电子密码锁EDA课程设计.doc

电子密码锁EDA课程设计

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2020年4月19日
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青岛农业大学

电子设计自动化课程设计报告

—— 第2学期

实习题目： 电子密码锁

姓 名 ：________ _____________

学 号 ：____ _ _ _________

专业班级：__________电自化1003_________

指导老师：______ _ ____________

6月8日
EDA课程设计
一、设计任务
1、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能够修改的4位代码，当开锁按钮开关（可设置成6位至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。
2、要解决的关键问题
（1）、该题的主要任务是产生一个开锁信号，而开锁信号的形成条件是，输入代码和已设密码相同。实现这种功能的电路构思有多种，例如，用两片8位锁存器，一片存入密码，另一片输入开锁的代码，经过比较的方式，若两者相等，则形成开锁信号。
（2）、在产生开锁信号后，要求输出声、光信号，声音的产生由开锁信号触动扬声器工作，光信号由开锁信号点亮LED指示灯；
（3）、用按钮开关的第一个动作信号触发一个5秒定时器，若5秒内无开锁信号产生，让扬声器发出特殊音响，以示警告，并输出一个信号推动LED不断闪烁。
二、设计方案
1、总体设计思想
本设计采用VHDL语言进行编程，把所有的功能都整合到一个程序，采用不同的进程将不同的功能区分开来。该程序主要由密码输入进程、密码修改进程、密码锁操作进程、报警计时进程和报警动作进程等组成。这样设计的好处是不用设计顶层文件或者顶层原理图，没有复杂的连线。当然，仅仅是对于一些功能简单，代码较短的程序采用该种方法编程，而该题目正好符合这个条件。
该功能共有两个时钟信号，一个是键盘扫描和系统时钟，采用的是1Hz的时钟信号，该信号不但能够防止键盘抖动引起的误操作，还有助于系统计时。因为报警电路中的蜂鸣器为无源蜂鸣器，因此需要一个方波信号来驱动蜂鸣器，使其发出声音。因此又采用了一个1KHz的信号用于驱动蜂鸣器。
为了编程简单，本设计采用的是八个独立键盘，四个按键用于输入密码，四个按键作为功能键。四位0000到9999可任意改变的密码，输入密码或者更改密码时，采用的是自加运算，当数字加到10以后，自动清零。另外四个功能健分别是开锁键、关锁键、修改密码键、清除自锁健。
本设计采用LED显示和数码管显示，LED主要用于表示现在的密码锁的开关状态，数码管用于显示输入的数值。该种显示清晰明了，能够防止误操作的发生。另外还采用蜂鸣器和LED闪烁报警，当从输入第一个密码开始计时，如果5秒内没有开锁，密码锁会自动报警20S，并让一个LED灯闪烁，直到自锁信号解除。
2、系统设计实现的基本功能
（1） 密码输入：每按下一个数字键，就输入一个数值，并在显示器相应位置上显示出该数值。
（2） 密码清除：按下开锁键和关锁键进入锁定和开锁状态后，系统自动可清除前面所有的输入值，清除成为“0000”。
（3） 密码更改：当密码锁位于开锁状态下，按下更改键能够设定新的密码
（4） 密码上锁：按下上锁键可将密码锁上锁。
（5） 密码解除：按下解除键首先检查输入的密码是否正确，密码正确即解锁。
（6） 密码自锁：从输入第一个密码开始计时，如果5秒内没有开锁，密码锁会自动报警，并进入自锁状态，此时不允许任何操作。
（7） 自锁清除：经过自锁清除键能够清除自锁状态，使密码锁进入正常工作状态。
3、系统程序
LIBRARY IEEE;
USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;
USE IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;
ENTITY LOCK IS
PORT(CLK,CLK5:IN STD_LOGIC;
KEY1,KEY2,KEY3,KEY4,KEY5,KEY6,KEY7,KEY8:IN STD_LOGIC;
Q1,Q2,Q3,Q4:OUT STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0);
LED_G,LED_R,LED,BEEP:OUT STD_LOGIC);
END LOCK;
ARCHITECTURE BEHAV OF LOCK IS
SIGNAL PASSWORD1:STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0):="0001";
SIGNAL PASSWORD2:STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0):="0001";
SIGNAL PASSWORD3:STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0):="0001";
SIGNAL PASSWORD4:STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0):="0001";
