密码锁设计报告
摘要：
本系统是由键盘和报警系统所组成的密码锁。系统完成键盘输入、开锁、超时报警、输入位数显示、错误密码报警、复位等数字密码锁的基本功能。
关键字：数字密码锁 GAL16V8 28C64 解锁与报警
目录：
一、 系统结构与技术指标
1、 系统功能要求 ……………………………………… 4
2、 性能和电气指标 …………………………………… 5
3、 设计条件 …………………………………………… 5
二、 整体方案设计
1、 密码设定 …… ……………………………………6
2、 密码判断 ………………………………………… 6
3、 密码录入和判断结果显示 ……………………………6
4、 系统工作原理框面 ……………………………………7
三、 单元电路设计
1、 键盘录入和编码电路图 ……………………………8
2、 地址计数和存储电路 ……………………………… 12
3、 密码锁存与比较电路 ………………………………… 12
4、 判决与结果显示电路 ……………………………… 14
5、 延时电路 …………………………… …………………15
6、 复位 ………………………………… ……………17
7、 整机电路图 ………………………………………… 19
8、元件清单 …………………………………………… 19 四、程序清单
1、 第一片GAL ………………………………………………21
2、 第二片GAL ………………………………………………23
五、测试与调整
1、 单元电路测试 …………………………………………25
2、 整体指标测试 ………………………………………26
3、 测试结果 ………………………………………………26
六、设计总结
1、 设计任务完成情况 ……………………………………27
2、 问题及改进 …………………………………………27
3、 心得体会 ………………………………………… 28
一、系统结构与技术指标
1. 系统功能要求
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 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LED1亮表示输入密码正确并开锁，报警LED2亮表示密码有误或者输入时间超时。
2.性能和电气指标
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。
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。
2.3 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。
2.4 具有手动、自动复位功能。
3. 设计条件
3.1 电源条件：稳压电源提供+5V电压。
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。
二、整体方案设计
1密码设定
按照自己的学号设定密码，将密码预先存如28c64芯片中。我的学号是10001823，写入28c64中的数据为01 0A 0A 0A 01 08 02 03
2密码判断
通过4为比较器对预先存如的密码及手动在键盘上输入的密码逐个进行比较，把结果送入8为移存器进行结果判别
3密码录入和判别结果显示
每输入一位密码，比较器就比较一次，并且把结果送如移存器进行移存，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。
4系统工作原理框图
整体方案如下：
三、单元电路设计
1. 键盘录入和编码电路图
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）。
根据真值表，用CUPL语言写出逻辑关系：
D3=A0#A8#A9;
D2=A4#A5#A6#A7;
D1=A0#A2#A3#A6#A7;
D0=A1#A3#A5#A7#A9;
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
为保护电路，接入排阻。
时钟
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：
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，且使用触发输出：CP.D=A0#A1#A2#A3#A4#A5#A6#A7#A8#A9，此时在每次键按下时都会产生一个脉冲，且消除了毛刺。
2.地址计数与存储电路
将CP送入计数器，得到的是按键次数，也是ROM的地址信号。每接受到一个信号，74161就会向28c64送入一个地址，28c64通过得到的地址把一位新的密码送入74374和16v8由键盘上得到的数一同寄存后在送入比较其中比较
3.密码锁存与比较电路
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：
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：
锁存时序图
4. 判决与结果显示
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3-5 8位密码比较结果处理
假如输入正确密码，并按下确认键，则成功开锁。
5.延时电路
