电子密码锁课程教学设计.doc

.* 目录 摘要 2 1. 设计目的 3 2. 设计要求 3 3. 方案选择 4 3.1 第一方案 555集成电路构成的密码锁电路 4 3.2 第二方案 基于74LS138译码器的电子密码锁设计 4 3.3 第三方案 基于8D锁存器74LS373的锁存密码电路 5 4. 流程框图 6 5. 原理电路图 7 6. 单元电路的设计 8 6.1 密码验证模块 8 6.2 计时模块 10 6.3 锁定输出 11 6.4 逻辑组合模块 12 7. 组装和调试 13 8. 测试数据 14 9. 总结 16 10. 致谢 17 附录一 总电路图 18 附录二 元器件清单 19 附录三 仿真结果 20 3.1 密码输入正确 20 3.2 密码输入错误 20 附录四 实物作品 21 参考文献 21 摘要 本次课程设计的题目是电子密码校验设计，由输入密码、设定密码、寄存电路、比较电路、显示电路、修改密码等模块组成。 该电子密码锁利用数字逻辑电路，实现对锁的电子控制，突破了传统的机械锁的单一性、保密性低、易撬性的缺点，数字电子密码锁具有保密性高、使用灵活性好、安全系数高的优点。 主要工作部分是将输入密码与正确密码进行比较，密码正确时绿色发光二极管亮，密码错误则红色发光二极管亮。输入电路将6位密码并行输入，密码是否相等利用与非门将输入的密码和预定密码进行比较，当相等时便触发绿色发光二极管，不相等则作用到红色发光二极管和蜂鸣器。 1. 设计目的 本课程为电子、通信类专业的独立实践课，该课程设计建立在电路基础、低频与高频电子线路等课程的基础上，主要让学生加深对电子线路理论知识的掌握，使学生能把所学的知识系统地、高效地贯穿到实践中来，避免理论与实践的脱离，同时提高学生的动手能力，并在实践中不断完善理论基础知识，有助于培养学生综合能力。 2. 设计要求 1) 要求电子器件设计制作密码锁的控制电路，使之在输入正确的代码时，输出信号以启动执行机构动作，并且用红、绿LED指示关锁、开锁状态。 2) 密码锁控制器中存储一个4位代码，当开锁按钮开关设置9位，其中只有4位有效）的输入代码等于存储代码时启动开锁控制电路，并且用绿灯亮、红灯灭表示开锁状态。 3) 从第一个按钮触动后的5秒内若未能将锁打开，则电路自动复位并由扬声器发出20秒的报警信号，同时用绿灯灭、红灯亮表示关锁状态。 4) 要求性能可靠、操作简便。 5) 密码锁控制器中存储的4位密码可以修改。 3. 方案选择 3.1 第一方案 555集成电路构成的密码锁电路 图 3-1 555时基集成电路组成的电子密码锁电路 方案一电路原理较简单，当且仅当所有的K1开关单开、K0开关闭合时，电路才会执行开锁命令。 这个电子密码锁是“密码”安排在钥匙和锁孔中，只有两者的“密码”一致才能开锁。555的各主要功能（控制）引脚均用“密码”开关才能连接到适当的位置（地线或电源正端）。所有标有K0的开关是正确开锁时应当连通的开关，所有标有K1的开关是正确开锁时不能连通的开关。这样，只有所有的K0连通，555第3脚才会输出高电平，双向可控硅3061才导通使继电器吸动，完成开锁动作。否则，555第3脚不会有高电平输出，无法开锁。此方案相对简单，灵活度低，需要制作相应的钥匙和锁孔，要求机械程度比较高。 3.2 第二方案 基于74LS138译码器的电子密码锁设计 用74LS138译码器为密码设定电路和修改电路，这方案可以便捷地设定密码和修改密码，但密码的输入要用到6个控制开关且密码输入不分顺序。 3.3 第三方案 基于8D锁存器74LS373的锁存密码电路 此方案采用两个8D锁存器74LS373用于存储密码和接收输入信号，两者进入比较器进行比较。共设有八个用户输入键，74LS373为密码存储器件。先将74LS373的C和OC端置低电平，使其处于送数状态。当输入密码后将OC置于高电位，则锁存器将密码信号锁存，然后按键复位。