4位数字密码锁的设计

电子技术综合课程设计

报告

设计题目：用与非门设计一个4位代

码的数字锁

专业班级： --------- 学生姓名： ---

学生学号： -

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指导教师： -

设计时间： 2016-6-20 ∽ 7-1

1、课程设计任务、要求:

设计一个保险箱用4位代码数字锁，如果输入代码与设定的代码（1101）相同，则保险箱被打开，绿色指示灯亮，错误则红色指示灯亮并发出声音报警。

2、课程设计目的、意义：

1.通过课程设计巩固、深化和扩展理论知识与初步的专业技能，提高综合运用知识

的能力，逐步增强实际工程训练。

2.运用所学数字电路技术的知识设计一个4位数字的代码锁，并能够通过计算，得到

该电路需要的元器件型号和参数值大小；

3.学习并使用仿真软件 protues 经行模拟仿真，熟悉元件库和各种仪器的使用，作

图并进行调试，能够最终模拟出最符合要求的设计图。

4.让我们能够通过运用所学知识设计电路来模拟出实际生活中的一些常见的器件，将

知识和运用联系起来。

5.可以培养并锻炼我们的动手实践的能力、查阅手机资料的能力、独立思考分析解

决问题的能力以及团结合作的能力，以便在以后的学习工作和生活中，能够更好

地分析解决真实遇到的问题。

3、设计题方案比较、论证

方案一：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3.1

图3.1 方案一的电路图

方案二：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3.2

如图3.2 方案二的电路图

方案比较论证：由于第一个方案中利用RV2、R5、C4、PNP型三极管、R6使第一块芯片的电压控制得到连续变化的电压，进而使第二块芯片产生多变的频率；虽符合题目的要求，但所用器件以及电路图相比方案一复杂，所以选择淘汰。方案二仅使用4个单刀双掷开关构成密码开关来控制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。符合题目要求，所使用的元器件也少。

4、各单元电路设计，元器件参数计算、选择、电路图绘制，总体电路图

元器件选择：74LS00芯片，74LS20芯片，蜂鸣器，LED 灯，开关

图3.3 仿真结果图

5、元器件常识，布局、布线技巧，焊接工艺技巧

元器件常识：

1)电容：

磁性电容没有极性，标准为4300时为4300PF，103时为uF；耐压值≤50V。电解电容有极性，一般正极长，负极短，且负极有白色条纹。耐压值比较高≤1000V。

