디지털논리실험및설계 2024-1 도어락 프로젝트

문서 내 토픽

1. 디지털 Door-Lock 요구사항

디지털 Door-Lock 프로젝트의 주요 요구사항은 다음과 같습니다. 'Reset' 버튼을 누르면 번호 7-segment에 '0'이 켜지면서 시작되며, A와 B 7-segment는 꺼진 상태를 유지합니다. 'Reset' 후 '번호입력' 버튼을 누를 때마다 번호 7-segment에 '0-1-2-3-...-9-0(반복)'의 숫자가 나타나며, 원하는 숫자가 나타났을 때 '확인' 버튼을 누르면 됩니다. '확인' 버튼을 누르면 번호가 A 7-segment로 이동하고 번호 7-segment는 '0'으로 바뀌며, B 7-segment는 꺼진 상태를 유지합니다. 다시 '번호입력' 버튼을 누르면 번호 7-segment의 숫자가 '0-1-2-3-...'로 변하게 되며, 원하는 번호가 나왔을 때 '확인' 버튼을 누르면 이 숫자가 B 7-segment에 나타나고 번호 7-segment는 다시 '0'으로 바뀝니다. 이미 2개의 번호가 선택되었지만 다시 '번호입력' 버튼을 누르면 번호 7-segment의 숫자가 '0-1-2-3-...'로 변하며, 원하는 숫자에서 '확인' 버튼을 누르면 비밀번호는 2자리인데 3개의 숫자를 선택했으므로 무조건 틀린 경우가 되어 LED S1이 켜집니다. 2개의 번호가 선택되었을 때는 '완료' 버튼을 눌러 비밀번호를 선택하게 되며, 학번의 마지막 두 자리인 비밀번호와 입력 번호가 맞으면 LED의 S0가 켜지고 틀리면 S1이 켜집니다. 언제든 'Reset' 버튼을 누르면 처음부터 다시 시작할 수 있습니다.
2. 설계 준비

이 프로젝트에서 사용되는 주요 부품 및 소자는 다음과 같습니다. 전원부, pull-down switch, toggle switch, 7 Segment, BCD to 7 segment, D Flip Flop, Up Down Counter, Serial-in-Parallel-out Shift Register, XOR, AND, OR, NOT, Diode, Resistor 등이 사용됩니다. 각 부품의 용도와 역할은 다음과 같습니다. 전원부는 전압을 공급하고, switch들은 Reset, 번호입력, 확인, 완료 버튼으로 사용됩니다. 7 Segment와 BCD to 7 segment는 숫자 표시, D Flip Flop과 Up Down Counter, Shift Register는 입력 값 저장 및 처리, XOR, AND, OR, NOT 게이트는 논리 연산을 수행합니다. Diode와 Resistor는 LED와 switch에 사용됩니다.
3. 설계 아이디어

요구사항별로 또는 몇몇 요구사항을 묶어서 설계 아이디어를 생각했습니다. 특히 버튼별로 하는 기능에 초점을 맞추어 설계를 하였습니다. 'Reset' 버튼을 누르면 번호 7-segment에 '0'이 켜지면서 시작되고 A, B 7-segment는 꺼진 상태를 유지하도록 하기 위해 D Flip Flop과 NOT 게이트를 사용하였습니다. 'Reset' 후 '번호입력' 버튼을 누를 때마다 번호 7-segment에 '0-1-2-3-...-9-0(반복)'의 숫자가 나타나도록 74192 Up Down Counter를 사용하였습니다. '확인' 버튼을 누르면 번호가 A 7-segment로 이동하고 B 7-segment는 꺼진 상태를 유지하도록 74164 Shift Register를 사용하였습니다. 2개의 번호가 선택되었을 때 '완료' 버튼을 누르면 비밀번호와 일치하면 LED S0가, 불일치하면 LED S1이 켜지도록 AND 게이트와 D Flip Flop을 사용하였습니다.
4. 설계 방법

