目录
一、设计思路与基本框图 ............................................................................ 2 1.1 数字电路简介 ............................................................................... 2 1.2 密码锁总体设计思路 ..................................................................... 2 1.2.1 设计要求 ............................................................................. 2 1.2.2设计目的 .............................................................................. 2 1.2.3设计思路 .............................................................................. 3 1.2.4 总体设计简图及电路总图 ...................................................... 3 二、单元电路设计 ..................................................................................... 4 2.1 计时显示电路 ............................................................................... 4 2.1.1 60进制秒计数 ................................................................... 4 2.1.2 35秒报警电路 ................................................................... 5 2.2 比较电路 ..................................................................................... 5 2.3 编码单元 ..................................................................................... 8 2.3.1优先编码器 ........................................................................... 8 2.3.2 消抖电路 ............................................................................. 8 2.4 存储单元电路 ............................................................................... 9 2.4.1 存储器................................................................................. 9 三、现场接线与调试 ................................................................................ 12 3.1现场连接 .................................................................................... 12 3.2 现场调试 ................................................................................... 14 四、故障分析与电路改进 .......................................................................... 16 五、总结与体会 ....................................................................................... 17 附录................................................................................................. 18 1.元件清单 .................................................................................. 18 2.参考文献 .................................................................................. 18 3.总体仿真图 .............................................................................. 19