2)电阻

使用标称值E24，各种颜色代表的值如下表：

3)电位器：

电位器中间的引脚的滑动片，最大阻值读数例如：103=10k欧，202=2k欧

4)扬声器

一般无正负极。

5)发光二极管：

发光二极管的压降一般为1.8V ∽ 2.2V，电流5 ∽ 25mA

布局原则：

1、根据结构图设置板框尺寸，按结构要素布置安装孔、接插件等需要定位的器件，并给这些器件赋予不可移动属性。按工艺设计规范的要求进行尺寸标注。

2. 根据结构图和生产加工时所须的夹持边设置印制板的禁止布线区、禁止布局区域。根据某些元件的特殊要求，设置禁止布线区。

3. 综合考虑PCB性能和加工的效率选择加工流程。

加工工艺的优选顺序为：元件面单面贴装——元件面贴、插混装（元件面插装焊接面贴装一次波峰成型）——双面贴装——元件面贴插混装、焊接面贴装。

4、布局操作的基本原则

A. 遵照“先大后小，先难后易”的布置原则，即重要的单元电路、核心元器件应当优先布局．

B. 布局中应参考原理框图，根据单板的主信号流向规律安排主要元器件．

C. 布局应尽量满足以下要求:总的连线尽可能短，关键信号线最短;高电压、大电流信号与小电流，低电压的弱信号完全分开;模拟信号与数字信号分开；高频信号与低频信号分开；高频元器件的间隔要充分．

D. 相同结构电路部分，尽可能采用“对称式”标准布局；

E. 按照均匀分布、重心平衡、版面美观的标准优化布局；

F. 器件布局栅格的设置，一般IC器件布局时，栅格应为50--100 mil,小型表面安装器件，如表面贴装元件布局时，栅格设置应不少于25mil。

G. 如有特殊布局要求，应双方沟通后确定。

5. 同类型插装元器件在X或Y方向上应朝一个方向放置。同一种类型的有极性分立元件也要力争在X或Y方向上保持一致，便于生产和检验。

6. 发热元件要一般应均匀分布，以利于单板和整机的散热，除温度检测元件以外的温度敏感器件应远离发热量大的元器件。

7. 元器件的排列要便于调试和维修，亦即小元件周围不能放置大元件、需调试的元、器件周围要有足够的空间。

8. 需用波峰焊工艺生产的单板，其紧固件安装孔和定位孔都应为非金属化孔。当安装孔需要接地时, 应采用分布接地小孔的方式与地平面连接。

9. 焊接面的贴装元件采用波峰焊接生产工艺时，阻、容件轴向要与波峰焊传送方向垂直，阻排及SOP（PIN间距大于等于1.27mm）元器件轴向与传送方向平行；PIN间距小于1.27mm（50mil)的IC、SOJ、PLCC、QFP等有源元件避免用波峰焊焊接。

10. BGA与相邻元件的距离>5mm。其它贴片元件相互间的距离>0.7mm；贴装元件焊盘的外侧与相邻插装元件的外侧距离大于2mm；有压接件的PCB，压接的接插件周围5mm内不能有插装元、器件，在焊接面其周围5mm内也不能有贴装元、器件。

11. IC去耦电容的布局要尽量靠近IC的电源管脚，并使之与电源和地之间形成的回路最短。

12. 元件布局时,应适当考虑使用同一种电源的器件尽量放在一起, 以便于将来的电源分隔。

13. 用于阻抗匹配目的阻容器件的布局，要根据其属性合理布置。

串联匹配电阻的布局要靠近该信号的驱动端，距离一般不超过500mil。

匹配电阻、电容的布局一定要分清信号的源端与终端，对于多负载的终端匹配一定要在信号的最远端匹配。

14. 布局完成后打印出装配图供原理图设计者检查器件封装的正确性，并且确认单板、背板和接插件的信号对应关系，经确认无误后方可开始布线。

布线规则：

①．一般情况下，首先应对电源线和地线进行布线，以保证电路板的电气性能。在条件允许的范围内，尽量加宽电源、地线宽度，最好是地线比电源线宽，它们的关系是：地线＞电源线＞信号线，通常信号线宽为：0.2～0.3mm，最细宽度可达0.05～0.07mm，电源线一般为1.2～2.5mm。对数字电路的 PCB可用宽的地导线组成一个回路, 即构成一个地网来使用（模拟电路的地则不能这样使用）

②．预先对要求比较严格的线（如高频线）进行布线，输入端与输出端的边线应避免相邻平行，以免产生反射干扰。必要时应加地线隔离，两相邻层的布线要互相垂直，平行容易产生寄生耦合。

③．振荡器外壳接地，时钟线要尽量短，且不能引得到处都是。时钟振荡电路下面、特殊高速逻辑电路部分要加大地的面积，而不应该走其它信号线，以使周围电场趋近于零；

④．尽可能采用45o的折线布线，不可使用90o折线，以减小高频信号的辐射；（要求高的线还要用双弧线）

⑤．任何信号线都不要形成环路，如不可避免，环路应尽量小；信号线的过孔要尽量少；

⑥．关键的线尽量短而粗，并在两边加上保护地。

⑦．通过扁平电缆传送敏感信号和噪声场带信号时，要用“地线-信号-地线”的方式引出。

⑧．关键信号应预留测试点，以方便生产和维修检测用

⑨．原理图布线完成后，应对布线进行优化；同时，经初步网络检查和DRC检查无误后，对未布线区域进行地线填充，用大面积铜层作地线用,在印制板上把没被用上的地方都与地相连接作为地线用。或是做成多层板，电源，地线各占用一层。

