4位数字密码锁的设计

武汉理工大学《基础强化训练》课程设计说明书11技术指标用与非门设计一个4位或多位代码的数字锁，要求如下：A:设计一个保险箱用的多位代码数字锁，比如4位代码ABCD四个输入端和一个开锁用的钥匙插孔输入端E，当开箱时（E＝1）,如果输入代码（例如ABCD＝1010）与设定的代码相同，则保险箱被打开，即输出端Z＝1,否则电路发出报警信号:B:进行电路仿真，并说明其工作原理。武汉理工大学《基础强化训练》课程设计说明书22方案比较方案一：由4个单刀双掷开关构成密码开关，用户可以通过控制开关来控制A、B、C、D四个输入端的电平的高低，进而控制输出电平的高低以及报警信号的工作。当输入端与设置的密码相符时，则输出为高电平，二极管亮，否则输出为低电平，并且发出报警，即蜂鸣器发出响声，至此完成电路的设计。其电路图如图2.1图2.1方案一的电路图方案二：用4个异或门连接输入端，并分别于反相器连接，再相与。当输入密码与设置密码相同时，电路输出为高电平，发光二极管不亮，当输入密码与设置密码不相同时，电路输出为低电平，发出报警，发光二极管亮。其电路图如图6.1123U1:A74LS0012456U2:A74LS20456U1:B74LS0012U3:A74LS04SW1SW-SPDTSW2SW-SPDTSW3SW-SPDTSW4SW-SPDTSW5SW-SPDT+5+534U3:B74LS0456U3:C74LS04D1LED-BIRGBUZ1BUZZER武汉理工大学《基础强化训练》课程设计说明书33Proteus软件介绍Proteus软件是来自英国Labcenterelectronics公司的EDA工具软件。Proteus软件有十多年的历史，在全球广泛使用，除了其具有和其它EDA工具一样的原理布图、PCB自动或人工布线及电路仿真的功能外，其革命性的功能是，他的电路仿真是互动的，针对微处理器的应用，还可以直接在基于原理图的虚拟原型上编程，并实现软件源码级的实时调试，如有显示及输出，还能看到运行后输入输出的效果，配合系统配置的虚拟仪器如示波器、逻辑分析仪等，您不需要别的，Proteus为您建立了完备的电子设计开发环境！尤其重要的是ProteusLite可以完全免费，也可以花微不足道的费用注册达到更好的效果；功能最强的Proteus专业版也非常便宜，人人用得起，对高校还有更多优惠。Proteus组合了高级原理布图、混合模式SPICE仿真,PCB设计以及自动布线来实现一个完整的电子设计系统。此系统受益于15年来的持续开发,被《电子世界》在其对PCB设计系统的比较文章中评为最好产品—“TheRoutetoPCBCAD”。Proteus产品系列也包含了我们革命性的VSM技术,用户可以对基于微控制器的设计连同所有的周围电子器件一起仿真。用户甚至可以实时采用诸如LED/LCD、键盘、RS232终端等动态外设模型来对设计进行交互仿真。其功能模块：—个易用而又功能强大的ISIS原理布图工具；PROSPICE混合模型SPICE仿真；ARESPCB设计。PROSPICE仿真器的一个扩展PROTEUSVSM：便于包括所有相关的器件的基于微处理器设计的协同仿真。此外，还可以结合微控制器软件使用动态的键盘，开关，按钮，LEDs甚至LCD显示CPU模型。Proteus支持许多通用的微控制器，如PIC,AVR,HC11以及8051。交互的装置模型包括：LED和LCD显示,RS232终端,通用键盘。Proteus有强大的调试工具；包括寄存器和存储器,断点和单步模式。IARC-SPY和KeiluVision2等开发工具的源层调试。Proteus应用特殊模型的DLL界面-提供有关元件库的全部文件。Proteus与其他的仿真软件相比较，在下面的优点：1、能仿真模拟电路、数字电路、数模混合电路；2、能绘制原理图、PCB图；武汉理工大学《基础强化训练》课程设计说明书43、几乎包括实际中所有使用的仪器；4、其最大的亮点在于能够对单片机进行实物级的仿真。