4数字电子密码锁 设计目的与要求： 目的：掌握矩阵式键盘的工作原理、设计方法：掌握译码器的应用：掌握状态机的 设计方法，掌握数码管的控制。 要求：设计一个数字电子密码锁，密码为3位，密码锁由键盘控制，显示采用数码 答及IDT 功能 1、密码输入：每按下一个数字键，要求在数码管上显示，并依次左移：输入错误 时，按退格键，清除前一个输入的数字：输入完毕，按确认键。 2、开锁：按开锁键，检查输入的密码是否正确，正确才开锁，成功。 3、上锁：按上锁键，可以直接上锁或者设定新密码上锁。 4、密码修改：按下修改键，必须先核对原密码，正确后可以输入3位数字，设为新 的密码。 5、报警：开锁输入密码，连续错误三次，则禁止输入密码，并发出报警信号，用 红灯一直亮表示。 6、解除报警：按复位键，解除报警状态，实际应用中复位键设置在其他部位，不 可设置在键盘上 7 万能 电锁维护者使用，在程序中暂时统一设置为999 其他要求：输入键盘为矩阵式，不使用直接式：条件允许时可以使用语音模块 代替指示灯的表示。 电路组成： 为达到以上功能，可将数字电子密码锁分为以下几个模块： 1、键盘接口电路： 键盘矩阵、键盘扫描、键盘消抖、键盘译码及按键存储。 2、密码锁控制电路： 数字按键输入、存储及清除： 功能按键的设计：退格键、确认键、开锁键、上锁键、修改键、解除报警键： 密码清除、修改与存储。 密码锁的上锁与开锁。 3、输出显示电路 BCD译码、动态扫描电路、指示灯电路（或者为语音控制电路）。 三、功能电路的设计： 1、键盘接口电路：图1 (1)矩阵式键盘工作原理： 矩阵式键盘是一种常见的输入装置，在计算机、电话、手机、微波炉等各工电 子产品中被广泛应用。如图2所示为一4×4矩阵式键盘。 矩阵式键盘以行、列形式排列，图中为4行4列键盘上的每一个按键盘其实 是一个开关 当某键被按下时，该按键 对应的位置就呈现逻辑0的状 ，键盘 的扫描可以以行扫或列扫方式进行，图中为行扫方式，KEYR3一KEYRO为扫描信 号，其中的某一位为0即扫描其中的一行，具体见表1
4 数字电子密码锁 一、 设计目的与要求： 目的：掌握矩阵式键盘的工作原理、设计方法；掌握译码器的应用；掌握状态机的 设计方法，掌握数码管的控制。 要求：设计一个数字电子密码锁，密码为3 位，密码锁由键盘控制，显示采用数码 管及LED灯。 功能： 1、 密码输入：每按下一个数字键，要求在数码管上显示，并依次左移；输入错误 时，按退格键，清除前一个输入的数字；输入完毕，按确认键。 2、 开锁：按开锁键，检查输入的密码是否正确，正确才开锁，成功。 3、 上锁：按上锁键，可以直接上锁或者设定新密码上锁。 4、 密码修改：按下修改键，必须先核对原密码，正确后可以输入3位数字，设为新 的密码。 5、 报警：开锁输入密码，连续错误三次，则禁止输入密码，并发出报警信号，用 红灯一直亮表示。 6、 解除报警：按复位键，解除报警状态，实际应用中复位键设置在其他部位，不 可设置在键盘上。 7、 万能密码：电锁维护者使用，在程序中暂时统一设置为999。 8、 其他要求：输入键盘为矩阵式，不使用直接式；条件允许时可以使用语音模块 代替指示灯的表示。 二、 电路组成： 为达到以上功能，可将数字电子密码锁分为以下几个模块： 1、键盘接口电路： 键盘矩阵、键盘扫描、键盘消抖、键盘译码及按键存储。 2、密码锁控制电路： 数字按键输入、存储及清除； 功能按键的设计：退格键、确认键、开锁键、上锁键、修改键、解除报警键； 密码清除、修改与存储。 密码锁的上锁与开锁。 3、输出显示电路 BCD译码、动态扫描电路、指示灯电路（或者为语音控制电路）。 三、功能电路的设计： 1、键盘接口电路：图1 （1）矩阵式键盘工作原理： 矩阵式键盘是一种常见的输入装置，在计算机、电话、手机、微波炉等各工电 子产品中被广泛应用。如图2所示为一4×4 矩阵式键盘。 矩阵式键盘以行、列形式排列，图中为4 行4 列，键盘上的每一个按键盘其实 是一个开关电路，当某键被按下时，该按键所对应的位置就呈现逻辑0的状态，键盘 的扫描可以以行扫或列扫方式进行，图中为行扫方式，KEYR3—KEYR0 为扫描信 号，其中的某一位为0即扫描其中的一行，具体见表1