焊接工艺技巧：

1 、焊接顺序元器件装焊顺序依次为：电阻器、电容器、二极管、三极管、集成电路、大功率管，其它元器件为先小后大。

2 、对元器件焊接要求

1 ）电阻器焊接按图将电阻器准确装人规定位置。要求标记向上，字向一致。装完同一种规格后再装另一种规格，尽量使电阻器的高低一致。焊完后将露在印制电路板表面多余引脚齐根剪去。

2 ）电容器焊接将电容器按图装人规定位置，并注意有极性电容器其“＋”与“－”极不能接错，电容器上的标记方向要易看可见。先装玻璃釉电容器、有机介质电容器、瓷介电容器，最后装电解电容器。

3 ）二极管的焊接二极管焊接要注意以下几点：第一，注意阳极阴极的极性，不能装错；第二，型号标记要易看可见；第三，焊接立式二极管时，对最短引线焊接时间不能超过 2S 。

4 ）三极管焊接注意 e 、 b 、 c 三引线位置插接正确；焊接时间尽可能短，焊接时用镊子夹住引线脚，以利散热。焊接大功率三极管时，若需加装散热片，应将接触面平整、打磨光滑后再紧固，若要求加垫绝缘薄膜时，切勿忘记加薄膜。管脚与电路板上需连接时，要用塑料导线。

5 ）集成电路焊接：首先按图纸要求，检查型号、引脚位置是否符合要求。焊接时先焊边沿的二只引脚，以使其定位，然后再从左到右自上而下逐个焊接。

对于电容器、二极管、三极管露在印制电路板面上多余引脚均需齐根剪去。

6、安装、调试过程，故障问题分析及解决

搭接工作完成后，做一次系统的检查，如果各部分连线正确，方可接通电源，进行调试。调试时应先对子系统调试，子系统调试成功，再进行子系统之间的连接和调试。调试中如果发现实验现象与设计要求不符合，可从简单部分或某一个预知特性的点开始，逐级进行查找，逐步缩小故障可能存在的范围，直到查出故障点并排除，使之达到预定的目的。

故障问题：

在调试时，我们作品的LED灯达到要求的结果，但是蜂鸣器一直在响。

分析及解决：

我们首先想到的可能是蜂鸣器直接接上了电源所以不论怎么改变都是一直在运行，但是重新焊接之后发现并不是这个问题。在进行每个引脚的测试后才发现是开关端口接的有问题，重新焊接之后发现可以正常运行了。

7、心得体会

（1）组员==：在这次课程设计中发现了平常学习中的不足。了解了在设计中很多不够完善的地方，也知道在一个电路中越是简单越方便方便实际操作。我们的设计图是非常简单的，但也就更考验我们的基础知识。在焊接的过程中，我发现我还有非常多的不足，比如我并不清楚每个芯片的连接方法，每个引脚但标的作用，该连的线是什么。所以我必须要多看书和资料才能更好的完成这次试验。

（2）组员==：通过这次数电实验让我了解了数电的课程设计是需要一步一步进行的，在实验过程中，要检查好每一个元件。

（3）组员==：在做课程设计的同时也加强了对课本知识的巩固，平时课间的学习并不能很好的理解和运用各个元件的功能，这次给了我们一个更好的了解了元件的功能的机会，并且对元器件在电路中的使用有了更多的认识。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。这次课程设计，学到很多东西。通过对电路系统的设计制作使我认识到我现在所学的知识还远远不够，在实际操作应用中有些问题还不能解决，所以我要在今后的学习中更加努力，学好自己的专业知识以充实自己，来适应日新月异的现代社会。其次，在设计的过程中我们也真正体会到了合作的重要性，只有充分发挥团队合作精神才能在最短的时间里圆满完成工作。成功离不开团队的合作。