SIGNAL JISHI5:STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0):="0000";
SIGNAL JISHI20:STD_LOGIC_VECTOR(4 DOWNTO 0):="00000";
SIGNAL ZISUO,FLAG,BEEP_FLAG,KAI,LED_TMP:STD_LOGIC:='0';
SIGNAL CODE1,CODE2,CODE3,CODE4:STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0);
BEGIN
PROCESS(clk,key1,key2,key3,key4,key6)
BEGIN
IF ZISUO='0' AND KEY6='0' AND KAI='0' THEN
IF KEY1'EVENT AND KEY1='1' THEN --用来输入代码，在关锁状况下，而且无开锁和设置密码信号下有效
IF CODE1<9 THEN CODE1<=CODE1+1;
ELSE CODE1<=(OTHERS=>'0');
END IF;
END IF;
IF KEY2'EVENT AND KEY2='1' THEN
IF CODE2<9 THEN CODE2<=CODE2+1;
ELSE CODE2<=(OTHERS=>'0');
END IF;
END IF;
IF KEY3'EVENT AND KEY3='1' THEN
IF CODE3<9 THEN CODE3<=CODE3+1;
ELSE CODE3<=(OTHERS=>'0');
END IF;
END IF;
IF KEY4'EVENT AND KEY4='1' THEN
IF CODE4<9 THEN CODE4<=CODE4+1;
ELSE CODE4<=(OTHERS=>'0');
END IF;
END IF;
ELSIF(ZISUO='0' AND KEY7='1' AND KAI='1')THEN
CODE1<="0000";CODE2<="0000";CODE3<="0000";CODE4<="0000"; --这一步很重要，重新上锁必须将密码值清零，不然会显示上次输入的密码
IF KEY6='1' AND KAI='1' THEN --显示密码
Q1<=PASSWORD1;
Q2<=PASSWORD2;
Q3<=PASSWORD3;
Q4<=PASSWORD4;
END IF;
IF KEY6='0' AND KAI='0' THEN --显示要更改的密码
Q1<=CODE1;
Q2<=CODE2;
Q3<=CODE3;
Q4<=CODE4;
END IF;
IF KEY6='0' AND KAI='1' THEN --开锁后显示零
Q1<="0000";
Q2<="0000";
Q3<="0000";
Q4<="0000";
END IF;
ELSIF ZISUO='0' AND KEY6='1' AND KAI='1' THEN --按住KEY6设置密码，此时必须是开锁状态
IF KEY1'EVENT AND KEY1='1' THEN
IF PASSWORD1<9 THEN PASSWORD1<=PASSWORD1+1;
ELSE PASSWORD1<=(OTHERS=>'0');
END IF;
END IF;
IF KEY2'EVENT AND KEY2='1' THEN
IF PASSWORD2<9 THEN PASSWORD2<=PASSWORD2+1;
ELSE PASSWORD2<=(OTHERS=>'0');
END IF;
END IF;
IF KEY3'EVENT AND KEY3='1' THEN
IF PASSWORD3<9 THEN PASSWORD3<=PASSWORD3+1;
ELSE PASSWORD3<=(OTHERS=>'0');
END IF;
END IF;
IF KEY4'EVENT AND KEY4='1' THEN
IF PASSWORD4<9 THEN PASSWORD4<=PASSWORD4+1;
ELSE PASSWORD4<=(OTHERS=>'0');
End IF;
END IF;
END IF;
END PROCESS;
PROCESS (CLK,key5,key7)
BEGIN
IF CLK'EVENT AND CLK='1' THEN
IF KEY5='1' AND ZISUO='0' AND KEY6='0' THEN
IF PASSWORD1=CODE1 AND PASSWORD2=CODE2 AND PASSWORD3=CODE3 AND PASSWORD4=CODE4
THEN KAI<='1'; --按下开锁键后，如果密码正确，开锁
ELSE KAI<='0';
END IF;
END IF;
END IF;
IF KAI='1' THEN
LED_G<='1';LED_R<='0'; --开锁后红灯灭绿灯亮，否则红灯亮绿灯灭
ELSE LED_G<='0';LED_R<='1';
END IF;
IF KEY7='1' AND KEY6='0' THEN --关锁按钮按下后关锁
KAI<='0' ;LED_G<='0';LED_R<='1';
END IF;
