电子密码锁.docx

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电子密码锁

基本要求：

1、设计一个密码锁的控制电路，当输入正确代码时，输出开锁信号以推动执行机构工作，用红灯亮、绿灯熄灭表示关锁，用绿灯亮、红灯熄灭表示开锁；

2、在锁的控制电路中储存一个可以修改的4位代码，当开锁按钮开关（设置成8位，其中实际有效为4位，其余为虚设）的输入代码等于储存代码时，开锁；

3、从第一个按钮触动后的5秒内若未将锁打开，则电路自动复位并进入自锁状态，使之无法再打开，并由扬声器发出持续20秒的报警信号，并输出一个信号推动LED不断闪烁。

一、总体设计思想

1.基本原理

本次设计的主要内容是设计一个密码锁的控制电路，第一个按钮触动后的5秒内若未将锁打开，则电路自动复位并进入自锁状态，当输入正确代码时，输出开锁信号以推动执行机构工作。

此密码锁的基本要求是：

设计一个密码锁的控制电路，当输入正确代码时，输出开锁信号以推动执行机构工作，用红灯亮、绿灯熄灭表示关锁，用绿灯亮、红灯熄灭表示开锁；在锁的控制电路中储存一个可以修改的4位代码，当开锁按钮开关的输入代码等于储存代码时，开锁；从第一个按钮触动后的5秒内若未将锁打开，则电路自动复位并进入自锁状态，使之无法再打开，并由扬声器发出持续20秒的报警信号，并输出一个信号推动LED不断闪烁。

随着电子产品向智能化和微型化的不断发展，EDA技术作为现代电子设计最新技术的结晶，给电子系统的设计带来了革命性的变化。

本设计一种电子密码锁系统，该系统具有软硬件设计简单、易于开发、成本低、安全可靠、操作方便等特点，可作为产品进行开发，应用于住宅，办公室的保险箱及档案等需要防盗的场所，有较强的实用性。

本系统由QuartusII软件、矩阵键盘、LED显示和报警系统组成。

4*4键盘组成0~9数字键，每按下一个键,相关键的值在数码管上显示，并依次左移；能够清除密码输入，并设置预置密码为“1234”；修改密码时，将当前输入设为新的密码；能完成上锁和开锁功能；当输入密码和预置密码一样时即可开锁。

具有确认、取消、修改、开锁、闭锁功能，用7段数码管组成显示电路提示信息。

2.设计框图

本次设计是采用一种是用QuartusII软件编程，利用VHDL描述数字系统的结构，行为，功能和接口，及其控制的准确性，来实现密码锁的设计。

VHDL编程有较大的活动空间，不但能实现锁要求的功能而且能在很大的程度上扩展功能，而且还可以方便的对系统进行升级。

在安全技术防范领域，具有防盗报警功能的电子密码锁逐渐代替传统的机械式密码锁，客服了机械式密码锁密码量少、安全性能差的缺点，使密码锁无论在技术上还是在性能上都有大大提高一步。

随着大规模集成电路技术的发展，特别是VHDL的问世，出现了带微处理的智能密码锁，它除具有电子密码锁的功能外，还引入了智能化管理、专家分析系统等功能，从而使密码锁具有很高的安全性、可靠性，应用日益广泛。