当下次开锁时只有在规定时间内，规定次数内输入密码才会发出开锁信号，否则不能开锁。并且，当时间或输入次数到达一定值后，电路会自锁一段时间，并发出警报声。警报结束后，电路回复原状，计时及计数归零，直至下一次开锁动作。 第一部分是密码输入部分，由八个开关构成，密码输入共有28=255种输入方式（注：从0000--1111 共256种组合），但能正确开锁的输入方式只有1种，安全性较高。 第二部分是由74LS373组成的密码锁存电路，通过控制74LS373的芯片管脚特性来控制芯片的工作状态。 第三部分是由74LS85组成的比较器（或者是同或门组成的比较电路），来比较输入信号与寄存密码的相等与否。 第四部分是有二极管构成的开锁信号电路，黄灯处于待开状态，绿灯表示开锁正确，红灯及警报声表示开锁错误或者是锁存状态。 第五部分是计时及计数部分，计时表示从准备开锁到开锁完成所规定的时间，以及锁存时期的锁存时间，计数记录的是误操作的次数。 考虑到复杂程度、密码锁的精确性和器材配置，我们最终决定选择第二方案。 4. 流程框图 密码验证模块 计时模块 开锁信号 报警信号 密码输入 确定输入 逻 辑 组 合 模 块 修改密码 锁住输入 5. 原理电路图 6. 单元电路的设计 6.1 密码验证模块 此模块主要是用输入键盘和74LS138实现，74LS138为3线-8线译码器,它的真值表如表6-1. 表6-1 74LS138真值表 输入 输出 S1 S2+S3 A2 A1 A0 Y0 Y1 Y2 Y3 Y4 Y5 Y6 Y7 0 X X X X 1 1 1 1 1 1 1 1 X 1 X X X 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 0 0 1 0 1 1 0 1 1 1 1 1 1 0 0 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 0 1 0 0 1 1 1 1 0 1 1 1 1 0 1 0 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 0 1 1 0 1 1 1 1 1 1 0 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 由表6-1可知每个输出端为0时都有唯一的输入码，所以可以把S1 S2 S3 A2 A1 A0作为密码输入端，与输入键盘相连,共有26=64种输入情况。Y0—Y7只需要选择其中一端作为密码验证信号输出就行了。有8个选择，也就是修改密码时，只有8个不同的固定密码可以选。电路连接图如图6-1. 图6-1密码验证模块电路图 原理：预置密码是6位二进制密码（高低电平控制），按下键为1，未按键为0，平时（输入端）均处于0状态。 电路用6个开关按键SW1-6输入6位密码，输入到译码器74ls138会依此把密码记入电路， 密码和密码选择端对应表如表6-2 密码设定端的连接 密码 Y0 100000 Y1 100001 Y2 100010 Y3 100011 Y4 100100 Y5 100101 Y6 100110 Y7 100111 表6-2 密码和密码选择端对应表 6.2 计时模块 此模块选用555电路单稳态的一种变形。如图6-2. 按下确定开关将在时基电路输出端OUT（第3引脚）产生高电平，经延时Tx后，输出端OUT将保持低电平不变。(Tx≈1.1R1C1) 工作原理：该模块为由555定时器构成的延时器。 参数计算：T1 =(R1 +R2)Cln2 、T2 =R2Cln2，电路的振荡周期为T=(R1 +2R2)Cln2。 6.3 锁定输出 此模块用的是D触发器74LS175.其电路连接如图6-3 图6-3 D触发器74LS175 来自 74HC138 A A 来自555 该模块是把密码验证模块送来的验证结果存住。 在按下确定键时，555电路3脚产生的上升沿使触发器如表6-3做出反应。 . 表6-3 555定时器功能表 6.4 逻辑组合模块 此模块的两个输入端是接锁定模块的输出端A和计时模块的输出端B。两个输出端分别接开锁指示灯S和报警指示灯J。它们的真值表如表4-1。 A B D1 D2 0 0 1 1 0 1 0 1 1 0 1 1 1 1 1 0 表6-4 真值表 所以S = A B J=A B 由此可以选用74LS00实现该模块的逻辑功能A的非直接用74LS175的3引脚输出。其连接图如图6-4. 图6-4逻辑组合模块电路连接图 原理：从四位比较器中传来密码校验的信号，若传来是密码错误则从U1:A的第1管脚中输入信号为0（若密码正确为1）。使U1:A管脚3输出低电平，此时光报警信号红灯D2亮，蜂鸣器ls1发出声音报警信号。 7. 组装和调试 设计该电路的最初方案是用51单片机实现，其优点是硬件电路简单，功能拓展方便。但该课程设计的要求是电路主要选用逻辑电路，所以放弃最初方案。 密码验证模块的最初设计方案是用逻辑门电路实现，但其缺点是电路连接复杂。还有一种普遍的方案是用数据比较器74LS85，其优点是可以设置16种密码但只用一片的话只有4位密码输入。而使用译码器74LS138可使电路连接简单得多，也可以有6位密码输入。 开始时设计存在一个缺点，就是在按确定键后到计时结束这段时间内键盘密码的输入是有效。即在第一次按错密码而警报响起时马上输入正确密码，则警报停，开锁信号灯亮。其波形图如图7-1.（S, J为低电平时才能点亮LED灯） B A S J t t t t 图7-1波形图 Tx 经过思索应该引进锁存器，翻阅资料后，发现D触发器74LS175可以解决该问题，于是增加了74LS175。但是问题又来了，就是给电路接入电源时，前22秒是会给555电路的C1充电，3引脚在这段时间是高电平，而74LS175输出的是低电平，有表5-4可知S亮，既锁会打开。为解决这个缺点，我们增加了一个二极管。 8. 测试数据 密码选择端选择Y7时，查表6-2可知道密码为100111。 测试的数据如下表8-1 表8-1 密码输入 信号灯 1 2 3 4 5 6 S J 0 0 0 0 0 0 暗 亮 0 0 0 0 0 1 暗 亮 0 0 0 0 1 0 暗 亮 0 0 0 0 1 1 暗 亮 0 0 0 1 0 0 暗 亮 0 0 0 1 0 1 暗 亮 0 0 0 1 1 0 暗 亮 0 0 0 1 1 1 暗 亮 0 0 1 0 0 0 暗 亮 0 0 1 0 0 1 暗 亮 0 0 1 0 1 0 暗 亮 0 0 1 0 1 1 暗 亮 0 0 1 1 0 0 暗 亮 0 0 1 1 0 1 暗 亮 0 0 1 1 1 0 暗 亮 0 0 1 1 1 1 暗 亮 0 1 0 0 0 0 暗 亮 0 1 0 0 0 1 暗 亮 0 1 0 0 1 0 暗 亮 0 1 0 0 1 1 暗 亮 0 1 0 1 0 0 暗 亮 0 1 0 1 0 1 暗 亮 0 1 0 1 1 0 暗 亮 0 1 0 1 1 1 暗 亮 0 1 1 0 0 0 暗 亮 0 1 1 0 0 1 暗 亮 0 1 1 0 1 0 暗 亮 0 1 1 0 1 1 暗 亮 0 1 1 1 0 0 暗 亮 0 1 1 1 0 1 暗 亮 0 1 1 1 1 0 暗 亮 0 1 1 1 1 1 暗 亮 1 0 0 0 0 0 暗 亮 1 0 0 0 0 1 暗 亮 1 0 0 0 1 0 暗 亮 1 0 0 0 1 1 暗 亮 1 0 0 1 0 0 暗 亮 1 0 0 1 0 1 暗 亮 1 0 0 1 1 0 暗 亮 1 0 0 1 1 1 亮 暗 1 0 1 0 0 0 暗 亮 1 0 1 0 0 1 暗 亮 1 0 1 0 1 0 暗 亮 1 0 1 0 1 1 暗 亮 1 0 1 1 0 0 暗 亮 1 0 1 1 0 1 暗 亮 1 0 1 1 1 0 