數(shù)字式電子鎖的設(shè)計(jì)與制作.doc

_數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)課程設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)學(xué)生姓名： 專業(yè)班級(jí)： 指導(dǎo)教師： 工作單位： 題 目: 數(shù)字式電子鎖的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 初始條件： 本設(shè)計(jì)既可以使用集成電路和必要的元器件等，也可以使用單片機(jī)系統(tǒng)構(gòu)建數(shù)字密碼電子鎖。自行設(shè)計(jì)所需工作電源。電路組成原理框圖如圖1，數(shù)字密碼鎖的實(shí)際鎖體一般由電磁線圈、鎖栓、彈簧和鎖柜構(gòu)成。當(dāng)線圈有電流時(shí)，產(chǎn)生磁力，吸動(dòng)鎖栓，即可開(kāi)鎖。反之則不開(kāi)鎖。圖1 數(shù)字式電子鎖原理框圖要求完成的主要任務(wù): （包括課程設(shè)計(jì)工作量及技術(shù)要求，以及說(shuō)明書(shū)撰寫等具體要求）1、課程設(shè)計(jì)工作量：1周。2、技術(shù)要求：1）課程設(shè)計(jì)中，鎖體用LED代替（如“綠燈亮”表示開(kāi)鎖，“紅燈亮”表示閉鎖）。2）其密碼為4位二進(jìn)制代碼，密碼可以通過(guò)密碼設(shè)定電路自行設(shè)定。3）開(kāi)鎖指令為串行輸入碼，當(dāng)開(kāi)鎖密碼與存儲(chǔ)密碼一致時(shí)，鎖被打開(kāi)。當(dāng)開(kāi)鎖密碼與存儲(chǔ)密碼不一致時(shí)，可重復(fù)進(jìn)行，若連續(xù)三次未將鎖打開(kāi)，電路則報(bào)警并實(shí)現(xiàn)自鎖。（報(bào)警動(dòng)作為響1分鐘，停10秒）4）選擇電路方案，完成對(duì)確定方案電路的設(shè)計(jì)。計(jì)算電路元件參數(shù)與元件選擇、并畫(huà)出總體電路原理圖，闡述基本原理。安裝調(diào)試設(shè)計(jì)電路。3、查閱至少5篇參考文獻(xiàn)。按武漢理工大學(xué)課程設(shè)計(jì)工作規(guī)范要求撰寫設(shè)計(jì)報(bào)告書(shū)。全文用A4紙打印，圖紙應(yīng)符合繪圖規(guī)范。時(shí)間安排：1、 年 月 日，布置課設(shè)具體實(shí)施計(jì)劃與課程設(shè)計(jì)報(bào)告格式的要求說(shuō)明。2、 年 月 日至 年 月 日，方案選擇和電路設(shè)計(jì)。3、 年 月 日至 年 月 日，電路調(diào)試和設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)撰寫。4、 年 月 日，上交課程設(shè)計(jì)成果及報(bào)告，同時(shí)進(jìn)行答辯。指導(dǎo)教師簽名： 年 月 日系主任（或責(zé)任教師）簽名： 年 月 日數(shù)字式電子鎖的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)摘要本數(shù)字式電子鎖設(shè)計(jì)由74芯片構(gòu)成，由密碼輸入部分、密碼設(shè)定部分、開(kāi)鎖部分和報(bào)警部分組成。本設(shè)計(jì)電路簡(jiǎn)單，并能實(shí)現(xiàn)要求中的所有功能。在實(shí)際生活中也有運(yùn)用。關(guān)鍵詞：數(shù)字式電子鎖 74芯片 目錄1 緒論1數(shù)字式密碼鎖簡(jiǎn)介12 方案設(shè)計(jì)13 芯片介紹23.1 74ls19423.2 74ls17533.3 74ls16143.4 74ls8553.5 74ls0063.6 74ls0873.7 NE55573.7.1 NE555引腳圖73.7.2 NE555相關(guān)應(yīng)用84 電路設(shè)計(jì)104.1 密碼輸入電路104.2 密碼預(yù)置電路和開(kāi)鎖電路104.3 報(bào)警電路114.4 自鎖電路124.5 總電路圖135 仿真與調(diào)試145.1 密碼預(yù)置與輸入的仿真145.2 報(bào)警電路的仿真155.3 蜂鳴器工作時(shí)間的仿真156 實(shí)物圖167 小結(jié)與體會(huì)168 參考文獻(xiàn)17-可編輯修改-1 緒論數(shù)字式密碼鎖簡(jiǎn)介電子密碼鎖是一種通過(guò)密碼輸入來(lái)控制電路或是芯片工作，從而控制機(jī)械開(kāi)關(guān)的閉合，完成開(kāi)鎖、閉鎖任務(wù)的電子產(chǎn)品。