789开做 清抖电路 键盘译码 按键存储 456上 123密码修政健 CPLD 键盘扫描 图1 经上拉电阻接VCC ▲ KEYC3.0 [刁89开模健 456上懒镜 盘扫描 123密码修 KEYR3.0 0 确认 图2 表1键盘扫描与其对应的键值的关系 KEYR3.0 KEYC3.0 对应的按键KEYR30KEYC3.0对应的按键 0111 011 0111 1011 8 1101 1011 2 1101 0 1101 开锁键 1110 密码修改键 0111 4 0111 0 1011 1011 5 1110 1011 1101 1101 退格键 1110 上锁键 确认键 键盘扫描信号KEYR3与第一行相连，KEYR2与第二行相连，依此类推，很显然， 扫描信号的变化顺序为：0111、1011、1101、1110，周而复始。在扫描的过程中， 当有键按下时，对应的键位就为逻辑0状态，从而从KEYC3.0读出的键值相应列 为0，具体情况如表1所示。若从KEYC3.0读出的值全为1时，表示没有键被按下 则不进行按键的处理。 如果的健被按下，则将KEYC3.0读出的送至键盘译码电路进
7 8 9 开锁键 4 5 6 上锁键 1 2 3 密码修改键 0 # 退 格 键 确认键 清抖电路 键盘译码 按键存储 键盘扫描 图 1 CPLD 7 8 9 开锁键 4 5 6 上锁键 1 2 3 密码修改键 0 # 退 格 键 确认键 经上拉电阻接VCC 图2 KEYC3.0 KEYR3.0 键 盘 扫 描 表1 键盘扫描与其对应的键值的关系 KEYR3.0 KEYC3.0 对应的按键 KEYR3.0 KEYC3.0 对应的按键 0111 0111 7 1101 0111 1 1011 8 1011 2 1101 9 1101 3 1110 开锁键 1110 密码修改键 1011 0111 4 1110 0111 0 1011 5 1011 # 1101 6 1101 退格键 1110 上锁键 1110 确认键 键盘扫描信号KEYR3与第一行相连，KEYR2与第二行相连，依此类推。很显然， 扫描信号的变化顺序为：0111、1011、1101、1110，周而复始。在扫描的过程中， 当有键按下时，对应的键位就为逻辑0 状态，从而从KEYC3.0 读出的键值相应列 为0，具体情况如表1 所示。若从KEYC3.0 读出的值全为1 时，表示没有键被按下， 则不进行按键的处理。如果的键被按下，则将KEYC3.0读出的送至键盘译码电路进
行译码。 （2)时钟产生电路 在一个系统的设计中，往往需要多种时钟信号，最方便的方法是利用一个自由 计数器来产生各种需要的频率 ,本电路需要：系统主时钟CLK 扫描状态产生时 ckouta和动态扫描时钟clkoutb,其中系统主时钟CLK为输入时钟， 由20MHZ晶振产 生。 程序清单： librarY ieee USEieee.std_logic_l164.ALL USE IEEE.STD_LOGIC_ARITH.ALL; USE IEEE STD LOGIC UNSIGNED ALL ENTITY clkdiv IS PORT(CLK·IN STD LOGIC clkouta,clkoutb:OUTSTD_LOGIC) END clkdiV: ARCHITECTURE rtl OF clkdiV IS SIGNAL CLKA:STD_LOGIC; Begin PROCESS (CLK) VARIABLE S:INTEGER RANGE 200 DOWNTO 0: Begin IF CLK'Event AND CLK=I'then IF S<200 THEN S=S+1, CLKA<-0 ELSES:-0, CLKA<=1 ENDIF; ENDIF END PROCESS PROCESS(CLKA) VARIABLE S:INTEGER RANGE 100 DOWNTO 0; Begin IF CLKA'Event andclka=l'ther IF S<10 THEN S=S+1 CLKOUTa<=0 clkoutb<='0': ELSIF S<20 THEN Q=g+1 CLKOUTa<=I' CLKOUTb<- ELSIF S<50 THEN S=S+1:
行译码。 （2）时钟产生电路 在一个系统的设计中，往往需要多种时钟信号，最方便的方法是利用一个自由 计数器来产生各种需要的频率。本电路需要：系统主时钟CLK、扫描状态产生时钟 clkouta和动态扫描时钟clkoutb,其中系统主时钟CLK为输入时钟，由20MHZ晶振产 生。 程序清单： LIBRARY ieee; USE ieee.std_logic_1164.ALL; USE IEEE.STD_LOGIC_ARITH.ALL ; USE IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL ; ENTITY clkdiv IS PORT (CLK: IN STD_LOGIC ; clkouta,clkoutb: OUT STD_LOGIC); END clkdiV ; ARCHITECTURE rtl OF clkdiV IS SIGNAL CLKA:STD_LOGIC; Begin PROCESS (CLK) VARIABLE S:INTEGER RANGE 200 DOWNTO 0; Begin IF CLK'Event AND CLK='1' then IF S<200 THEN S:= S+1; CLKA<='0'; ELSE S:=0; CLKA<='1'; END IF; END IF; END PROCESS; PROCESS (CLKA) VARIABLE S:INTEGER RANGE 100 DOWNTO 0; Begin IF CLKA'Event AND CLKA='1' then IF S<10 THEN S:= S+1; CLKOUTa<='0'; clkoutb<='0'; ELSIF S<20 THEN S:=S+1; CLKOUTa<='1'; CLKOUTb<='0'; ELSIF S<50 THEN S:=S+1;
CLKOUTa<='I CLKOUTb<=1; ELSIF S<70 THEN S=S+1 CLKOUTa<=1' CLKOUTb<-0: ELSIF S<100 THEN g=g+1. CLKOUTa CLKOUTb<-0; ELSE S:=0:; EnDIF: ENDIF; END PROCESS 股CK时钟经过两次分瓶，得到扫描状态产生时钟k uta和动态扫描时钟elkout 均是1KHZ,但是扫描状态产生时钟clkouta的高电平部分完全包含动态扫描时钟 clkoutb的高电平部分，目的在于先使用时钟clkouta的上升沿产生扫描状态的变化， 再使用时钟clkoutb的上升沿产生键盘扫描信号。 仿真波形： 1.0rs 20m8 3.0ms 4.0ms 50m (3) 键盘扫描电路 目标：提供键盘扫描信号SCAN OUT,即表1中的KEYR3.0,变化顺序依次为0111、 1011、1101、1110.依次重复出现。 程序清单： LIBRARYieee USEieee.std_logic_1164.ALL USE IEEE STD LOGIC ARITHALL USE IEEE.STD LOGIC UNSIGNED.ALL ENTITY scan Is PORT(CLKA CLKB INSTD LOGIC SCAN_STATE:OUTSTD_LOGIC_VECTOR(1 DOWNTO0) SCAN OUT:OUT STD LOGIC VECTOR(3 downto0)): END scan; archiTecTUreitlof scan is SIGNAL S:STD LOGIC_VECTOR(I DOWNTO0). Begin PROCESS(CLKA)
