电子密码锁设计实验报告
摘要：
密码锁又称电子锁，它的主要功能是：1）用数字方式输入开锁密码，输入密码正确时开锁；2）如果密码有误或者输入时间过长，则发出报警信号。
目录：
第一章、系统结构与技术指标
1.1系统功能结构························································· 1.2性能和电气指标·······················································1.3设计条件·····························································
第二章、整体方案设计
2.1密码设定·····························································2.2密码判断·····························································2.3密码录入和判断结果显示··············································· 2.4系统工作原理框面·····················································
第三章、单元电路设计
3.1按键录入和编码电路··················································· 3.2地址记录和存储电路··················································· 3.3密码锁存和比较电路··················································· 3.4判决与结果显示电路··················································· 3.5时钟································································· 3.6整机电路图··························································· 3.7元件清单·····························································
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3 3 4
4 5 5 5 6 8 8 10 10 12 13
第四章、电路测试
4.1单元电路测试·························································· 17
4.2整体指标测试·························································· 18
4.3测试结果······························································ 18
第五章、总结
5.1设计任务完成情况······················································
5.2问题及改进····························································
5.3心得体会······························································
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第一章、系统结构与技术指标
1.1系统功能结构
密码锁：用数字键方式输入开锁密码，输入密码时开锁；如果输入密码有误或者输入时间过长，则发出警报。
密码锁的系统结构框图如下图 1-1 所示，其中数字键盘用于输入密码，密码锁用于判断密码的正误，也可用于修改密码。开锁绿亮表示输入密码正确并开锁，报警红亮表示密码有误或者输入时间超时。
图1-1 密码锁系统结构框图
1.2性能和电气指标
1.2.1 开锁密码为8位十进制数字，由按键输入，按“确认”键后，输入的数字有效。
1.2.2 输入的8位数字与预设的密码相同时开锁，用绿灯亮，红灯灭表示。数据有误时或输入的密码时间过长即报警，红灯亮。 3
1.2.3 密码可以通过键盘设定或修改。
1.2.4 输入的数字间隔时间小于或等于15s。超过时限则报警，同时电子锁复位。 1.2.5 具有手动、自动复位功能。
1.2.6在不采用RAM和E2PROM的情况下完成设计（可增加标准数字器件）。 1.2.7不采用E2PROM时，设定修改密码的方法不限。 1.3设计条件
1.3.1 电源条件：稳压电源提供+5V电压。 1.3.2 可供选择的元器件如表1-1所示
表1-1 器件单
门电路、电阻、电容以及发光二极管自定。
第二章、整体方案设计
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2.1密码设定