它的種類很多，有簡(jiǎn)易的電路產(chǎn)品，也有基于芯片的性價(jià)比較高的產(chǎn)品?，F(xiàn)在有的電子密碼鎖是以芯片為核心，通過(guò)連接電路來(lái)實(shí)現(xiàn)的，也有的是以單片機(jī)為核心以編程來(lái)實(shí)現(xiàn)的。不管是哪一種，其性能和安全性已大大超過(guò)了機(jī)械鎖。其特點(diǎn)如下：1) 保密性好，編碼量多，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于彈子鎖。隨機(jī)開(kāi)鎖成功率幾乎為零。2) 密碼可變，用戶可以隨時(shí)更改密碼，防止密碼被盜，同時(shí)也可以避免因人員的更替而使鎖的密級(jí)下降。3) 誤碼輸入保護(hù)，當(dāng)輸入密碼多次錯(cuò)誤時(shí)，報(bào)警系統(tǒng)自動(dòng)啟動(dòng)。4) 無(wú)活動(dòng)零件，不會(huì)磨損，壽命長(zhǎng)。5) 使用靈活性好，不像機(jī)械鎖必須佩帶鑰匙才能開(kāi)鎖。6) 電子密碼鎖操作簡(jiǎn)單易行，一學(xué)即會(huì)。2 方案設(shè)計(jì)方案一：由兩片74HC151八選一數(shù)據(jù)選擇器連接成十六選一數(shù)據(jù)選擇器，數(shù)據(jù)選擇器的通道信號(hào)由人工預(yù)置，數(shù)據(jù)選擇器的輸入端接寄存器的4個(gè)輸出端，從而由數(shù)據(jù)選擇器的輸出端判斷是否輸入的密碼和預(yù)置的密碼相同。方案二：用74ls85數(shù)據(jù)比較器。數(shù)據(jù)比較器的A0到A3連接寄存器的4個(gè)輸出，B0到B3由人工預(yù)置。根據(jù)A0到A3和B0到B3的數(shù)值比較輸出端來(lái)判斷輸入的密碼和預(yù)置的密碼是否相同。方案一用到了兩塊74HC151芯片，跟方案二相比較，用的芯片較多，方案二較為簡(jiǎn)潔，故選擇方案二。3 芯片介紹3.1 74ls194194為4位雙向移位寄存器，其邏輯圖如下： 圖3.1.1 74ls194邏輯圖引出端符號(hào)CLOCK 時(shí)鐘輸入端CLEAR 清除端（低電平有效）AD 并行數(shù)據(jù)輸入端DSL 左移串行數(shù)據(jù)輸入端DSR 右移串行數(shù)據(jù)輸入端S0、S1 工作方式控制端QAQD輸出端當(dāng)清除端（CLEAR）為低電平時(shí)，輸出端（QAQD） 均為低電平。當(dāng)工作方式控制端（S0、S1）均為高電平時(shí)，在時(shí)鐘（CLOCK）上升沿作用下，并行數(shù)據(jù)（AD）被送入相應(yīng)的輸出端QAQD。此時(shí)串行數(shù)據(jù)（DSR、DSL）被禁止。 當(dāng)S0為高電平、S1為低電平時(shí)，在CLOCK上升沿作用下進(jìn)行右移操作，數(shù)據(jù)由DSR送入。當(dāng)S0為低電平、S1為高電平時(shí)，在CLOCK上升沿作用下進(jìn)行左移操作，數(shù)據(jù)由DSL送入。 當(dāng)S0和S1均為低電平時(shí)，CLOCK被禁止。只有當(dāng)CLOCK為高電平時(shí)S0和S1才可改變。其真值表如下：圖3.1.2 74ls194真值表3.2 74ls17574ls175是用維持阻塞觸發(fā)器組成的4位寄存器，其引腳圖如下： 圖3.2.1 74ls175引腳圖其功能表如下：清零時(shí)鐘輸入輸出工作模式RDCPQ0Q1Q2Q3Q0Q1Q2Q300000異步清零1Q0Q1Q2Q3Q0Q1Q2Q3數(shù)碼保存11保持?jǐn)?shù)據(jù)保持10保持?jǐn)?shù)據(jù)保持 圖3.2.2 74ls175功能表3.3 74ls16174LS161是常用的四位二進(jìn)制可預(yù)置的同步加法計(jì)數(shù)器，他可以靈活的運(yùn)用在各種數(shù)字電路，以及單片機(jī)系統(tǒng)種實(shí)現(xiàn)分頻器等很多重要的功能，其引腳圖如下： 圖3.3.1 74LS161引腳圖管腳圖介紹：時(shí)鐘CP和四個(gè)數(shù)據(jù)輸入端P0P3 清零/MR 使能CEP，CET 置數(shù)PE 數(shù)據(jù)輸出端Q0Q3 以及進(jìn)位輸出TC. (TC=Q0Q1Q2Q3CET) 其功能表如下： 圖3.3.2 74LS161功能表從74LS161功能表功能表中可以知道，當(dāng)清零端CR=“0”，計(jì)數(shù)器輸出Q3、Q2、Q1、Q0立即為全“0”，這個(gè)時(shí)候?yàn)楫惒綇?fù)位功能。