电子密码锁的设计仿真及实验

1课题一电子密码锁设计、仿真与实验学习目标：学会采用由SSI、MSI器件构建电子密码锁电路，掌握组合逻辑电路的一般设计方法；学会利用EDA软件（Proteus）对电子密码锁电路进行仿真；掌握电子密码锁电路的安装及调试方法。一、任务与要求设计由编码器、集成逻辑门电路、声光报警指示电路构成的密码锁电路，研究门电路的接口与驱动技术、学习组合逻辑电路的设计方法；用Proteus软件仿真；实验测试逻辑功能。具体要求如下：（1）密码锁电路由密码输入电路、密码设置电路和密码控制电路组成，密码输入及密码设置均采用十进制数形式，密码输入通过键盘或按键输入。密码设置通过开关输入。（2）如果输入的密码与预先设定的密码相同，则保险箱被打开，密码控制电路的输出端E＝1，F=0；否则电路发出声、光报警信号，即输出端E＝0，F=1。（3）实验时，“锁被打开”的状态可用绿色发光二极管指示；声、光报警可分别用红色发光二极管及蜂鸣器指示。（4）写出设计步骤，画出最简的逻辑电路图。（5）对设计的电路进行仿真、修改，使仿真结果达到设计要求。（6）安装并测试电路的逻辑功能。（7）选做内容：如果考虑一个开锁用的钥匙插孔输入端G，当开箱时（G＝1），密码输入才有效，试在上述电路基础上修改该电路。二、课题分析及设计思路（1）密码输入电路及密码设置电路的设计思路由于密码输入及密码设置均采用十进制数形式，故可利用8421BCD码编码器分别实现，以一位密码输入及密码设置为例，其实现框图如下：图1密码输入及密码设置电路的实现框图键盘或按键输入电路8421BCD码编码器反相电路8421BCD码输出ABCD十进制数密码输入开关输入电路8421BCD码编码器反相电路8421BCD码输出A1B1C1D1十进制数密码设置输入2（2）密码控制电路的设计思路分析以上设计任务与要求，密码控制电路的实现框图如下：图2密码控制电路的实现框图相应的真值表如表1所示，由此可得输出逻辑函数表达式：1111DCBADCBAFE1111DCBADCBA1111DCBADCBA1111DCBAABCD采用代数化简可得：)()()()(1111DDCCBBAAFE当然，根据上述密码控制电路的功能和异或门的特点，也很容易直接得到上述输出函数的逻辑表达式，由上述逻辑表达式可得到相应的逻辑电路图。表1密码控制电路真值表ABCDA1B1C1D1EF密码设置输入端A1、B1、C1、D1密码控制电路密码代码输入端A、B、C、D锁被打开E报警信号F00000000XXXX000000010001XXXX000111111111XXXX11111001100110013（3）TTL集成门电路与LED发光二极管的接口电路设计TTL集成门电路除了可驱动门电路外，还能驱动一些其它器件如LED发光二极管。以集成反相器为例，有如下两种情况如图3（a）、(b)所示：图3（a）输出高电平时LED亮图3(b)输出低电平时LED亮电路中串接的电阻R1、R2为限流电阻，其作用是保护LED因过流而烧坏。其大小按如下公式进行选择：DOLFCCDFOHIVVVRIVVR21上述两式中，ID为LED正常发光时的电流，VF为LED导通电压，VOH、VOL分别为反相器的高、低电平输出电压。如ID＝5mA，VF＝2.2V，VOH＝3.4V，VOL＝0.2V时，算得R1=240欧，R2=520欧。注意：（a）图3（a）接法时，发光二极管的电流不能超过门电路的“最大拉电流”，图3(b)接法时，发光二极管的电流不能超过门电路的“最大灌电流”，否则会导致输出电平的混乱。当然，如果该门电路处于整个逻辑电路的最末端，则发光二极管的电流可不受此限制。(b)如果门电路需要驱动较大电流的发光二极管，可采用三极管驱动的方法，如图4所示：4图4三极管驱动的TTL-LED接口图5TTL与蜂鸣器接口，输出高电平时发声（4）TTL集成门电路与蜂鸣器的接口电路设计TTL集成门电路的输出高电平可直接驱动蜂鸣器发出声音，其接法如图5所示。三、集成电路及元件选择为了实现密码锁电路的功能，可采用8421BCD码编码器74LS147、集成异或门74LS86或74LS386、集成非门74LS04和集成四输入与门74LS21（或集成与非门74LS20）。此外，还需要其它一些辅助元器件：发光二极管、发声元件－蜂鸣器、按键和电阻等。四、原理图绘制与电路仿真用proteus软件绘制密码锁电路原理图，对所设计的电路进行仿真实验，并验证电路的逻辑功能是否达到设计要求。五、电路安装与调试1．电路布局在多孔电路实验板上装配电路时，首先应熟悉其结构。明确哪些孔眼是连通的，并安排好电源正、负引出线在实验板上的位置。电路的布局应与主要元器件为中心，按信号流向从左至右合理设计。电路与外接仪器的连接端、测试端要布置合理，便于操作。2．安装与调试方法电路安装前，要先检测所用集成电路及其它元器件的好坏。安装完成后，要用万用表检测电路接触是否可靠、电源电压大小、极性是否正确。一切正常后才能通电调试。5六、设计、仿真及实验问题研究1．密码控制电路部分如果全部采用集成与非门实现，请画出其逻辑电路原理图。2．实际调试时，如何输入十进制数“0”？如何设计2位密码锁电路？3．实验时，TTL集成电路的多余输入端如何处理？4．TTL集成电路输入高、低电平的电压范围各为多少？输出高、低电平的电压范围又各为多少？并实际测试密码锁电路中各集成门输出高、低电平的电压值。5．实际测试TTL－LED接口电路中，限流电阻对发光二极管及门电路输出高、低电平的影响。6．三极管驱动的TTL－LED接口电路中，门电路输出高、低电平时，三极管分别处于什么状态（放大、饱和或截止）？并实际测试之。七、设计与测试报告要求课题完成后应认真撰写《设计与测试报告》（格式见附录），其主要内容如下：1．课题的任务及要求。2．课题分析与方案选择。对课题认真分析，正确理解，明确设计思路。通过各种可实现的电路原理、特点分析，方案类比，选择最佳实现电路。3．集成电路及元器件选择。对设计中选定的集成电路及元器件，给出它们的引脚图、功能表或真值表或主要参数值。4．原理图绘制及仿真。用Proteus软件绘出电原理图，详细标明各集成电路及元器件的型号，并给出有关原理图的适当注释。5．实验测试、问题分析与研究。实验设备清单（名称、型号、数量等）；安装及调试过程简介；故障分析及解决办法；第六项中的问题解答。6．总结。总结所设计课题存在的问题，提出改进的设想；完成本课题后的收获、体会和建议。