1、武汉理工大学简易数码锁设计课程设计说明书1学 号： 课 程 设 计题 目 简易数码锁设计学 院 自动化学院专 业 自动化班 级姓 名指导教师 李波 邓坚2013 年 7 月 3 日武汉理工大学简易数码锁设计课程设计说明书2课程设计任务书学生姓名： 专业班级： 指导教师： 李波 邓坚 工作单位： 自动化学院 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 5 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
2、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 5 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： 2013 年 6 月 23 日系主任（或责任教师）签名： 2013 年 6 月 23 日武
3、汉理工大学简易数码锁设计课程设计说明书3目 录引言 1 设计意义及要求 41.1 设计意义 41.2 设计要求 42 方案设计 42.1 设计思路 42.2 方案设计 62.2.1 设计方案一 电路图 62.2.2 设计方案二 电路图 简单说明 .82.3 方案比较 .103 部分电路设计 .103.1 密码输入和编码电路 .103.2 密码移位寄存电路 .113.3 密码比较电路 .123.4 开锁电路 123.5 复位电路 .134 调试与检测 134.1 调试中故障及解决办法 144.2 调试与运行结果 145 仿真操作步骤及使用说明 14结束语 .14参考文献 .16附录 电路图 17
4、本科生课程设计成绩评定表武汉理工大学简易数码锁设计课程设计说明书4引言随着科技的进步和人们生活水平的提高，电子电器飞速发展，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。传统的机械由于其结构的简单，被撬的事件屡见不鲜。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。本次密码锁的个人方案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 数值比较器以及门电路构成数字逻辑控制电路，输出用LED 灯来实现密
5、码锁的功能。1 设计意义及要求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 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.采用数字按键输入，数码为 6 位或 5 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
6、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 5 位输入数码，若与本锁规定数码相符则使执行机构动作；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 1-9 代表的十进制数码在数字电路中必武汉理工大学简易数码锁设计课程设计说明书5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，考虑用五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五个密码所对应的二进制码，实现后 5 位有效。因此第二模块是密码移位寄
7、存电路。要比较最后输入的 5 位数码是否正确，可以用五个数值比较器分别接收移位寄存器中存储的数据，再将五个比较器的 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，当按下复位键后，将对电路进行清零，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。初始开机或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 5 位有效。当密
8、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 比较密码开锁正 确不开锁错 误武汉理工大学简易数码锁设计课程设计说明书6图 2-1 设计思路框图2.2 方案设计设计方案一为个人方案，设计方案二为小组方案。2.2.1 设计方案一该电路共有 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。该电路是五片 4035 四
9、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 分别与五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
10、码一一对应的寄存数据右向移动。五片寄存器只能存储五个四位二进制数，若现存的 5 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5 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，当按下复位键，各移位寄存器的清零端得到有效的高电平信号进行清零。武汉理工大学简易数码锁设计课程设计说明书7武汉理工大学简易数码锁设计课程设计说明书82.2.2 设计方案二本方案是采用微处理器 STC89C52 为核心的单片机控制方案。利用单片机灵活的编程设计和丰富的 IO 端口，及其控制的准确性，不但能实现基本的密码锁功能，还能添加显示、修改密
11、码、密码连续多次错误报警等功能，大大提高了设计的实用性。首先，电路的第一个模块就是输入模块，由单片机不间断的扫描 I/O 口，根据相应的I/O 口电平变化，可检测出被按下的键是在哪一行哪一列，即能够检测出是哪个按键按下，然后给予被按下的按键相应的功能就可实现将相应功能反馈带单片机让其完成相应操作。然后另外一个重要模块就是显示模块，采用的是 1602 液晶显示，可以有相应的输入输出提示，使得本设计更加人性化，增强了人机操作的友好性，同时在安全方面增加了多次错误输入密码报警功能，并且每次都会延时五分钟才能进入下次密码输入操作，该延时功能启用了 51 单片机内部中断，定时较准确。在以上基础上，还添加
12、了密码修改功能，在正确输入原始密码的前提下，才允许对原有密码进行修改，在按下复位键后，程序又会从头开始运行，循环往复进行上述操作，这就是方案二的基本构想。实现该构想的电路图如下所示：武汉理工大学简易数码锁设计课程设计说明书9武汉理工大学简易数码锁设计课程设计说明书102.3 方案比较两种方案所采用的知识完全不同。第一种方案密码设置是 1-9 九个数字，能够完成电路功能，是基本的模电数电电路；第二种方案是采用微处理器 STC89C52 为核心的单片机控制方案，还具有显示、修改密码、密码连续多次错误报警等功能，大大提高了设计的实用性。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
13、 部分电路设计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 个编码输出端，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。图 3-1 密码输入电路四位二进制编码输出武汉理工大学简易数码锁设计课程设计说明书113.2 密码移位寄存电路密码移位寄存电路图如图 3-2 所示。五个移位寄存器在某个时刻总是存储 5 个四位二进制数，因此其主要功能是将存储的数据
14、进行移位，并实现后 5 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/Error!是并行串行控制端，接高电平时并行移位。T/Error!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，使寄存器触发进行并行移位操作。也就是说，每输入一个十