从程序的编写，编译到调试，目标版的仿一应俱全。支持汇编语言和C语言的编程。还可配合KeilC实现程序的联合调试，将Proteus中绘制的原理图作为实际中的目标板，而用KeilC集成环境实现对目标板的控制，与实际中通过硬件仿真器对目标板的调试几乎完全相同，并且支持多显示器的调试，即Proteus运行在一台计算机上，而KeilC运行在另一台计算机上，通过网络连接实现远程的调试。武汉理工大学《基础强化训练》课程设计说明书54组合逻辑电路组合逻辑电路是用各种门电路组成的，用于实现某种组合逻辑功能的复杂逻辑电路。组合逻辑电路在逻辑功能上的特点是任意时刻的输出仅仅取决于该时刻的输入，与电路原来的状态无关。因此，组合逻辑电路在电路结构上的特点是：输出与输入之间一般没有反馈贿赂；电路中没有记忆单元；当输入信号的状态组合改变时，输出状态也随着改变。组合逻辑电路的功能以逻辑图、逻辑表达式、真值表等形式进行描述。逻辑图是描述实现逻辑功能的电路结构，但对功能的描述不够直观；逻辑表达式和真值表能够直观、明显的描述逻辑功能，所以进行逻辑电路分析和逻辑问题的实际电路设计时，通常使用列出真值表分析逻辑电路的逻辑功能，或者列出真值表分析实际逻辑问题的逻辑关系，并从真值表得出逻辑命题的函数表达式，设计实现逻辑命题的逻辑电路。4.1组合逻辑电路的分析方法组合逻辑电路的分析，就是找出给定逻辑电路输出和输入之间的逻辑关系，从而了解给定逻辑电路的逻辑功能。组合逻辑电路的分析方法通常采用代数法，分析过程一般按下列步骤进行：（1）根据给定组合逻辑电路的逻辑图，以每个门电路的输入端输入信号为自变量，写出各种逻辑门输出端的逻辑表达式，对于中间变量最好在写出表达式的同时化简，以免积累到最后。（2）化简总输出端的逻辑表达式。（3）列出真值表。（4）从逻辑函数表达式或真值表，分析出给定组合逻辑电路的逻辑功能。4.2组合逻辑电路的设计对于第一个逻辑表达工式或逻辑电路，其真值表可以是惟一的，但其对应的逻辑电路或逻辑表达式可能有多种实现形式，所以，一个特定的逻辑问题，其对应的真值表是惟一的，但实现它的逻辑电路是多种多样的。在实际设计工作中，如果由于某些原因无法获得某些门电路，可以通过变换逻辑表达式变电路，从而能使用其他器件来代替该器件。同武汉理工大学《基础强化训练》课程设计说明书6时，为了使逻辑电路的设计更简洁，通过各方法对逻辑表达式进行化简是必要的。组合电路可用一组逻辑表达式来描述。设计组合电路直就是实现逻辑表达式。要求在满足逻辑功能和技术要求基础上，力求使电路简单、经济、可靠、实现组合逻辑函数的途径是多种多样的，可采用基本门电路，也可采用中、大规模集成电路。组合逻辑电路的设计一般可按以下步骤进行:（1）逻辑抽象。将文字描述的逻辑命题转换成真值表叫逻辑抽象。首先要分析逻辑命题，确定输入、输出变量；然后用二值逻辑的0、1两种状态分别对输入、输出变量进行逻辑赋值，即确定0、1的具体含义；最后根据输出与输入之间的逻辑关系列出真值表。（2）选择器件类型。根据命题的要求和器件的功能及其资源情况决定采用哪种器件。（3）根据真值表和选用逻辑器件的类型，写出相应的逻辑函数表达式。（4）根据逻辑函数表达式及选用的逻辑器件画出逻辑电路图。实际设计时，还要进行生产工艺设计，包括进行生产工艺设计，包括器件安装机箱、电源、控制开关、输入开关、相关显示电路、外观布置、生产工艺等的设计。武汉理工大学《基础强化训练》课程设计说明书75TTL与非门电路全称Transistor-TransistorLogic,即BJT-BJT逻辑门电路，是数字电子技术中常用的一种逻辑门电路，应用较早，技术已比较成熟。TTL主要有BJT（BipolarJunctionTransistor即双极结型晶体管，晶体三极管）和电阻构成，具有速度快的特点。最早的TTL门电路是74系列，后来出现了74H系列，74L系列，74LS,74AS,74ALS等系列。