解鎖與報警目錄：一、 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與技術(shù)指標(biāo)1、 系統(tǒng)功能要求 42、 性能和電氣指標(biāo) 53、 設(shè)計條件 5二、 整體方案設(shè)計 1、密碼設(shè)定 6 2、密碼判斷 6 3、密碼錄入和判斷結(jié)果顯示 6 4、系統(tǒng)工作原理框面 7三、 單元電路設(shè)計1、 鍵盤錄入和編碼電路圖 82、 地址計數(shù)和存儲電路 123、 密碼鎖存與比較電路 124、 判決與結(jié)果顯示電路 145、 延時電路 156

2、、 復(fù)位 177、 整機電路圖 198、元件清單 19 四、程序清單1、 第一片GAL 212、 第二片GAL 23五、測試與調(diào)整1、 單元電路測試 252、 整體指標(biāo)測試 263、 測試結(jié)果 26六、設(shè)計總結(jié)1、 設(shè)計任務(wù)完成情況 272、 問題及改進 273、 心得體會 28一、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與技術(shù)指標(biāo)1. 系統(tǒng)功能要求 密碼鎖：用數(shù)字鍵方式輸入開鎖密碼，輸入密碼時開鎖；如果輸入密碼有誤或者輸入時間過長，則發(fā)出警報。密碼鎖的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如下圖 所示，其中數(shù)字鍵盤用于輸入密碼，密碼鎖用于判斷密碼的正誤，也可用于修改密碼。開鎖LED1亮表示輸入密碼正確并開鎖，報警LED2亮表示密碼有誤或者輸入時間超

3、時。2.性能和電氣指標(biāo)2.1 開鎖密碼為8位十進制數(shù)字，由按鍵輸入，按“確認”鍵后，輸入的數(shù)字有效。2.2 輸入的8位數(shù)字與預(yù)設(shè)的密碼相同時開鎖，用綠燈亮，紅燈滅表示。數(shù)據(jù)有誤時或輸入的密碼時間過長即報警，紅燈亮。2.3 輸入的數(shù)字間隔時間小于或等于15s。超過時限則報警，同時電子鎖復(fù)位。2.4 具有手動、自動復(fù)位功能。3. 設(shè)計條件3.1 電源條件：穩(wěn)壓電源提供+5V電壓。3.2 可供選擇的元器件如表1-1所示型號名稱及功能74374鎖存器28C64EEPROM 存貯器74854位比較器741614位二進制計數(shù)器741648位移位寄存器GAL16V8可編程邏輯器件F555定時器74123可重

4、觸發(fā)器表1-1 器件單門電路、電阻、電容以及發(fā)光二極管自定。二、整體方案設(shè)計1密碼設(shè)定 按照自己的學(xué)號設(shè)定密碼，將密碼預(yù)先存如28c64芯片中。我的學(xué)號是10001823，寫入28c64中的數(shù)據(jù)為01 0A 0A 0A 01 08 02 032密碼判斷通過4為比較器對預(yù)先存如的密碼及手動在鍵盤上輸入的密碼逐個進行比較，把結(jié)果送入8為移存器進行結(jié)果判別3密碼錄入和判別結(jié)果顯示每輸入一位密碼，比較器就比較一次，并且把結(jié)果送如移存器進行移存，8位的比較結(jié)果送到GAL，判決是否正確，并開鎖或報警。設(shè)定密碼時，每輸入一位，計數(shù)器加一。4系統(tǒng)工作原理框圖整體方案如下： 報警開鎖三、單元電路設(shè)計1. 鍵盤錄

5、入和編碼電路圖 由于鍵盤有09，而ROM中數(shù)據(jù)以十進制存儲，則要將案件進行10進制到2進制的轉(zhuǎn)換。使用可編程邏輯器件GALl16V8,電路非常簡單，連線少，比較實用。將按鍵編號和輸出四位二進制碼相對應(yīng)，列出真值表（表3-1）。序號按鍵D0D1D2D30A010101A100012A200103A300114A401005A501016A601107A701118A810009A91001根據(jù)真值表，用CUPL語言寫出邏輯關(guān)系：D3=A0#A8#A9;D2=A4#A5#A6#A7;D1=A0#A2#A3#A6#A7;D0=A1#A3#A5#A7#A9; 電路設(shè)計：每個鍵按下，產(chǎn)生一個高電平脈沖，