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一、设计思路与基本框图
1.1 数字电路简介
用数字信号完成对数字量进行算术运算和逻辑运算的电路称为数字电路，或数字系统。由于它具有逻辑运算和逻辑处理功能，所以又称数字逻辑电路。现代的数字电路由半导体工艺制成的若干数字集成器件构造而成。逻辑门是数字逻辑电路的基本单元。存储器是用来存储二进制数据的数字电路。从整体上看，数字电路可以分为组合逻辑电路和时序逻辑电路两大类。
1.2 密码锁总体设计思路
1.2.1 设计要求
该密码锁设定密码为三位，有0至9十个数字组成。当密码输入正确时，开锁指示灯（绿灯）亮，密码错误时，报警指示灯（红灯）亮，报警时间为35秒。第一个密码输入时开始计时，如果在60秒内没有开锁指示，则电路进入自锁状态，并发出报警指示。
1.2.2设计目的
（1）进一步熟悉和掌握常用数字电路元器件的应用。
（2）巩固加深理解数字电路的基本理论知识，学习基本理论在实践中综合运用的初步经验，掌握数字电路系统设计的基本方法及在面板上接线的方法、技术、要注意的问题。
（3）培养数字电路实物制作、调试、测试、故障查找和排除的方法。 （4）培养细致、认真做实验的习惯。
（5）培养实践技能，提高分析和解决实际问题的能力。
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1.2.3设计思路
该密码锁有两组时间显示电路，由两片74ls160组成，时间显示两片数码管显示器组成。一组密码输入电路，由十个拨码开关、上拉电阻、消抖电容组成密码输入电路。存储电路由一片存储器芯片2114存储写入的密码，一片74ls160芯片给2114输入地址码。比较电路由一片74ls85比较芯片跟74ls125三态门组成。
1.2.4 总体设计简图及电路总图
图1.2.4 设计简图
图1.2.5 总体设计简图
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二、单元电路设计
2.1 计时显示电路
2.1.1 60进制秒计数
“60进制计数器”采用两片十进制计数器160异步清零构成，控制清零端使其每次从0开始计数。图中LOAD′为同步置数控制端，MR′为异步置0控制端，ENT和ENP为计数控制端；D0-D3为并行数据输入端,Q0—Q3为输出端，RCO为进位输出端。
由于74ls160为10进制同步计数器，当计数到（1001）9时，会在RCO端产生一个1的脉冲（RCO平时为0）。作为高位片的EP和ET输入 ，当下一个CP信号来时高位片为计数工作状态，计入1，而低位片计成0（0000），它的C端回到低电平。而低位片的EP和ET恒为1，始终处于计数工作状态。
当MR′=1,LOAD′=0时，在时钟脉冲CP上升沿到来时，并行输入的数据D0—D3被置入计数器相应的触发器中，Q0Q1Q2Q3=ABCD。
当LOAD′=CLR′=ENP=ENT=1,CP端输入计数脉冲时,计数按照8421BCD码的规律进行十进制加法计数。当LOAD′=CLR′=1,且ENT和ENP中有0时，则计数器保持原来的状态不变。
在计数器执行保持功能时，如ENP=0、ENT=1时，则RCO=ENTQ3Q0=Q3Q0;如ENT=0、ENP=1时，则RCO=ENT·Q3Q0=0。下图所示为由两片74LS160级联组成的60进制同步加法计数器及其译码显示电路。
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图2.1.1 60进制秒计数
当计数到60之后QB、QC段位“1”与非输出后为“0”，三态门不导通，计数在60的时候停止，然后对次数计数芯片清零，使系统进入自锁状态。
2.1.2 35秒报警电路
图2.1.2 35进制电路
三十五进制计数，当个位数为5，十位数为3的时候给计数芯片74LS160的CLR端清零，使芯片重新从00开始计数。
2.2 比较电路
比较电路由74LS85芯片组成，数值比较器74LS85是4位数值比较