用编程器在ROM中起始的8个单元写入原始密码：01,0A,0A,0A,01,08,03,04
2.2密码判断
经过7485，只能比较密码的1位，使用移存器就能将比较结果先储存，经过8个脉冲周期后同时输出。为节约GAL16V8的I/O口，可使用一片7485，先将5位比较结果处理，剩下的三位接到GAL，再比较。在密码全部输入后，要按下“确认”键，则GAL判断密码是否正确。
数据经7485等后，数据到达74164时，数据有一定的延时。假如74164的时钟=CP，当第一的CP到来时，第一位的比较结果还没从7485出来，即第一位锁进的不是第一位的比较结果。所以，锁存的时钟应比CP慢，可以定义CP2=！CP，此时，CP2比CP的上升沿晚的时间就是手按键的时间。从而保证锁存8次后输出的就是8位的比较结果。
2.3密码录入和判断结果显示
1）用数字方式输入开锁密码，输入密码正确时开锁；2）如果密码有误或者输入时间过长，则发出报警信号。
2.4系统工作原理框面
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图2.4 密码锁的工作原理框图
由以上框图可知，当按下数字键0、1、2、3、4、5、6、7、8、9后，编码器逐一进行十—二进制编码，此时产生按键信号。按键信号经计数器，产生存储器的地址信号。解锁时，存储器中相应的数据输出与输入的密码经比较器比较后，将结果存入移存器。8位的比较结果送到GAL，判决是否正确，并开锁或报警。设定密码时，每输入一位，计数器加一，则可依次修改。
第三章、单元电路设计
3.1按键录入和编码
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电路由于键盘有0~9，而ROM中数据以十进制存储，则要将案件进行10进制到2进制的转换。使用可编程逻辑器件GALl16V8,电路非常简单，连线少，比较实用。 将按键编号和输出四位二进制码相对应，列出真值表（表3-1）。
表 3-1 按键编码真值表
根据真值表，用CUPL语言写出逻辑关系： OUT1=KEY1+KEY9+KEY11+KEY12 OUT2=KEY5+KEY6+KEY7+KEY8+KEY12 OUT3=KEY1+KEY3+KEY4+KEY7+KEY8+KEY12 OUT4=KEY2+KEY4+KEY6+KEY8+KEY11+KEY12 电路设计：
每个键按下，产生一个高电平脉冲，并把按下的数字键译码输出：
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为保护电路，接入排阻(图中略)。
3.2地址记录和存储电路
密码存储在EEPROM中，28C64共有8K*8的存储容量。而本次密码锁需要的存储空间仅需8位*4b。其实是一个巨大的浪费。28C64有13根地址线（A0~A12）和8根数据线（D0~D7），为操作方便，将A3~A12、D4~D7全部置零。则数据存储在前8个单元。地址线与74161的输出相连。数据线从GAL的译码输出读出数据。
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图3-2 28C64连接图
3.3密码锁存和比较电路
由于CP信号对于按键稍有延迟，如将按键的译码与从ROM中取出的数据进行比较，则会出错，所以在比较器之前加一级锁存器，在时钟CP的控制下，此时才能实现输入密码与原有密码的对应位同时到达比较器。电路如下：
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图3-3 密码比较
重要时序分析：
密码锁从清零开始工作：当按下第一位密码时，按键的译码立即输出，CP滞后输出，在CP的上升沿，74374锁存器开始工作，锁入数据，此时送到锁存器口数据是键盘输入的译码和ROM地址0000（B）的数据，并不是地址0001的数据。所以在ROM中存入数据从地址0开始。 时序如下图所示：
图3-4-2 锁存时序图
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3.4判决与结果显示电路
经过7485，只能比较密码的1位，使用移存器就能将比较结果先储存，经过8个脉冲周期后同时输出。为节约GAL16V8的I/O口，可使用一片7485，先将5位比较结果处理，剩下的三位接到GAL，再比较。在密码全部输入后，要按下“确认”键，则GAL判断密码是否正确。
数据经7485等后，数据到达74164时，数据有一定的延时。假如74164的时钟=CP，当第一的CP到来时，第一位的比较结果还没从7485出来，即第一位锁进的不是第一位的比较结果。所以，锁存的时钟应比CP慢，可以定义CP2=！CP，此时，CP2比CP的上升沿晚的时间就是手按键的时间。从而保证锁存8次后输出的就是8位的比较结果。
图3-4 8位密码比较结果处理
输入的8位数字与预设的密码相同时开锁，用绿灯亮，红灯灭表示。数据有误时或输入的密码时间过长即报警，红灯亮。
3.5时钟