6、并把按下的數(shù)字鍵譯碼輸出為保護電路，接入排阻。時鐘機械鍵盤在使用過程中會產(chǎn)生機械抖動，即會產(chǎn)生多個脈沖信號（有稍高頻的毛刺），使輸出的時鐘不穩(wěn)定，影響后級工作?？勺孋P觸發(fā)輸出，消除高頻毛刺。由于密碼通過機械開關(guān)輸入，頻率很低（因本次實驗提供的開關(guān)不大方便操作，一般按鍵頻率不大于1hz），則觸發(fā)低頻略高即可，取510hz即可。用F555做定時器，設(shè)計電路如下：555定時器的頻率表達式為：f=1.43/（(RA+2RB)*C）。取RB=3K，RA=2K，C=220u,測試得f=7.1hz,能達到要求。將clock接至G16V8的1腳，且使用觸發(fā)輸出：CP.D=A0#A1#A2#A3#A4#A5#

7、A6#A7#A8#A9，此時在每次鍵按下時都會產(chǎn)生一個脈沖，且消除了毛刺。 2.地址計數(shù)與存儲電路將CP送入計數(shù)器，得到的是按鍵次數(shù)，也是ROM的地址信號。每接受到一個信號，74161就會向28c64送入一個地址，28c64通過得到的地址把一位新的密碼送入74374和16v8由鍵盤上得到的數(shù)一同寄存后在送入比較其中比較3.密碼鎖存與比較電路由于CP信號對于按鍵稍有延遲，如將按鍵的譯碼與從ROM中取出的數(shù)據(jù)進行比較，則會出錯，所以在比較器之前加一級鎖存器，在時鐘CP的控制下，此時才能實現(xiàn)輸入密碼與原有密碼的對應(yīng)位同時到達比較器。電路如下：密碼比較重要時序分析：密碼鎖從清零開始工作：當(dāng)按下第一位密

8、碼時，按鍵的譯碼立即輸出，CP滯后輸出，在CP的上升沿，74374鎖存器開始工作，鎖入數(shù)據(jù)，此時送到鎖存器口數(shù)據(jù)是鍵盤輸入的譯碼和ROM地址0000（B）的數(shù)據(jù)，并不是地址0001的數(shù)據(jù)。所以在ROM中存入數(shù)據(jù)從地址0開始。時序如下圖所示：鎖存時序圖4. 判決與結(jié)果顯示經(jīng)過7485，只能比較密碼的1位，使用移存器就能將比較結(jié)果先儲存，經(jīng)過8個脈沖周期后同時輸出。為節(jié)約GAL16V8的I/O口，可使用一片7485，先將5位比較結(jié)果處理，剩下的三位接到GAL，再比較。在密碼全部輸入后，要按下“確認”鍵，則GAL判斷密碼是否正確。數(shù)據(jù)經(jīng)7485等后，數(shù)據(jù)到達74164時，數(shù)據(jù)有一定的延時。假如741

9、64的時鐘=CP，當(dāng)?shù)谝坏腃P到來時，第一位的比較結(jié)果還沒從7485出來，即第一位鎖進的不是第一位的比較結(jié)果。所以，鎖存的時鐘應(yīng)比CP慢，可以定義CP2=！CP，此時，CP2比CP的上升沿晚的時間就是手按鍵的時間。從而保證鎖存8次后輸出的就是8位的比較結(jié)果。圖3-5 8位密碼比較結(jié)果處理假如輸入正確密碼，并按下確認鍵，則成功開鎖。5.延時電路指標(biāo)要求當(dāng)輸入的數(shù)字間隔小于或等于15s時超時報警。設(shè)計采用74123可重觸發(fā)器和7474 D觸發(fā)器配合程序控制。電路圖如下： 74123可重觸發(fā)器B端輸入，OT觸發(fā)輸出。tw=15s，tw=0.45RC,則設(shè)定R=150K，C=220u，則計算得出tw=