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器。两个4位数的比较是从A的最高位A3和B的最高位B3进行比较，如果它们不相等，则该位的比较结果可以作为两数的比较结果。若最高位A3=B3，则再比较次高位A2和B2，余类推。显然，如果两数相等，那么，比较步骤必须进行到最低位才能得到结果。真值表中的输入变量包括A3与B3、A2与B2、A1与B1、A0与B0和A与B的比较结果。其中A和B是另外两个低位数，IA>B、IA 对于两个8位数，若高4位相同，它们的大小则由低4位的比较结果确定。因此，低4位的比较结果应作为高4位的条件，即低4位比较器的输出端应分别与高4位比较器的IA>B、IA 图2.2.1 74LS85串联扩展方式 6 图2.2.1 74LS85并联扩展方式 由图可以看出，这里采用两级比较方法，将16位按高低位次序分成4组，每组4位，各组的比较是并行进行的。将每组的比较结果再经4位比较器进行比较后得出结果。这样的比较方法比串联方式慢。 数值比较由编码器跟存储器读出来的数值进行比较，当4位BCD码都相同时，A=B输出为高电平。当数值不相等时A=B输出低电平而A>B或者A 图2.2 比较器电路 7 2.3 编码单元 2.3.1优先编码器 编码电路由一片74LS147九线-四线优先编码器、10个拨码开关、十个上拉电阻、十个瓷片电容组成（硬件消抖）。147将9条数据线（1－9）进行4线BCD编码，即对最高位数据线进行译码。当1－9均为高电平时，编码输出（ABCD）为十进制零。 图2.3.1 编码电路 2.3.2 消抖电路 消抖分为硬件消抖和软件消抖，通常的按键所用开关为机械弹性开关，机械触点闭合、断开时，由于弹性作用，一个按键开关不会马上稳定的接通和断开，因而产生一连串的抖动。而这种现象在时序逻辑电路中会使电路产生误操作，而使电路在调试过程中产生一连串不稳定的状态。为了消除这种现象，顾采用消抖电路。 （1）电容消抖：利用电容两端的电压不能突变的特性，将其并联在机械触点两端，消除接触抖动产生的毛刺电压。 8 图2.3.2 电容消抖 （2）基本RS触发器消抖 两个与非门构成一个RS触发器。当按键未按下时，输出为1;当键按下时，输出为0。此时即使用按键的机械性能，使按键因弹性抖动而产生瞬时断开（抖动跳开B），中要按键不返回原始状态A，双稳态电路的状态不改变，输出保持为0，不会产生抖动的波形。也就是说，即使B点的电压波形是抖动的，但经双稳态电路之后，其输出为正规的矩形波。 图2.3.3 RS触发器消抖 2.4 存储单元电路 2.4.1 存储器 HM6116是一种2K*8位的高速静态CMOS随机存取存储器，I/O端口有8（I/O01~I/O07）位，地址码有2048（A0~A10）位，可以存储2048 9 组8位二进制码。1条电源线、1条接地线GND和3条控制线——片选信号CE、写允许信号WE和输出允许信号OE（3条控制线低电平有效）。 图2.4.1 HM6116工作方式表 由于在这个单元电路中只需要存储3组4位二进制码，余下的四个I/O口接高电平（I/O04~07）。存储器的地址码由74ls161加计数输入次数，剩下的地址端口接低电平。通过控制WE位的高低电平实现数字的写人与读出。 图2.4.2存储电路 而在实际电路中由于元器件的种类繁多，实际采用的HM2114存储芯片，基本功能与HM6116相同。2114是一个容量为1K×4位的静态RAM芯片，下图是2114的管脚图。 10 图2.4.3 2114管脚图 图2.4.4 2114内部结构 上图中，A0～A9为10根地址线，可寻址2^10=1024（1K）个存储单元。I/O1～I/O4为 4根双向数据线。为写允许控制信号线，WE=0时为写入，WE=1时为读出。CS为芯片片选信号，CS=0时，该芯片被选中。由于2114的容量为1024×4位，故有4096个基本存储电路，排成64×64的矩阵。用A3-A8六根地址线作为行译码，产生64根行选择线，用A0～A2与A9 四根地址线作为列译码，产生16根列选择线，而每根列选择线控制一组4位同时进行读或写操作。存储器内部有4路I/O电路以及4路输入/输出三态门电路，并由4根双向数据线I/O1～I/O4引与外部数据总线相连。当CS＝0与WE=0时，经门1输出线的高电平将输入数据控制线上的4个三态门打开，使数据写入；当CS＝0与WE＝1时，经门2输出的高电平将输出数据控制线上的4个三态门打开，使数据读出。 11 三、现场接线与调试 3.1现场连接 调试前检查导线，选用连接良好的导线用于调试时使用;用芯片检测仪检查芯片引脚有无短路，芯片有无损坏，连接处有无接触不良。然后按照电路图进行连接。电路分四个单元块接，分别一步一步实现。 第一步按图连接编码电路部分，由于没有现场没有9线4线74ls147编码器，只能使用两片74ls148芯片。拨动编码开关，先把第一片编码芯片调出来0~7，然后与第二片编码芯片合并调试。一个一个数字调试，直至数字从0~9正常显示。 图3.1.1 编码“0” 第二步连接存储电路与地址码电路，按图接线。拨码开关每打一次，BCD地址码加+1，每编码一次地址变化一次，然后存储芯片的写入一次数据。 12 图3.1.2 161芯片输出脉冲 调试存储电路，先调试一次数据写入与读出。用编码电路输入一位数密码，观察数码管显示的数字。把存储芯片读写控制端置为写然后把拨回读，然后断开与编码电路连接的四根写入数据线，观察存储芯片读出的二进制码在数码管上显示的数字是否与之前编写的第一位密码相同。然后依次进行第二位密码与第三位密码的调试。观察每一次编码时地址码电路数字是否+1。 第三步是连接存储芯片写入与读出的间隔电路，由于写入与读出共用了同一组数据线，如果在不把中间分隔开密码也就无法进行比较，采用四个74ls125三态门作为工具，当写入密码是，三态门导通而读出时候属于高阻状态。第四步密码比较电路，把85的A输入端接三态门的一端B输入端接三态门的另一端。