暗 亮 1 0 1 1 1 1 暗 亮 1 1 0 0 0 0 暗 亮 1 1 0 0 0 1 暗 亮 1 1 0 0 1 0 暗 亮 1 1 0 0 1 1 暗 亮 1 1 0 1 0 0 暗 亮 1 1 0 1 0 1 暗 亮 1 1 0 1 1 0 暗 亮 1 1 0 1 1 1 暗 亮 1 1 1 0 0 0 暗 亮 1 1 1 0 0 1 暗 亮 1 1 1 0 1 0 暗 亮 1 1 1 0 1 1 暗 亮 1 1 1 1 0 0 暗 亮 1 1 1 1 0 1 暗 亮 1 1 1 1 1 0 暗 亮 9. 总结 在本次课程设计过程中，我们认为自己在收获知识的同时，还收获了阅历，收获了成熟，在此过程中，我们通过查找大量资料，请教老师，以及不懈的努力，不仅培养了独立思考、动手操作的能力，在各种其它能力上也都有了提高。更重要的是，解决困难的过程中，与同学分工设计，和同学们相互探讨，相互学习，相互监督。学会了合作，学会了运筹帷幄，学会了宽容，学会了理解，也学会了做人与处世。而这是日后最实用的，真的是受益匪浅。要面对社会的挑战，只有不断的学习、实践，再学习、再实践。 课程设计是我们专业课程知识综合应用的实践训练，着是我们迈向社会，从事职业工作前一个必不少的过程．”千里之行始于足下”，通过这次课程设计，我们深深体会到这句千古名言的真正含义。我们今天认真的进行课程设计，学会脚踏实地迈开这一步，就是为明天能稳健地在社会大潮中奔跑打下坚实的基础。 对于课程设计来说，正确的思路是很重要的，只有你的设计思路是正确的，那你的设计才有可能成功。因此，我们在设计前必须做好充分的准备，认真查找详细的资料，为我们设计的成功打下坚实的基础。 之所谓，用大脑去控制行动，才能做到事半功倍，以最有效率的方式达到我们的目的。 在这次课程设计过程中，我们遇到了很多问题。很多逻辑上正确，仿真模拟成功的电路在实际过程中却很难达到很好的效果。比如电路中错误计数不能实现，出现不稳定跳动的问题，在仿真过程中就不会出现实际电路中容易出现的各种扰动，那么在实际电路连接的过程中出现了这种问题，就要求我们具有分析问题，利用所学知识解决问题的能力，在存在问题的情况下利用所学知识去减少误差，规避错误。还比如在解决显示初始化不稳定或者是计数电路不能够正常按要求计数等问题，在我们的思考和分析下，最终找到了解决办法，非常好的解决了问题，达到了预期效果。这种感觉让我们感到很欣慰，让我们觉得非常有成就感，也培养了我们这种发现问题，分析问题，解决困难的精神，这对我们在以后的学习生活中有着很大的帮助。 10. 致谢 本课题在选题及进行过程中得到张晓东院长的悉心指导。课程设计过程中，张院长帮助我们分析思路，开拓视角，张院长严谨求实的治学态度，踏实坚韧的工作精神，将使我们终生受益。再多华丽的言语也显苍白。在此，谨向张院长致以诚挚的谢意和崇高的敬意。 附录一 总电路图 附录二 元器件清单 名称 型号 数量 四/2输入端与非门 74LS00 1块 译码器 74LS138 1块 555 555 2块 同步D触发器 74LS175 1块 发光二极管 2个 插针 1排 芯片插槽 DIP14 1个 芯片插槽 DIP16 3个 芯片插槽 DIP8 2个 万用板 9cm*15cm 1块 电阻 2M 2个 电阻 470 1个 电容 10uf 1个 电容 103(0.01uf) 1个 蜂鸣器 1个 按钮 1个 拨动开关 单刀双掷 7个 二极管 2个 四输入端与非门 74LS08 1块 附表 元器件清单 附录三 仿真结果 3.1 密码输入正确 附图3-1密码输入正确的仿真结果 3.2 密码输入错误 附图3-2密码输入错误的仿真结果 附录四 实物作品 参考文献 l 康华光.数字电子技术基础（第五版）.高等教育出版社.2006 l 叶桂娟.555时基电路原理、设计与应用.电子工业出版社.2007 l 编写组.实用电子电路手册. 北京：高等教育出版社,2010