10、14.8s。若要提高15s計時精度則選取更精確得電容和電阻，且系數(shù)0.45可能有相應(yīng)更正。74123工作時序如下：圖 3-6-2 74123工作時序在復(fù)位后，OT=0，開始輸入后，當(dāng)間隔時間小于15s時，OT=1，當(dāng)間隔時間大于15s時，OT=0。由于74123受控制較弱，所以在實際鏈接電路的時候增加了一塊74161做觸發(fā)器，使得觸發(fā)穩(wěn)定切周期不變。6、復(fù)位 復(fù)位功能包括手動復(fù)位和自動復(fù)位。手動復(fù)位：清除輸入密碼，將所有寄存器歸零。則將74161、74164、74123、7474的清零端全部接在一起，復(fù)位鍵（RS）按下，GAL清零端CLR輸出一個低電平脈沖，方程為：CLR=！RS。自動復(fù)位：如

11、解鎖完畢（即密碼輸入完成后，按下“ENT” ），開鎖或報警后，所有寄存器清零。若將方程寫成CLR=！ENT，此時是組合邏輯輸出，一按下“ENT”，就復(fù)位了，此時報警結(jié)果還沒輸出，74164全零輸入，則肯定會報警，失去密碼鎖判斷的意義。所以復(fù)位一定在正確解鎖后開始，可以借助GAL內(nèi)部的觸發(fā)器來完成這個功能：CLR.D=！ENT。GAL的時鐘任為555的輸出時鐘，幾hz的脈沖。則在開鎖后幾百ms后復(fù)位，開鎖是個瞬時動作即可。為方程式的簡潔，復(fù)位方程可表示為：CLR.D=!(ENT#RS),此時手動復(fù)位稍有延遲（ms級），在實際應(yīng)用中，延時是完全可以忽略的。7、整體電路8、所用元件清單本設(shè)計除了老師

12、建議的一些芯片，我還使用了少量其他數(shù)字芯片，完成了要求外的一些指標(biāo)，使用的芯片如下：型號名稱及功能數(shù)量74374鎖存器128C64EEPROM 存貯器174854位比較器1741614位二進制計數(shù)器2741648位移位寄存器1GAL16V8可編程邏輯器件2F555定時器1按鍵開關(guān)輸入密碼274123可重觸發(fā)器1LED發(fā)光二極管顯示譯碼是否成功1電容、電阻、導(dǎo)線若干，面包板一塊。四、程序清單設(shè)計中使用2片GAL16V8，第一片主要用于譯碼，第二片主要用于控制。1 第一片GAL功能：鍵盤解碼，產(chǎn)生時序電路需要的CP及CP2管腳連接及命名：cpKEY0KEY1KEY2KEY3KEY4KEY5KEY6

13、KEY7GNDVCCOUT4OUT3OUT2OUT1CP1KEY9KEY8CP2GND Name : GAL23;Date : 2012-11-28;Revision : 1.3 ;Designer : ZHUZI;Company : NJUPT;/*INPUT*/PIN1,11,12,15=CP,!OE,CP2,CP1;PIN2,3,4,5,6,7,8,9,13,14=KEY0,KEY1, KEY2, KEY3 KEY4, KEY5, KEY6, KEY7, KEY8, KEY9; /*OUTPUT*/PIN16,17,18,19=OUT1,OUT2,OUT3,OUT4;/*EQUATION

14、S*/OUT4=KEY0#KEY8#KEY9;OUT3=KEY4#KEY5#KEY6#KEY7;OUT2=KEY0#KEY2#KEY3#KEY6#KEY7;OUT1=KEY1#KEY3#KEY5#KEY7#KEY9;CP.D=OUT1#KEY0#KEY2#KEY4#KEY6#KEY8;CP2=!CP;/*END */2 第2片GAL功能：處理密碼比較結(jié)果、延時判斷處理、控制28C64的讀寫操作、開鎖和報警輸出、電路復(fù)位管腳連接及命名：CPD1D2D3D4D5D6D7D8OTVCCREDGREENRENTERRSTDELAYOEName : GAL23;Date : 2012-11-29;Rev