이 프로젝트에서는 다음과 같은 설계 방법을 사용하였습니다. Push button은 Reset, 번호입력, 확인, 완료 버튼으로 사용되며, 각 버튼의 초기 상태는 GND와 연결되어 있다가 버튼을 누르면 VCC와 연결되어 회로에 HIGH 신호를 입력합니다. 74164 Shift Register는 CLK가 0에서 1로 변화할 때마다 이전 결과 값을 한 칸씩 옮겨서 출력하는 회로로, A와 B 입력이 모두 VCC에 연결되어 있으면 CLK가 변화할 때마다 1이 계속 shift register로 들어갑니다. 4-input AND 게이트는 2-input AND 게이트 3개를 사용하여 구현하였습니다.
5. 전체 회로도

전체 회로도는 로직웍스 프로그램을 이용하여 구현하였고, 실제 회로 구현을 위해 납땜 작업을 진행하였습니다. 납땜 과정에서 채터링 문제가 발생하여 이를 해결하기 위해 RS 플립플롭 회로를 추가하고자 하였으나 시간 부족으로 완성하지 못하였습니다. 실제 회로 구현 시에는 로직웍스 프로그램에서 구현한 것과 다른 점들이 있었는데, 전원 인가 시 초기 값 설정, 7-segment와 다이오드에 저항 연결, VCC와 GND 부분 고려, 소자 배치, datasheet 방향 등 신경 써야 할 요소가 많았습니다.
6. 평가

전체적으로 모든 동작을 구현하였으나, '번호입력' 버튼과 '확인' 버튼에서 가끔 채터링이 발생하여 원하는 동작이 되지 않는 경우가 있었습니다. 이를 해결하기 위해 RS 플립플롭 회로를 추가하고자 하였으나 시간 부족으로 완성하지 못하였습니다. 로직웍스 프로그램으로 구현한 회로와 실제 납땜으로 구현한 회로에서 차이가 있었으며, 실제 회로 구현 시 고려해야 할 요소들이 많았습니다. 향후 이러한 부분들을 보완하여 더 완성도 높은 회로를 구현할 수 있을 것으로 기대됩니다.

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1. 디지털 Door-Lock 요구사항

디지털 Door-Lock 시스템은 사용자의 편의성과 보안성을 높이기 위해 다음과 같은 요구사항을 고려해야 합니다. 첫째, 사용자 인증 기능이 필요합니다. 이를 위해 비밀번호, 지문, 얼굴 인식 등의 다양한 인증 방식을 제공해야 합니다. 둘째, 원격 제어 및 모니터링 기능이 필요합니다. 사용자가 언제 어디서든 스마트폰 앱이나 웹 페이지를 통해 Door-Lock을 제어하고 상태를 확인할 수 있어야 합니다. 셋째, 비상 상황에 대한 대응 기능이 필요합니다. 정전이나 배터리 방전 시에도 수동으로 문을 열 수 있어야 하며, 침입 감지 시 경보 기능이 작동해야 합니다. 넷째, 사용 내역 기록 및 분석 기능이 필요합니다. 문 열림/닫힘 시간, 사용자 정보 등을 기록하고 이를 통해 사용 패턴을 분석할 수 있어야 합니다. 이러한 요구사항을 충족하는 디지털 Door-Lock 시스템을 설계하는 것이 중요합니다.
2. 설계 준비

디지털 Door-Lock 시스템을 설계하기 위해서는 다음과 같은 준비 단계가 필요합니다. 첫째, 사용자 요구사항을 정확히 파악해야 합니다. 사용자의 편의성, 보안성, 비상 상황 대응 등에 대한 요구사항을 면밀히 분석해야 합니다. 둘째, 관련 기술 동향을 파악해야 합니다. 최신 인증 기술, 원격 제어 기술, 센서 기술 등의 발전 상황을 살펴보고 이를 시스템 설계에 반영해야 합니다. 셋째, 시스템 아키텍처를 설계해야 합니다. 하드웨어, 소프트웨어, 통신 등 각 구성 요소 간의 상호 작용을 고려하여 전체적인 시스템 구조를 정의해야 합니다. 넷째, 구현 및 테스트 계획을 수립해야 합니다. 각 기능별 구현 방안과 통합 테스트 계획을 수립하여 시스템의 안정성과 신뢰성을 확보해야 합니다. 이러한 준비 단계를 거쳐 디지털 Door-Lock 시스템을 효과적으로 설계할 수 있습니다.
3. 설계 아이디어