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机械键盘在使用过程中会产生机械抖动，即会产生多个脉冲信号（有稍高频的毛刺），使输出的时钟不稳定，影响后级工作。可让CP触发输出，消除高频毛刺。由于密码通过机械开关输入，频率很低（因本次实验提供的开关不大方便操作，一般按键频率不大于1hz），则触发低频略高即可，取5~10hz即可。
用F555做定时器，设计电路如下：
图3-5 555定时电路
555定时器的频率表达式为：f=1.43/（(RA+2RB)*C）。
取RB=3K，RA=2K，C=220u,测试得f=7.1hz,能达到要求。
将clock接至G16V8的1脚，此时在每次键按下时都会产生一个脉冲，且消除了毛刺。 （注：GAL的一个函数表达式中或项不能超过7个，所以可写成CP.D=D0#A0#A2#A4#A6#A8,这样既满足条件，又节省了GAL的管脚资源。）
消抖效果图如图3-2-1所示：
CPIN为含毛刺的输入信号（因抖动，产生一些不正常的高频信号）
GAL的时钟为CLOCK，为1~10hz
CPIN.D为消抖输出
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从图中看出，在D触发输出后，毛刺被有效去除了。
图3-5-1消抖效果图
3.6整机电路图
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3.7元件清单
本设计除了老师建议的一些芯片，我还使用了少量其他数字芯片，完成了要求外的一些指标，使用的芯片如下：
表3-7所用元件清单
电容、电阻、发光二极管、导线若干，面包板一块。
程序清单
设计中使用2片GAL16V8，第一片主要用于译码，第二片主要用于控制。
1． 第一片GAL
功能：键盘解码，产生时序电路需要的CP及CP2
Name PLDDesign ;
Partno ;
Revision 1 ;
Date 2012-11-29 ;
14
Designer ;
Company Protel International ;
Assembly ;
Location ;
Device ;
Format ;
/*********************************************************************/ /* This PLD design (Revision 1) created on 2012-11-29 */ /* for Protel International */ /* and is stored as PLDDesign */ /*********************************************************************/ PIN[1,11]=[CLK,OE];
/** Inputs **/
Pin [2,3,4,5,6,7,8,9,12,13] = [A0,A1,A2,A3,A4,A5,A6,A7,A8,A9] ;
/** Outputs **/
PIN[19,18,17,16]=[D3,D2,D1,D0];
PIN[14,15]=[CP2,CP];
/** D3 D2 D1 D0 OUTPUT KEYCODE,CP OUTPUT CLOCK,F NO USE ***/ D3=A0#A8#A9;
D2=A4#A5#A6#A7;
D1=A0#A2#A3#A6#A7;
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D0=A1#A3#A5#A7#A9;
CP.D=D0#A0#A2#A4#A6#A8;
CP2=!CP;
/*******END********/
2． 第二片GAL
功能：处理密码比较结果、延时判断处理、控制28C64的读写操作、开锁和报警输出、电路复位
Name PLDDesign ;
Partno ;
Revision 1 ;
Date 2012-11-29 ;
Designer ;
Company Protel International ;
Assembly ;
Location ;
Device ;
Format ;
/*********************************************************************/ /* This PLD design (Revision 1) created on 2012-11-29 */
/* for Protel International */
/* and is stored as PLDDesign */
16
/*********************************************************************/
/** Inputs **/
Pin 1 = Input_1 ;
Pin 2 = Input_2 ;
Pin 3 = Input_3 ;
Pin 4 = Input_4 ;
Pin 5 = Input_5 ;
Pin 6 = Input_6 ;
Pin 7 = Input_7 ;
Pin 8 = Input_8 ;