指标要求当输入的数字间隔小于或等于15s时超时报警。设计采用74123可重触发器和7474 D触发器配合程序控制。电路图如下：
74123可重触发器
B端输入，OT触发输出。tw=15s，tw=0.45RC,则设定R=150K，C=220u，则计算得出tw=14.8s。若要提高15s计时精度则选取更精确得电容和电阻，且系数0.45可能有相应更正。
74123工作时序如下：
图 3-6-2 74123工作时序
在复位后，OT=0，开始输入后，当间隔时间小于15s时，OT=1，当间隔时间大于15s时，OT=0。
由于74123受控制较弱，所以在实际链接电路的时候增加了一块74161做触发器，使得触发稳定切周期不变。
6、复位
复位功能包括手动复位和自动复位。
手动复位：清除输入密码，将所有寄存器归零。则将74161、74164、74123、7474的清零端全部接在一起，复位键（RS）按下，GAL清零端CLR输出一个低电平脉冲，方程为：CLR=！RS。
自动复位：如解锁完毕（即密码输入完成后，按下“ENT” ），开锁或报警后，所有寄存器清零。若将方程写成CLR=！ENT，此时是组合逻辑输出，一按下“ENT”，就复位了，此时报警结果还没输出，74164全零输入，则肯定会报警，失去密码锁判断的意义。所以复位一定在正确解锁后开始，可以借助GAL内部的触发器来完成这个功能：CLR.D=！ENT。GAL的时钟任为555的输出时钟，几hz的脉冲。则在开锁后几百ms后复位，开锁是个瞬时动作即可。
为方程式的简洁，复位方程可表示为：CLR.D=!(ENT#RS),此时手动复位稍有延迟（ms级），在实际应用中，延时是完全可以忽略的。
7、整体电路
8、所用元件清单
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：
电容、电阻、导线若干，面包板一块。
四、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
管脚连接及命名：
Name : GAL23;
Date : 20##-11-28;
Revision : 1.3 ;
Designer : ZHUZI;
Company : NJUPT;
/******INPUT********/
PIN[1,11,12,15]=[CP,!OE,CP2,CP1];
PIN[2,3,4,5,6,7,8,9,13,14]=[KEY0,KEY1, KEY2, KEY3 KEY4, KEY5, KEY6, KEY7, KEY8, KEY9];
/******OUTPUT******/
PIN[16,17,18,19]=[OUT1,OUT2,OUT3,OUT4];
/******EQUATIONS*****/
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：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
管脚连接及命名：
Name : GAL23;
Date : 20##-11-29;
Revision : 1.3 ;
Designer : ZHUZI;
Company : NJUPT;
/******INPUT********/
PIN[1,11]=[CP,!OE];
PIN[2,3,4,5,6,7,8,9]=[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&D8
GREEN.D=Q&ENTER;
RED.D=!Q&ENTER
/******END ****/
五、测试与调整
1.单元测试
10进制数字输入
测试：先复位，再按住数字键，用示波器检测第一片GAL的19~16脚，打开1号开关即KEY0，检测到D0D1D2D3=0101,则译码正确，以此类推，输入0~9，GAL输出全部测试正确。
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。由低电平跳变至高电平，且cp1与cp2相反
密码比较
测试：
1. 复位后，依次输入正确密码（10001823），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1001822，7485在输入错误密码后，输出为0，且8位输入完毕后，74164的输出管脚中，第三脚为0，其余为1。则电路没有问题。
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。
则延时电路没有问题。
2整体测试
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10001823后，按下“ENT”，看到绿灯亮，输入错误密码07040400后，按下“ENT”，看到红灯亮。
说明密码判断正确。
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。
3.测试结果
1，2测试都正确，但是第3测试时发现15秒延迟不准确，所以在实际电路中移除延迟。
六、 设计小结
1. 设计任务完成情况
几大指标：10进制键盘输入
密码正确输入时开锁，错误时报警
输入数字间隔小于15S时不能报警，能复位
手动和自动复位
除了延迟报警外全部完成，且界面友好，更加人性化。