TTL电平信号被利用的最多是因为通常数据表示采用二进制规定，+5V等价于逻辑“1”，0V等价于逻辑“0”，这被称做TTL（晶体管-晶体管逻辑电平）信号系统，这是计算机处理器控制的设备内部各部分之间通信的标准技术。TTL电平信号对于计算机处理器控制的设备内部的数据传输是很理想的，首先计算机处理器控制的设备内部的数据传输对于电源的要求不高以及热损耗也较低，另外TTL电平信号直接与集成电路连接而不需要价格昂贵的线路驱动器以及接收器电路；再者，计算机处理器控制的设备内部的数据传输是在高速下进行的，而TTL接口的操作恰能满足这个要求。TTL型通信大多数情况下，是采用并行数据传输方式，而并行数据传输对于超过10英尺的距离就不适合了。这是由于可靠性和成本两面的原因。因为在并行接口中存在着偏相和不对称的问题，这些问题对可靠性均有影响。基本TTL反相器不难改变成为多输入端的与非门。它的主要特点是在电路的输入端采用了多发射极的BJT。下图是采用多发射极BJT用作2输入端TTL与非门的输入器件的一个实例。当任一输入端为低电平时，T1的发射结将正向偏置而导通，T2将截止。结果将导致输出为高电平。只有当全部输入端为高电平时，T1将转入倒置放大状态，T2和T3均饱和，输出为低电平。武汉理工大学《基础强化训练》课程设计说明书8图5.1TTL二输入与非门当任一输入端为低电平时，T1的发射结将正向偏置而导通，T2将截止。结果将导致输出为高电平。只有当全部输入端为高电平时，T1将转入倒置放大状态，T2和T3均饱和，输出为低电平。74LS00是一个4个二输入与非门芯片，其引脚图如下：图5.274LS00的引脚图其功能表如表5.1表5.174LS00的真值表输入输出ABYLLHLHHHLHHHL武汉理工大学《基础强化训练》课程设计说明书974LS20是一个四输入与非门，其引脚图如图5.3：图5.374LS20的引脚图其真值表如表5.2:表5.274LS20的真值表输入输出ABCDYxxxLHxxLxHxLxxHLxxxHHHHHL74LS86四输入异或门引脚图：武汉理工大学《基础强化训练》课程设计说明书106电路原理图图6.1数字密码锁的设计图中，U1、U2、U3、U4为或非门，U6、U7为与非门，D1为发光二极管。当输出密码与设置密码相同时，U6输出端为低电平，输出为高电平1，发光二极管不亮。当输出密码与设置的密码不相同时，U6输出端为高电平，则电路的输出为低电平，同时发出报警，发光二极管亮。010100111?U1XOR_2U2XOR_2U3XOR_2U4XOR_212U5:A74LS0434U5:B74LS0456U5:C74LS041312U5:D74LS0412456U6:A74LS201110U5:E74LS04123U7:A74LS00D1LED-BIBY设置密码输入密码报警武汉理工大学《基础强化训练》课程设计说明书117仿真7.1各个步骤（1）双击打开Proteus软件，点击文件-新建设计，选择A4再点击确定，进入设计界面。（2）添加元件到元件列表中，本例要用的元件有与非门、或门、发光二极管等。单击“P”按钮，弹出对话框：武汉理工大学《基础强化训练》课程设计说明书12输入74LS20：单击OK键就可放置元件，如下图：武汉理工大学《基础强化训练》课程设计说明书13同理，可放置其它元件。（3）放置电源和地左键选择模型选择工具栏中的按钮，出现如下图：选择GROUND，并在原理图编辑窗口中左键单击一下，这样就放置了“地”。POWER就是电源，添加方式和“地”是一样的。双击电源，打开对话框，对电源的参数进行修改。在编号栏中填+5，表示所加的电源为+5V。如下图所示：武汉理工大学《基础强化训练》课程设计说明书14（4）按照原理图连线，得到仿真图：7.2仿真结果武汉理工大学《基础强化训练》课程设计说明书15点击如图的第一个按键单击开始仿真，得到的结果如下图由此图可看出，当输入密码为1010时，输出为1，报警灯不亮。得到的结果与设计要求一模一样。