Pin 9 = Input_9 ;
Pin 10 = Input_10 ;
Pin 11 = Input_11 ;
/** Outputs **/
Pin 12 = Output_12;
Pin 13 = Output_13;
Pin 14 = Output_14;
Pin 15 = Output_15;
/** Declarations and Intermediate Variables **/
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/** Logic Equations **/
第四章、电路测试
4.1单元电路测试
1. 10进制数字输入
测试：先复位，将数字键推上，用示波器检测第一片GAL的19~16脚，按住数字键“0”，检测到OUT1OUT2OUT3OUT4=0101,则译码正确，以此类推，输入0~9，GAL输出全部测试正确。
2. CP脉冲
测试：将CP接到示波器一个通道观察，在有键按下时，观察到脉冲。且看到七段数码管得数字加1，则计数与显示部分没有问题。
3. 密码比较
用编程器在ROM中起始的8个单元写入原始密码：
01, 0A, 0A, 0A, 01, 08，03，04
测试：
1. 复位后，依次输入正确密码（10001834），用示波器观察第一片7485的第6脚，若全为高，则正确，8位密码输入完毕后，测试74164的移存输出脚，若全为1，则正确。
2. 输入错误密码10001833，7485在输入错误密码后，输出为0，且8位输入完毕后， 18
74164的输出管脚中，第三脚为0，其余为1。则电路没有问题。
4. 延时判断
测试：
1. 用示波器观察74123的输出管脚第13脚，复位时，输出为0，当有键按下，输出跳变为1，并保持。15秒内无键按下，则输出跳变为0，在15秒内有键按下，则输出一直保持高电平,且延时电路没有问题。
4.2整体指标测试
1. 按下“复位”键，看到数码管立即显示为0，用示波器测试74161、74164、74123的输出端全为低电平。说明手动复位功能正常。
2. 输入正确密码10001834后，按下“ENT”，看到绿灯亮。输入错误密码10001833后，按下“ENT”，看到红灯亮。
说明密码判断正确，且自动复位功能正常。
3. 复位后，按下第一位密码0，不再按任何键，15秒后，红灯亮。说明延时判断正确，并能报警，且能自动复位（程序CLR.D=!(RS#ENT#FAL)）。
4.3测试结果
输入正确密码10001834后，按下“ENT”，看到绿灯亮。输入错误密码10001833货其他非正确密码后，按下“ENT”，看到红灯亮。
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第五章、总结
5.1设计任务完成情况
几大指标：10进制开关输入
密码正确输入时开锁，绿灯亮；错误时红灯亮。
输入数字间隔小于15S时红灯亮
全部完成，且界面友好。
5.2问题及改进
问题1：测试时74123输出不稳定，时有跳变
原因：电源杂波较大，对电路的正常工作有较大干扰
改进：在74123的电源和地之间并接一个较大的电解电容（220u）。
注：用示波器观察电源电压，能明显看到很严重的杂波，则会引起数字电路工作异常，就会出现意想不到的错误，因此，为提高电路的稳定性和可靠性，在电路的电容和地之间应多加电容进行滤波。
问题2：机械式开关开关时会有抖动
改进：在开关处加入简易消抖动电路，电路如下
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5.3心得体会
电工电子知识的学习离不开实验，实验能启发我们的思维，展现我们的个性，调动我们积极性，培养我们的动手能力和创造能力。 在得知我们有实验前，我就有些好奇，我们在实验课上会做些什么呢，会用到哪些实验器材呀，又将会有什么收获呢等一串串疑问不停地在我脑海里回荡。第一次接触电工电子实验，我对其有了一些了解，也在做了第一个试验后，我发现它似乎与我有了不解之缘，让我对其产生浓厚的兴趣。
“兴趣是最好的老师”，也是兴趣让我学会了好多好多的知识。 电路与电工实验属于基础性试验，主要是对其基本理论的验证，让我们学生通过基础性试验掌握基本的实验方法与实验技能，并具备观察现象的能力，未进行设计性、综合性实验打下基础。身为工科类学子，我们每个人都知道，无论做什么实验，参加试验者应该对实验内容进行预习，要明确实验目的要求，以避免盲目性。对于这几个实验，我们应严以律己，对自己要求要高，需提前掌握有关电路的基本原理，拟出试验方法和步骤，设计实验表格，对思考题做出解答，初步估算实验结果（包括参数和波形），做出预习报告。 预习报告，这个东西，是实验不可缺少的，他包括以下几个步骤：（1）实验目的 （2）实验设备 （3）实验原理 （4）实验内容 （5）注意事项 （6）实验报告。俗话说，“未来之事先有预兆”，想做好实验也得要预习呀！
一个小的实验就这么大的挑战，可知我们要想有能力解决大问题还得继续学习和不断努力！！
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