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：在全部输入正确的情况下，74164有两个管脚为低电平，但是7485的八次判断全部为真，鉴定为74164损坏，尚未解决
问题3：硬件电路繁琐、作品性价比太低
原因：用GAL16V8实现密码锁，所用器件和实现方法在报告中已经十分详尽。
3. 心得体会
通过这次课程设计，我对电子电路的设计有了很深的认识和了解，并且了解到了电路设计的重要性。
在一开始设计电路图的时候，由于排版不好，在实际操作的时候导致接线混乱，通过适当的改进，让电路更加美观整齐。在设计电路的时候，课程指导老师给了很多的帮助，给我们点名思路。在烧制两块GAL16V8芯片的时候，由于程序的错误，导致了电路不能实现功能，在老师的帮助下，改进了程序，是的模块功能成功实现。
真个实验过程中遇到了很多困难，排错也用了很久，最终在老师的帮助下成功实现了要求功能。回想两个星期的实验周课程，自己的思考和动手解决能力得到了很大的增强。
感谢杨英强老师这两周的精心指导！
附：电路完成图
第二篇：电子电路课程设计题
电子课程设计题目
一、加法器和减法器
设计要求：
1、 构造一个四位二进制加法器和一个四位二进制减法器，完成各自的功能仿
真。
2、 利用四个按键输入四位加数(或减数)和被加数(或被减数)。
3、 用七段数码管显示四位和(或差)，用一只发光二极管指示进位(或借位)信
号。
4、利用个开关控制，确定是四位二进制加法器还是一个四位二进制减法器。
二、加法计数器和减法计数器
设计要求
1、 设计一个四位8421BCD码可逆计数器。
2、 用一个开关进行控制，当K＝l时，进行加法计数；当K＝0时，进行减法
计数。
3、 用数码管显示计数值。
4、 该计数器还应具有清零和预置功能
三、两层电梯控制器
设计要求：
利用四个位键作为用梯人的呼叫：上升或下降按键。一个作为一楼呼叫按键；第二个作为二楼呼叫按键；第三个作为楼梯上升按键：第四个作：楼梯下降按键。
模拟电梯的工作过程，设计一个两层电梯控制器。
四、数字密码锁的电路设计
设计要求：
设计一个电子密码锁。按先后顺序，输入密码“312”时，扬声器发出声音，表示锁
打开。该密码锁应只有以下几种功能：
(1) 具有密码输入功能；
(2) 设置复位按键，以便重新输入新的密码；
(3) 显示输入密码的次数；
(4) 拒绝接收超过规定次数的密码输入信号。
五、 篮球30秒定时控制电路
设计要求：
1) 具有显示30S(30秒)计时功能。
2) 具有清零、启动、暂停、连续的功能。
3) 30S递减；
4) 30S递减至零时，数码显示器不能灭灯，同时发出声光报警倍号
六、彩灯控制器
(1)设计要求
设计能让一排彩灯(8只)自动改变显示花样的控制系统，发光二极管可作为彩灯用。
控制器应有两种控制方式：
① 规则变化。变化节拍有0．5秒和0．x秒两种，交替出现，每种节拍可有4种花样，各执行一或二个周期后轮换。
② 随机变化。无规律任意变化。
七、自动售邮票机
(1)设计要求
机器有一个投币孔，每次只能投入一枚硬币，但可以连续投入数枚硬币。机器能自动识
别硬币金额，最大为1元，员小为1角。购票者助选择的邮票面值有1元和5角两种，每次
只能售出l枚邮票。
购票时先选择邮票面值后投币，当投入的硬币总金额达到或超过邮票面值时，机器应发
出指示并拒收继续投入的硬币。
购票者投币后，按动确认键，机器将发出邮票和找零硬币，若所投金额不足，则发出“欠资”指示。在欠资情况下，购京者可以继续投币购票，也可按取消链，则机器将退出所投入的全部金额。
购票者投入硬币以后，如未按确认键而按取消键，机器也将退出所投入的全部金额。
找零或退币时，按由大到小原则处理，即总金额超过1元时，应找出1元硬币，金额低于1元但超过5角时，应找出5角硬币，不足5角时，方才找出1角的硬币。
(2)设计提示
①投入的硬币识别装置牵涉到传感器，本课题要求以3个按键代表3种硬币输入(1
元，5角和1角)。每按一键，表示投入一枚硬币。
②邮票面值(1元，5角)也各用一个按键代表，按动某个键，表示选购某种面值的邮票。
同时可安排两只发光二极管指示所选的面值。
③ 确认、取消各用一个按键输入。
④ 投入的总金额用两只数码管显示。其显示的数字应随着硬币的投入或找出而变化。
⑤机器应有两个输出孔(这里用两个发光二极管代表)，一个输出邮票，一个输出硬币，硬币按由大到小原则逐枚输出，无论是输出邮票还是输出硬币，每输出一枚，数码管上的数字就减去相应的数。找零的过程可用一个按键控制，每按一次键，输出一枚硬币，直到计数
器上显示数字为零。(也可只安排一个输出孔，邮票和硬币皆由此孔输出。) ⑧欠资信号和拒收信号可用发光二极管或其它方法表示，两种信号应有所区别。
⑦以上各项操作都可以用声音辅助指示，例如欠资和拒收，出票和出硬币等。
按以上要求和提示可画出电路的框图如图所示。
八、游戏电路
设计要求
本游戏电路是模拟投骰子，可供二人游戏。游戏者每按动一次按键可得到(1～6)范围内的两个数，并按下列规则决定胜负。
① 第一场比赛，游戏者每人各按一次按键，所得二数之和为7和11者
胜，若无人取胜，则进行第二场比赛。
② 第二场比赛，游戏者每人各按一次按键，所得二数之和与第六场此
赛相同者获胜．所得二数之和为”7”或‘11”者负，若无人获胜或
负，则重复进行，直更出现胜者或负者为止。
九、设计一个4位二进制乘法器
设计要求：
1、构造一个4位二进制乘法器
2、利用四个按键输入四位乘数和被乘数。
3、 用七段数码管显示积。