具体设计框图如下图所示：

二、设计步骤和调试过程

1、总体设计电路

2、模块设计和相应模块程序

主程序作为整个系统中最重要的部分，设计相当繁琐，而且还承担着其它子程序的连接任务，所以显得尤为重要，如果这个部分出了问题，那整个系统将会瘫痪。

首先是键盘输入电路，键盘的输入电路部分又分为键盘去抖电路和密码锁输入电路，下面先介绍键盘去抖电路部分。

键盘消抖部分是由两个小的模块集成为一个去抖电路的，所以在此分开介绍此两个模块。

第一个是DCFQ模块，如左图所示，模块外部信号端口为，CLK：

时钟脉冲输入端口，为电路提供原始始终信号，CLRM：

清零信号输入端口，PRN：

置位信号输入端口，Q：

信号输出端口。

DCFQ模块的主要程序为如下，此段程序作用是判断输入信号是否有效，如有效则输出，无效清零。

IFCLRN＝＇0＇ANDPRN＝＇1＇THENQ＜＝＇0＇；

ELSIFCLRN＝＇1＇ANDPRN＝＇0＇THENQ＜＝＇1＇；

ELSIFCLK＇EVENTANDCLK＝＇1＇THENQ＜＝D；ENDIF；

第二个是，DEBOUNCING模块模块外部信号端口如左图所示，其中D－IN：

信号输入端口，CLK：

时钟脉冲输入端口。

模块的内部信号有：

VCC：

模块内部信号，控制清零，Q0：

寄存D触发器处理过的信号，Q1：

与Q0信号做差分处，D1：

模块内部信号，D0：

模块内部信号，QQ0，QQ1，D＿OUT1，DD0，DD1是为便于仿真时观察中间，结果而增加的观测点的输出端口（删除无影响）。

DEBOUNCING模块主要程序如下：

U1：

DCFQPORTMAP（CLK＝＞CLK，CLRN＝＞INV＿D，PRN＝＞VCC，D＝＞VCC，Q＝＞Q0）；U2：

DCFQPORTMAP（CLK＝＞CLK，CLRN＝＞Q0，PRN＝＞VCC，D＝＞VCC，Q＝＞Q1）；PROCESS（CLK）BEGINIFCLK＇EVENTANDCLK＝＇1＇THEND0＜＝NOTQ1；D1＜＝D0；ENDIF；ENDPROCESS；DD0＜＝D0；DD1＜＝D1；QQ1＜＝Q1；QQ0＜＝Q0；

D＿OUT＜＝NOT（D1ANDNOTD0）；

D＿OUT1＜＝NOTQ1ENDARCHITECTUREART；

这段程序的作用就是通过对信号的分频处理，从而将按键产生的不规则信号转换为便于识别的按键信号，达到消除抖动的目的。

其次是密码锁输入电路，密码锁输入电路元件如右图所示：

其中模块外部信号端口有：

CLK－1K：

时钟脉冲输入端口，KEY－IN：

按键输入端口，CLK＿SCAN：

键盘扫描序列（仿真时用），DATA＿N：

数字输出端口，DATA＿F：

功能输出端口，FLAG＿N：

：

数字输出标志，FLAG＿F：

功能输出标志，CLK＿CTR：

控制电路工作时钟信号，CLK＿DEBOUNCE：

去抖电路工作时钟信号（仿真时用）

其中模块内部信号：

CLK：

电路工作时钟脉冲，C＿KEYBOARD：

键扫信号“00－01－10－11”寄存器，C＿DEBOUNCE：

去抖时钟信号，C：

键盘输入去抖后的寄存器，N，F：

数字、功能按键译码值的寄存器，FN，FF：

数字、功能按键标志值数字、功能按键，SEL：

模块内部信号，Z：

按键位置信号，密码锁输入电路主要程序为：

KEY＿DECODER：

BLOCKSIGNALZ：

STD＿LOGIC＿VECTOR（4DOWNTO0）；

BEGINPROCESS（CLK）BEGINZ＜＝C＿KEYBOARD＆C；

IFCLK＇EVENTANDCLK＝＇1＇THENCASEZISWHEN＂11101＂＝＞N＜＝＂0000＂；

WHEN＂00011＂＝＞N＜＝＂0001＂；WHEN＂00101＂＝＞N＜＝＂0010＂；WHEN＂00110＂＝＞N＜＝＂0011＂；WHEN＂01011＂＝＞N＜＝＂0100＂；WHEN＂01101＂＝＞N＜＝＂0101＂；WHEN＂01110＂＝＞N＜＝＂0110＂；WHEN＂10011＂＝＞N＜＝＂0111＂；WHEN＂10101＂＝＞N＜＝＂1000＂；WHEN＂10110＂＝＞N＜＝＂1001＂；WHENOTHERS＝＞N＜＝＂1111＂；