END PROCESS;
PROCESS(CLK,KEY1,KEY8)
BEGIN
IF(KEY1'EVENT AND KEY1='1')THEN
FLAG<='1';
END IF;
IF CLK'EVENT AND CLK='1' THEN --按下第一个按键时 置位标志位FLAG,开始计时
IF(FLAG='1')THEN
IF ZISUO='0' AND KEY6='0' AND KAI='0' THEN
IF JISHI5<5 THEN JISHI5<=JISHI5+1;
ELSE JISHI5<="0000";
END IF;
END IF;
END IF;
IF (JISHI5=5 AND KAI='0') THEN --如果5秒后未开锁则进入自锁状态
ZISUO<='1';
END IF;
END IF;
IF KAI='1' THEN --5秒内开锁 计时清零，标志位清零
JISHI5<="0000";FLAG<='0';
END IF;
IF KEY8='1' AND ZISUO='1' THEN --K8按下后清除自锁
ZISUO<='0';FLAG<='0';
END IF;
END PROCESS;
PROCESS(CLK,KEY8,CLK5)
BEGIN
IF CLK'EVENT AND CLK='1' THEN --如果自锁则蜂鸣器持续20秒发声
IF ZISUO='1' THEN
IF JISHI20<20 THEN
JISHI20<=JISHI20+1;
BEEP_FLAG<='1'; --置位蜂鸣器标志位
ELSE BEEP_FLAG<='0';
END IF;
LED_TMP<=NOT LED_TMP; --进入自锁后灯闪烁提示
LED<=LED_TMP;
END IF;
IF ZISUO='0' THEN --自锁解除，清零计时值和标志位
JISHI20<="00000";LED<='0';BEEP_FLAG<='0';LED_TMP<='0';JISHI20<="00000";
END IF;
END IF;
IF BEEP_FLAG='1' THEN --判断蜂鸣器标志位是否为1
IF CLK5='1' THEN --CLK5给无源蜂鸣器提供1K的时钟信号
BEEP<='1';
ELSE BEEP<='0';
END IF;
END IF;
END PROCESS;
END BEHAV;
三、心得体会
一周的EDA实习结束，经过自己的努力和团队之间的合作，我们圆满的完成了课程设计的各项要求，当看到自己的成果，心里的成就感让自己感到喜悦。但这次实习带给我们的不但仅是这些，还有就是从中学到的其它的东西。
在自己没有进行实习前，自认为自己的EDA学得还不错，而且平常的实验室表现也能够，大部分的实验都能独立完成并顺利经过验收。但当自己真正开始做一个实际的东西时，发现自己所学的知识还是远远不够的，毕竟理论和实践之间还是存在很大的差距的。刚发下题目的时候，觉得有些无从下手，根本就找不到一个合理的方案。于是开始从图书馆借书，从网上找资料。经过半天的研究，自己才算是有一些思路。因此，该次实习让我看到自己的水平还有待提升，而且让我明白，从理论到实际，并不是那么简单。
另外，方案的确定也让我学到很多东西。刚开始的时候，我们采用的两种方案并行，到最后哪种方案合适采用哪种，而这两种方案都是从网上和书上找来的。于是我和队友分头工作，一人编写一种方案。可是当自己忙活了一天，程序编的差不多的时候，才发现，别人的方案在实验室的实验箱上不可行。因为方案中采用的是矩阵键盘，而实验箱采用的独立键盘，而且数目也只有八个。当然能够采用自己连线的方式外接一个矩阵键盘，但这样的话，稳定性不高，只要任何一根线没有连接合适，整个系统就无法工作了。因此，这个时候我们只有更换方案，但问题又出来了，根本找不到有关独立键盘的任何例程，如果更换方案的话，所有的程序必须自己编写。可是，自己是否能完成程序的编写自己都不确定。后来，我们决定试一试，舍掉以前所有的方案，根据要求自己编写程序。幸运的是，最后我们把程序编了出来，而且还实现了各种要求。经过这件事，让自己认识到自己的两点不足。一个是方案的确定太过仓促。确定方案时，必须做好前期调查，正确分析，做出正确的判断，确保方案能够正确实施。因为自己时间有限，因此最好不要采用多种方案，这样会分散你的经历，确定一个最佳的方案，然后把全部的经历用在这个方案上。另外就是，不要对自己太过自信，也不要太没有自信。不尝试一下，谁也不会知道结果会是怎样，有时候压力确实会让你的潜力发挥出来，高效的完成一个任务。
在一个就是对于EDA方面的提升，因为自己有过编程的基础，因此对于编程来说，并不是很陌生。但当自己真正的去编写VHDL程序时，还是有一定的困难。毕竟VHDL和C语言还是有很多不同的。其中在编写程序时，有个问题就困扰了我很久。就是在两个互不影响的进程中对同一个信号进行赋值，也就是说这两个进程能够同时满足，但里面有个相同的信号，这样的话，这个信号可能会被多次赋值，这时候编译的时候就会出错。但自己没有意识到这个问题。后来经过查阅，才找出问题所在。后来发现，不但是进程，两个互不影响的顺序语句也不能对同一个信号或变量进行赋值。经过自己编程的经历，让自己意识到，有些东西，你不自己亲手做，问题永远发现不了，那自己也不可能会有进步。
实习结束了，但在实习中学到的东西却还没有结束，就是经过这样的实践操作，才会让自己真正把理论应用于实践，才会真正的学以致用。