CLKOUTa<='1'; CLKOUTb<='1'; ELSIF S<70 THEN S:=S+1; CLKOUTa<='1'; CLKOUTb<='0'; ELSIF S<100 THEN S:=S+1; CLKOUTa<='0'; CLKOUTb<='0'; ELSE S:=0; END IF; END IF; END PROCESS; end rtl; 说明：CLK时钟经过两次分频，得到扫描状态产生时钟clkouta和动态扫描时钟clkoutb 均是1KHZ，但是扫描状态产生时钟clkouta的高电平部分完全包含动态扫描时钟 clkoutb的高电平部分，目的在于先使用时钟clkouta的上升沿产生扫描状态的变化， 再使用时钟clkoutb的上升沿产生键盘扫描信号。 仿真波形： （3） 键盘扫描电路 目标：提供键盘扫描信号SCAN_OUT，即表1 中的KEYR3.0，变化顺序依次为0111、 1011、1101、1110. . . .依次重复出现。 程序清单： LIBRARY ieee; USE ieee.std_logic_1164.ALL; USE IEEE.STD_LOGIC_ARITH.ALL ; USE IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL ; ENTITY scan IS PORT (CLKA,CLKB: IN STD_LOGIC ; SCAN_STATE: OUT STD_LOGIC_VECTOR(1 DOWNTO 0); SCAN_OUT: OUT STD_LOGIC_VECTOR (3 downto 0)); END scan ; ARCHITECTURE rtl OF scan IS SIGNAL S:STD_LOGIC_VECTOR(1 DOWNTO 0); Begin PROCESS (CLKA)
Begin IF CLKA'Event AND CLKA=1'then 9=S+1: ENDIF; END PROCESS: PROCESS(CLKB,S) Reoin IF CLKB'Event AND CLKB=1'then CASES IS WHEN "00"=>SCAN_OUT<="1110" WHEN "O1"=>SCAN_OUT<="1101" WHEN "10"=>SCAN OUT<="1011": WHEN "II"=>SCAN_OUT<="0111"; WHEN OTHERS- >SCAN OUT<="1111" END CASE; SCAN_STATE<-S: ENDIF; END PROCESS END IL 说明：程序中，S信号是用来产生扫描信号的四个状态SCAN_STAT正：O0、O1、10 11 再利用动态扫描时钟的上升沿产生扫描信号：0111、1011、1101、1110 仿真波形： 40s 60ms 7 00 (4)键盘消抖电路 因为按键大多是机械式开关，在开关切换的瞬间会在接解点出现来回弹跳的现 $】 其现象可用图3 表示。由图口 见 虽然 次键，实际产生的按键信号封 只跳动一次，将会造成误码判，认为是按了两次键。如果调整取样时钟周期，可 以发现抖现象得到了改善。 CLK 按键信号 去抖输出 图3
Begin IF CLKA'Event AND CLKA='1' then S <= S+1; END IF; END PROCESS; PROCESS (CLKB,S) Begin IF CLKB'Event AND CLKB='1' then CASE S IS WHEN "00"=>SCAN_OUT<= "1110"; WHEN "01"=>SCAN_OUT<="1101"; WHEN "10"=>SCAN_OUT<="1011"; WHEN "11"=>SCAN_OUT<="0111"; WHEN OTHERS=>SCAN_OUT<="1111"; END CASE; SCAN_STATE<=S; END IF; END PROCESS; END rtl ; 说明：程序中，S信号是用来产生扫描信号的四个状态SCAN_STATE ：00、01、10、 11，再利用动态扫描时钟的上升沿产生扫描信号：0111、1011、1101、1110。 仿真波形： （4）键盘消抖电路 因为按键大多是机械式开关，在开关切换的瞬间会在接解点出现来回弹跳的现 象，其现象可用图3表示。由图可见，虽然只是按了一次键，实际产生的按键信号却 不只跳动一次，将会造成误码判，认为是按了两次键。如果调整取样时钟周期，可 以发现抖现象得到了改善。 CLK 按键信号 去抖输出 图3