ENDCASE；ENDIF；IFCLK＇EVENTANDCLK＝＇1＇THENCASEZIS

WHEN＂11011＂＝＞F＜＝＂0100＂；WHEN＂11110＂＝＞F＜＝＂0001＂；WHENOTHERS＝＞F＜＝＂1000＂；ENDCASE；ENDIF；ENDPROCESS；

这段程序的作用是通过按键产生的信号进行译码，判断按键是数字还是上锁、解锁控制信号。

其中还包括密码锁控制电路，密码锁控制电路组成有：

模块外部信号端口：

CLK：

时钟脉冲输入端口，DATA＿N：

数字输入端口，DATA＿F：

功能输入端口，FLAG＿N：

数字输入标志，FLAG＿F：

功能输入标，EMLOCK：

密码锁控制信号输出端口，DATA－BCD：

按键显示输出端口

模块内部信号有：

ACC：

暂存键盘输入信息，REG：

密码存储位置，RR2：

寄存器清零信号，R1，R0：

模块内部信号，二者差分生成清零信号，NC：

移位寄存，

QA，QB：

上锁、解锁控制信号。

密码锁控制电路主要程序为：

KEYIN＿PROCESS：

BLOCKISSIGNALRST，D0，D1：

STD＿LOGIC；BEGINRST＜＝RR2；PROCESS（FLAG＿N，RST）ISBEGIN

IFRST＝＇1＇THENACC＜＝＂0000000000000000＂；NC＜＝＂000＂；ELSE

IFFLAG＿N＇EVENTANDFLAG＿N＝＇1＇THENIFNC＜4THENACC＜＝ACC（11DOWNTO0）＆DATA＿N；NC＜＝NC＋1；ENDIF；ENDIF；ENDIF；ENDPROCESS；

ENDBLOCKKEYIN＿PROCESS；

以上程序的作用是清除、暂存按键输入数据，每输入一个数字，在数码管显示时都左移一位，直到输入位数达到4位，4位以后不再显示。

LOCK＿PROCESS：

BLOCKISBEGIN

PROCESS（CLK，DATA＿F）IS

BEGIN

IF（CLK＇EVENTANDCLK＝＇1＇）THEN

IFNC＝4THEN

IFDATA＿F

（2）＝＇1＇THEN－－上锁控制信号有效

REG＜＝ACC；－－密码存储QA＜＝＇1＇；QB＜＝＇0＇；

ELSIFDATA＿F（0）＝＇1＇THEN－－开锁控制信号有效

IFREG＝ACCTHEN－－密码核对

QA＜＝＇0＇；QB＜＝＇1＇；

ENDIF；

ELSIFACC＝＂1000100010001000＂THEN

QA＜＝＇0＇；QB＜＝＇1＇；

ENDIF；

这段程序的作用是在按下＊键时将输入的密码跟已经存储的密码进行对比，如果一样，则密码锁开锁。

而在通过密码验证后可以按＃键重新设定密码。

在这里值得注意的是有一个密码“8888”作为万用密码，也就是不论当前密码是什么，只要输入的密码为8888，则都可通过密码锁。

此次设计中还有必不可少的密码锁显示电路如下图所示：

其中模块外部信号端口为：

DATA－BCD：

密码信号输入端口，BLOCK：

密码锁状态信号显示灯。

根据设计要求，总程序为：

libraryieee;useieee.std_logic_1164.all;

useieee.std_logic_unsigned.all;

entitylockisport（clk_1k:

instd_logic;--频率输入管脚

enter_2,enter_1:

instd_logic;--设密码确认及输入密码确认datain:

instd_logic_vector（3downto0）;--密码数据输入

speaker:

outstd_logic;--喇叭

led_g,led_r:

outstd_logic）;--绿灯及红灯

endentitylock;

architecturebehaveoflockis

signalram:

std_logic_vector（3downto0）;

signaljudge:

std_logic;

signalclk:

std_logic;

signalturn_on,turn_off:

std_logic;

begin

process（Clk_1k）

variableclk_count:

std_logic_vector（8downto0）:

="000000000";

begin

ifclk_1k'eventandclk_1k='1'then--分频

ifclk_count<511then

clk_count:

=clk_count+1;

else

clk_count:

="000000000";

clk<=notclk;endif;endif;endprocess;

process（datain,enter_1）--设置密码

begin

ifenter_1'eventandenter_1='1'then

ram<=datain;

endif;endprocess;

process（clk_1k）--判断第一位密码按下时开始计时

begin

ifclk_1k'eventandclk_1k='1'thenifenter_1='0'thenjudge<='0';endif;

ifjudge='0'andenter_1='1'then

ifdatain/=ramthenjudge<='1';endif;endif;endif;endprocess;

process（judge,clk,enter_2）

variablecount:

std_logic_vector（4downto0）:

="00000";

variablejudge_sh:

std_logic_vector（1downto0）:

="00";

variableswitch:

std_logic:

='0';--判断是否锁定键盘

begin

ifclk'eventandclk='1'then

ifenter_1='0'then--数据复位

count:

="00000";judge_sh:

="00";switch:

='0';

endif;

ifswitch='0'then

ifjudge='1'then

ifcount<"0101"thencount:

=count+1;

ifenter_2='1'then

ifdatain=ramthen

turn_on<='1';turn_off<='0';switch:

='1';--开锁

elseifjudge_sh<"10"thenjudge_sh:

=judge_sh+1;turn_on<='1';turn_off<='1';switch:

='0';

elseturn_on<='0';turn_off<='1';switch:

='1';endif;endif;elseturn_on<='0';turn_off<='0';switch:

='0';--等待下次输入

endif;elseturn_on<='0';turn_off<='1';switch:

='1';

endif;endif;endif;endif;endprocess;

process（clk,clk_1k,turn_on）

beginifclk'eventandclk='1'then

ifenter_1='0'then--数据复位

count:

="0000";count_sh:

="00";temp:

='0';temp_sh:

='0';

endif;ifturn_on='0'andturn_off='1'then

ifcount<"10100"then--响20秒

count:

=count+1;temp:

='1';led_g<='0';led_r<='1';

elsetemp:

='0';endif;endif;

speaker<=（temportemp_sh）andclk_1k;--驱动喇叭

endprocess;endbehave;

3、仿真及仿真结果分析

弹跳消除仿真破型：

密码锁输入模块仿真波形图：

控制电路仿真波形：

显示模块仿真波形：

本次的设计基本完成了设计的要求，设计出的密码锁有4*4键盘输入，LED数码显示，蜂鸣器设置。

具有数字键和确认删除功能，同时用户可根据需要修改密码，密码超次报警功能。

基本完成了预期的目标，系统硬件调试花费时间较长，最终基本达到了预期的目标，配合软件仿真的实现。

本次设计较为完善。

本次设计在键盘操作，及数码管显示电路的研究较为详细。

实时显示方面做的比较好。

但是由于时间仓促、条件有限，设计成果并不是很完美，但对于这一整个电子密码锁系统，设计的程序已经基本实现

三、结论及心得体会

通过这次设计，使我对EDA产生了浓厚的兴趣。

特别是当每一个子模块编写调试成功时，心里特别的开心。

这次EDA课程设计历时一个星期，在这些日子里，可以说是苦多于甜，但是可以学的到很多很多的东西，同时不仅可以巩固以前所学过的知识，而且学到了很多在书本上所没有学到过的知识。

通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正为社会服务，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。

这次设计的密码锁还是比较成功的，虽然在设计中遇到了很多问题，最后在同学的帮助下外加上自己的努力，终于都得到了解决，因此很有成就感，终于觉得平时所学的知识有了实用的价值，达到了理论与实际相结合的目的。

参考资料

[1]潘松著.EDA技术实用教程（第二版）.北京：

科学出版社,2005.

参考文献：

[2]刘常澍，赵雅兴．数字电路与FPGA［M］．北京：

人民邮电出版社，

2004．

[3]任晓东，文博．CPLD／FPGA高级应用开发指南［M］．北京：

电子工

业出版社，2003．

[4]汉泽西．EDA技术及其应用［M］．北京：

北京航空航天大学出版

社，2004．

[5]王小军．VHDL简明教程［M］．北京：

清华大学出版社，1997．