15、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。图 3-2 密码移位寄存电路武汉理工大学简易数码锁设计课程设计说明书123.3 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0101、1101、0011、1011、0111。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 12345。将五个移位寄存器的输出端 Q0-Q3 分别接到五个数值比较器的 B0-B3 输入端,就可将某个时刻的输入密码与正确
16、密码进行比较。当密码完全相符时，五个数值比较器的 Q(AB)端就会全 1 输出。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武汉理工大学简易数码锁设计课程设计说明书131，开锁信号灯才亮，开锁。参考文献图 3-4 开锁电路3.5 复位电路复位电路如图 3-5 所示。当按复位键时，寄存器的清零端会得到高电平清零信号，对电路清零。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 proteus 仿真软件仿真之后，出现
17、了许多问题，通过不断调密码比较结果开锁信号接寄存器清零端武汉理工大学简易数码锁设计课程设计说明书14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 调试中故障及解决办法对方案一进行仿真时，遇到的问题及解决方法为：1、仿真时，电路未经任何操作，指示灯一直处于发亮状态。观察后发现 LED 灯相连的是 74LS00，是与非门，修改电路元件，将其换成 74LS08 与门。2、修改完与非门后，当输入正确的密码并且按下确认键后，指示灯却没有亮。仿真时，观察电路个部分的电平信号，发现 4035 移位寄存器是右向移位，即若密码为12345，则从左到右作比较的值应为 54
18、321。修改 74LS85 数值比较器的 A0-A3，使其从左到右依次是 0101、1101、0011、1011、0111。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，通关查找资料和调试分析发现，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。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 12345 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 6567812345 并按下确认键时，开锁信号灯闪亮，开锁；当输入密
19、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五位功能。5 仿真操作步骤及使用说明方案一：1-9 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”键复位（灯不亮） ，进入密码输入状态，正确密码是 12345。输入密码后按确认键确认最后五位，当输入正确开锁信号时灯闪亮；输入错误时不提示，灯不亮，返回密码输入状态。结束语武汉理工大学简易数码锁设计课程设计说明书15本学期的电子电工综合课程设计即将进入尾声，虽然时间并不长，但是我感受颇多。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
20、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
21、，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
22、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。武汉理工大学简易数码锁设计课程设计说明书16参考文献1 康华光.电子技术基础-数字部分（第五版） ，高等教育出版，2006.12 祁存荣，陈伟.电子技术基础实验（数字部分） 武汉理工大学教材中心3 高吉祥. 电子技术基础实验与课程设计. 电子工业出版社，4 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，5 周惠朝.常用电子元件及典型应用.电子工业出版社，20056 刘修文主编.实用电子电路设计制作 300 例.中国电力出版社
23、，2005武汉理工大学简易数码锁设计课程设计说明书17附录一 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附图 3 74LS147 逻辑引脚图附表 1 74LS147 功能表输 入 输出1 2 3 4 5 6 7 8 9 D C B AH H H H H H H H H H H H H L L H H L L H L H H H L H H H L L L L H H H H L L H L H H H H H L H L L H H H H H H L H H L H H H H H H H H L L L H H H H H H H H H L HL H H H
24、H H H H H H H H L16 15 14 13 12 11 10 91 2 3 4 5 6 7 8VCC NC 3_YI2_1I_0YGND4_I56_I78_I21_74LS147武汉理工大学简易数码锁设计课程设计说明书18附 2.2 4035 芯片的引脚图和功能表附图 4 4035 芯片的引脚图和功能表附表 2 4035 芯片功能表输出输 入T/Error!H T/Error!LCP CR J Error!P/Error!D0 D1 D2 D3 Q0 Q1 Q2 Q3 Q0 Q1 Q2 Q3 L L L L L Q0 Q1 Q2 H Q0 Q1 Q2 L L H L Q0 Q0
25、Q1 Q2 Q0 Q0 Q1 Q2 L H L L Error!0Q0 Q1 Q2Error!0Q0 Q1 Q2 L H H L H Q0 Q1 Q2 L Q0 Q1 Q2 L L Q0 Q1 Q2 Q3 Q0 Q1 Q2 Q3 H L L L L H H H H L H D0 D1 D2 D3 D0 D1 D2 D3Error!0Error!1Error!2Error!316 15 14 13 12 11 10 91 2 3 4 5 6 7 8VDD Q1 Q2 Q3 D3 D2 D1 D0Q0 T/Error! Error! J CR CP P/Error! VSS4035武汉理工大学简易
26、数码锁设计课程设计说明书19附 2.3 74LS85 数值比较器的逻辑引脚图和功能表附图 5 74LS85 逻辑引脚图附表 3 74LS85 功能表输 入 输 出A3、B3 A2、B2 A1、B1 A0、B0 IAB IAB IAB FAB FAB FABA3B3 L H LA3B3 L L HA3B3 A2B2 L H LA3B3 A2B2 L L HA3B3 A2B2 A1B1 L H LA3B3 A2B2 A2B2 L L HA3B3 A2B2 A1B1 A0B0 L H LA3B3 A2B2 A1B1 A0B0 L L H1 2 3 4 5 6 7 816 15 14 13 12 11
27、 10 9VCC A3 B2 A2 A1 B1 A0 B0B3 AB AB AB AB AB AB GND74LS85武汉理工大学简易数码锁设计课程设计说明书20A3B3 A2B2 A1B1 A0B0 H H L LA3B3 A2B2 A1B1 A0B0 L H L L H LA3B3 A2B2 A1B1 A0B0 L L H L L HA3B3 A2B2 A1B1 A0B0 L H H L L LA3B3 A2B2 A1B1 A0B0 L L L L H H附录二 电路图附 2.2.1 方案一电路图武汉理工大学简易数码锁设计课程设计说明书21武汉理工大学简易数码锁设计课程设计说明书22附 2.2.2 方案二电路图武汉理工大学简易数码锁设计课程设计说明书23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： 2013 年 7 月 9 日