디지털 Door-Lock 시스템의 설계 아이디어는 다음과 같습니다. 첫째, 다양한 인증 방식을 제공해야 합니다. 비밀번호, 지문, 얼굴 인식 등 사용자의 편의성과 보안성을 고려한 인증 방식을 구현해야 합니다. 둘째, 원격 제어 및 모니터링 기능을 제공해야 합니다. 사용자가 스마트폰 앱이나 웹 페이지를 통해 Door-Lock을 언제 어디서든 제어하고 상태를 확인할 수 있어야 합니다. 셋째, 비상 상황 대응 기능을 구현해야 합니다. 정전이나 배터리 방전 시에도 수동으로 문을 열 수 있어야 하며, 침입 감지 시 경보 기능이 작동해야 합니다. 넷째, 사용 내역 기록 및 분석 기능을 제공해야 합니다. 문 열림/닫힘 시간, 사용자 정보 등을 기록하고 이를 통해 사용 패턴을 분석할 수 있어야 합니다. 이러한 설계 아이디어를 바탕으로 사용자의 요구사항을 충족하는 디지털 Door-Lock 시스템을 구현할 수 있습니다.
4. 설계 방법

디지털 Door-Lock 시스템을 설계하는 방법은 다음과 같습니다. 첫째, 시스템 아키텍처를 정의해야 합니다. 하드웨어, 소프트웨어, 통신 등 각 구성 요소 간의 상호 작용을 고려하여 전체적인 시스템 구조를 설계해야 합니다. 둘째, 하드웨어 설계를 수행해야 합니다. 마이크로컨트롤러, 센서, 액추에이터 등 하드웨어 구성 요소를 선정하고 회로도를 작성해야 합니다. 셋째, 소프트웨어 설계를 수행해야 합니다. 사용자 인터페이스, 인증 알고리즘, 원격 제어 기능 등 소프트웨어 모듈을 설계해야 합니다. 넷째, 통신 설계를 수행해야 합니다. 하드웨어와 소프트웨어 간의 통신 프로토콜, 네트워크 구성 등을 설계해야 합니다. 다섯째, 통합 및 테스트 계획을 수립해야 합니다. 각 구성 요소를 통합하고 전체 시스템의 기능, 성능, 안전성 등을 테스트해야 합니다. 이러한 설계 방법을 통해 사용자 요구사항을 충족하는 디지털 Door-Lock 시스템을 구현할 수 있습니다.
5. 전체 회로도

디지털 Door-Lock 시스템의 전체 회로도는 다음과 같습니다. 마이크로컨트롤러는 시스템의 핵심 구성 요소로, 사용자 인증, 문 잠금/해제, 센서 데이터 처리 등의 기능을 수행합니다. 사용자 인증을 위해 지문 센서, 얼굴 인식 카메라, 키패드 등이 연결됩니다. 문 잠금/해제를 위해 전자 잠금장치와 모터가 연결됩니다. 비상 상황 대응을 위해 배터리, 비상 버튼, 경보기가 연결됩니다. 원격 제어 및 모니터링을 위해 Wi-Fi 모듈이 연결됩니다. 사용 내역 기록을 위해 메모리 모듈이 연결됩니다. 이러한 구성 요소들이 유기적으로 연결되어 디지털 Door-Lock 시스템의 전체 기능을 구현합니다.
6. 평가

디지털 Door-Lock 시스템을 평가할 때는 다음과 같은 항목을 고려해야 합니다. 첫째, 사용자 인증 기능의 정확성과 편의성을 평가해야 합니다. 비밀번호, 지문, 얼굴 인식 등의 인증 방식이 안전하고 사용자 친화적인지 확인해야 합니다. 둘째, 원격 제어 및 모니터링 기능의 안정성과 반응성을 평가해야 합니다. 사용자가 언제 어디서든 문을 제어하고 상태를 확인할 수 있어야 합니다. 셋째, 비상 상황 대응 기능의 신뢰성을 평가해야 합니다. 정전이나 배터리 방전 시에도 문을 수동으로 열 수 있어야 하며, 침입 감지 시 경보가 정상적으로 작동해야 합니다. 넷째, 사용 내역 기록 및 분석 기능의 유용성을 평가해야 합니다. 사용 패턴 분석을 통해 시스템 운영을 개선할 수 있어야 합니다. 이러한 평가 항목을 종합적으로 고려하여 디지털 Door-Lock 시스템의 성능과 사용성을 검증해야 합니다.