第五步连接计时电路，分别接一个60秒与35秒的计时电路。第六步把所有单元电路统一连接在一起。 13 图3.1.3 计时电路 图3.1.4 密码比较 3.2 现场调试 把所有线路按照仿真图连接起来，进行最后的调试。首先写入三位密码，观察每一次密码写入时数码管显示的数字，以确定编码电路正确与否。密码写入后，把HM2114芯片的读写开关打为读，断开三态门高电平输入，使三态门处于高阻状态，防止编码产生对存储芯片读数影响，从而导致无法进行比较。然后输入第一次密码，观察存储芯片地址码显示的数码管，防止因为开关抖动而使计数器误操作输出错误的地址信号， 14 导致密码无法比较或者密码比较错误。当第一个拨码开关拨动时观察计时电路是否开始计时，总计计时60秒后对密码锁进行自锁。然后输入第二位密码与第三位密码。当三次密码输入正确时，开锁指示灯亮。三次输入错误时，报警指示灯亮35秒。 15 四、故障分析与电路改进 故障产生的原因很多，情况也很复杂，本实验产生故障的原因主要有以下几种：（1）定型芯片使用一段时间后出现故障，元器件损坏，连接线路是发生短路或断路（接插件接触不良）；（2）新设计安装的电路来说，故障原因可能是，实际电路、与设计的原理图不符；元器件使用不当或损坏；连线发生短路或断路现象等；（3）仪器使用不正确引起的故障；（4）芯片布局不合理，引脚走线不合理。 常用的故障排除方法：（1）直接观察法：直接观察法包括不通电检查和通电检查。检查仪器的选用和使用是否正确；集成电路的引脚有无错接和漏接，互碰等情况；布线是否合理，电阻和电容有无烧焦和炸裂等。仔细观察元，器件有无发烫、冒烟，电子管是否亮。（2）对比法：怀疑某一电路存在问题时，可将此电路与工作状态相同的正常电路的参数进行一一对比，从中找到电路的不正常情况，进而分析故障原因，判断故障点。（3）短路法：用万用表测量拐角对地无电压。（4）断路法：把稳定的电压接入一带故障的电路，使输出电流过大，我们采取依次断开电路的某一支路的办法来检查故障。（5）分部检测法：电路分四个单元块，分别断开各个单元连接点，输入合适的数据看是否有相应的显示结果。 16 五、总结与体会 作为工科学生，动手实践很重要，理论联系实践是很重要的。经过两周的数字电子技术课程设计，又一次加强了我们动手、思考和解决问题的能力，我们以前也做过这样的训练，对我们的能力有很大的提高，像电工实习。但这次是第一次完全由自己设计电路然后接成实物，遇到的困难可想而知，但最终还是很好的完成了任务，而且使我受益匪浅。尝到了收获的甜头真的很兴奋，并且此次设计我们这组是第一个顺利完成，并完全按照老师的要求实现了整个电路的设计。 第一周我们主要任务是老师布置课题，并对课题了解后画出仿真电路图。此次仿真我们用的是Multisim仿真软件，仿真出来后，填写元器件清单到老师那里领取所需的芯片与试验箱。把基本芯片合理布局下，认真考虑了合理、美观、高效和易懂性几个方面后，根据实际情况绘制了安装接线图。然后照图连线，连线过程真的能锻炼一个人的耐力，在那针孔大的线孔上连接，只要没注意好就会出现短路或断路。这真的要有良好的心态才能顺利接完。在上Multisim上运行得非常好的电路接成实物电路就问题百出，我们不断修改电路，不断地总结经验，最后还是提前完成了此次电路连接。结果非常满意。经过曾老师的精心指导我受益匪浅，不但了解了各个芯片的功能与电路的设计，而且还对自己的动手能力有了很大的提高。我坚信自己的努力一定会得到回报的，锲而不舍。 相信有付出就有收获，经过这两周的课程设计，虽然过程曲折难尽，但也收获良多，在老师、组员和其他同学的帮助下顺利的完成了老师布置的任务，这两周的收获可算真多，不仅学到了知识提高了动手能力还修炼了我的毅力。认真正确对待每一件事，总会有很多的收获。 17 附录 1.元件清单 十进制同步计数器74160 5片 四2输入与非门7400 1片 三3输入正与非门 74LS10 四2输入正与门74LS08 四2输入正或门74LS32 六反相器74LS04 八段共阴显示器 8线4线优先编码器74LS148 三态门74LS125 存储器HM2114 拨码开关 导线 2.参考文献 ?电子技术课程设计指导? ?数字电路原理设计与实践教程? 《数字电子技术》 ?数字电子技术基础? ?电子技术基础实验与仿真? 1片 1片 1片 2片 5个 2片 1片 1片 12个 若干 彭介华编 王革思编 高建新编 阎石 编 孙胜麟 郭照南编 18 3.总体仿真图 19 电气信息学院课程设计评分表 项 目 评 价 设计方案的合理性与创造 性 硬件制作或软件编程完成 情况* 硬件制作测试或软件调试 结果* 设计说明书质量 设计图纸质量 答辩汇报的条理性和独立 见解 答辩中对所提问题的回答 情况 完成任务的情况 独立工作能力 组织纪律性（出勤率） 综合评分 指导教师签名：_____________ 日 期：_____________ 20 百度搜索“77cn”或“免费范文网”即可找到本站免费阅读全部范文。收藏本站方便下次阅读，免费范文网，提供经典小说综合文库湖工数电密码锁课程设计报告在线全文阅读。
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