15、ision : 1.3 ;Designer : ZHUZI;Company : NJUPT;/*INPUT*/PIN1,11=CP,!OE;PIN2,3,4,5,6,7,8,9=D1,D2,D3,D4,D5,D6,D7,D8;PIN 12=DELAY;PIN 14=RENTER;PIN 13=RST;PIN 10=OT; /*OUTPUT*/ PIN 15=GREEN;PIN 16=RED;/*EQUATIONS*/Q=D1&D2&D3&D4&D5&D6&D7&D8GREEN.D=Q&ENTER;RED.D=!Q&ENTER/*END */五、測試與調(diào)整1.單元測試10進制數(shù)字輸入測試：先復(fù)位

16、，再按住數(shù)字鍵，用示波器檢測第一片GAL的1916腳，打開1號開關(guān)即KEY0，檢測到D0D1D2D3=0101,則譯碼正確，以此類推，輸入09，GAL輸出全部測試正確。CP脈沖測試：將CP接到示波器一個通道觀察，在有鍵按下時，觀察到脈沖。由低電平跳變至高電平，且cp1與cp2相反密碼比較測試：1. 復(fù)位后，依次輸入正確密碼（10001823），用示波器觀察第一片7485的第6腳，若全為高，則正確，8位密碼輸入完畢后，測試74164的移存輸出腳，若全為1，則正確。2. 輸入錯誤密碼1001822，7485在輸入錯誤密碼后，輸出為0，且8位輸入完畢后，74164的輸出管腳中，第三腳為0，其余為1。

17、則電路沒有問題。延時判斷測試：1. 用示波器觀察74123的輸出管腳第13腳，復(fù)位時，輸出為0，當(dāng)有鍵按下，輸出跳變?yōu)?，并保持。15秒內(nèi)無鍵按下，則輸出跳變?yōu)?，在15秒內(nèi)有鍵按下，則輸出一直保持高電平。則延時電路沒有問題。2整體測試1. 按下“復(fù)位”鍵，看到數(shù)碼管立即顯示為0，用示波器測試74161、74164、74123的輸出端全為低電平。說明手動復(fù)位功能正常。2. 輸入正確密碼10001823后，按下“ENT”，看到綠燈亮，輸入錯誤密碼07040400后，按下“ENT”，看到紅燈亮。說明密碼判斷正確。3. 復(fù)位后，按下第一位密碼0，不再按任何鍵，15秒后，紅燈亮。說明延時判斷正確，并能

18、報警。 3.測試結(jié)果1，2測試都正確，但是第3測試時發(fā)現(xiàn)15秒延遲不準(zhǔn)確，所以在實際電路中移除延遲。六、 設(shè)計小結(jié)1. 設(shè)計任務(wù)完成情況幾大指標(biāo)：10進制鍵盤輸入 密碼正確輸入時開鎖，錯誤時報警 輸入數(shù)字間隔小于15S時不能報警，能復(fù)位 手動和自動復(fù)位 除了延遲報警外全部完成，且界面友好，更加人性化。2. 問題及改進問題1：測試時74123輸出不穩(wěn)定，時有跳變原因：電源雜波較大，對電路的正常工作有較大干擾改進：在74123的電源和地之間并接一個較大的電解電容（220u）。注：用示波器觀察電源電壓，能明顯看到很嚴重的雜波，則會引起數(shù)字電路工作異常，就會出現(xiàn)意想不到的錯誤，因此，為提高電路的穩(wěn)定性和可靠性，在電路的電容和地之間應(yīng)多加電容進行濾波。問題2：在全部輸入正確的情況下，74164有兩個管腳為低電平，但是7485的八次判斷全部為真，鑒定為74164損壞，尚未解決 問題3：硬件電路繁瑣、作品性價比太低原因：用GAL16V8實現(xiàn)密碼鎖，所用器件和實現(xiàn)方法在報告中已經(jīng)十分詳盡。 3. 心得體會