當(dāng)CR=“1”且LD=“0”時(shí)，在CP信號(hào)上升沿作用后74LS161輸出端Q3、Q2、Q1、Q0的狀態(tài)分別與并行數(shù)據(jù)輸入端D3，D2，D1，D0的狀態(tài)一樣，為同步置數(shù)功能。而只有當(dāng)CR=LD=EP=ET=“1”、CP脈沖上升沿作用后，計(jì)數(shù)器加1。74LS161還有一個(gè)進(jìn)位輸出端CO，其邏輯關(guān)系是CO= Q0Q1Q2Q3CET。合理應(yīng)用計(jì)數(shù)器的清零功能和置數(shù)功能，一片74LS161可以組成16進(jìn)制以下的任意進(jìn)制分頻器。3.4 74ls8574ls85為4位數(shù)值比較器，引腳圖如下： 圖3.4.1 74ls85引腳圖85可進(jìn)行二進(jìn)制碼和BCD碼的比較，對(duì)兩個(gè)4位字的比較結(jié)果由三個(gè)輸出端（FAB，F(xiàn)AB，F(xiàn)AB輸出。 將若干85級(jí)聯(lián)可比較較長(zhǎng)的字，此時(shí)低級(jí)位的FAB，F(xiàn)AB，F(xiàn)AB連接到高位級(jí)相應(yīng)的輸入AB、AB、AB，并使低位級(jí)的AB為高電平。 引出端符號(hào) A0A3 字A輸入端 B0B3 字B輸入端AB AB級(jí)聯(lián)輸入端 AB AB級(jí)聯(lián)輸入端AB AB級(jí)聯(lián)輸入端FA=B A等于B輸出端FAB A大于B輸出端FAB A小于B輸出端其功能表如下： 圖3.4.2 74ls85功能表3.5 74ls0074ls00 為四組 2 輸入端與非門（正邏輯），其邏輯圖如下： 圖3.5.1 74ls00邏輯圖引出端符號(hào)：1A4A，1B4B 輸入端1Y4Y 輸出端其真值表如下：輸入A輸入B輸出HHLHLHLHHLLH 圖3.5.2 74ls00真值表3.6 74ls0874ls08 為四組 2 輸入端與門（正邏輯），其邏輯圖如下： 圖3.6.1 74ls08邏輯圖引出端符號(hào)：1A4A，1B4B 輸入端1Y4Y 輸出端其真值表如下：輸入A輸入B輸出HHHHLLLHLLLL圖3.6.2 74ls08真值表3.7 NE5553.7.1 NE555引腳圖圖3.7.1 NE555引腳圖Pin 1 -地線(或共同接地) ，通常被連接到電路共同接地。Pin 2 -這個(gè)腳位是觸發(fā)NE555使其啟動(dòng)它的時(shí)間周期。觸發(fā)信號(hào)上緣電壓須大于2/3 VCC，下緣須低于1/3 VCC 。Pin 3 -當(dāng)時(shí)間周期開(kāi)始555的輸出腳位，移至比電源電壓少1.7伏的高電位。周期的結(jié)束輸出回到O伏左右的低電位。于高電位時(shí)的最大輸出電流大約200 mA 。Pin 4 -一個(gè)低邏輯電位送至這個(gè)腳位時(shí)會(huì)重置定時(shí)器和使輸出回到一個(gè)低電位。它通常被接到正電源或忽略不用。Pin 5 -這個(gè)接腳準(zhǔn)許由外部電壓改變觸發(fā)和閘限電壓。當(dāng)計(jì)時(shí)器經(jīng)營(yíng)在穩(wěn)定或振蕩的運(yùn)作方式下,這輸入能用來(lái)改變或調(diào)整輸出頻率。Pin 6 - Pin 6重置鎖定并使輸出呈低態(tài)。當(dāng)這個(gè)接腳的電壓從1/3 VCC電壓以下移至2/3 VCC以上時(shí)啟動(dòng)這個(gè)動(dòng)作。Pin 7 -這個(gè)接腳和主要的輸出接腳有相同的電流輸出能力，當(dāng)輸出為ON時(shí)為L(zhǎng)OW，對(duì)地為低阻抗，當(dāng)輸出為OFF時(shí)為HIGH，對(duì)地為高阻抗。Pin 8 -這是555個(gè)計(jì)時(shí)器IC的正電源電壓端。供應(yīng)電壓的范圍是+4.5伏特(最小值)至+16伏特(最大值)。3.7.2 NE555相關(guān)應(yīng)用3.7.2.1 多諧振蕩器電阻R1、R2和電容C1構(gòu)成定時(shí)電路。定時(shí)電容C1上的電壓UC作為高觸發(fā)端TH（6腳）和低觸發(fā)端TL（2腳）的外觸發(fā)電壓。放電端D（7腳）接在R1和R2之間。電壓控制端K（5腳）不外接控制電壓而接入高頻干擾旁路電容C2（0.01uF）。直接復(fù)位端R（4腳）接高電平，使NE555處于非復(fù)位狀態(tài)。多諧振蕩器的放電時(shí)間常數(shù)分別為tPH0.693（R1+R2）C1tPL0.693R2C1振蕩周期T和振蕩頻率f分別為T=tPH+tPL0.693（R1+2R2）C1f=1/T1/0.693（R1+2R2）C1 圖3.7.2.1 多諧振蕩器3.7.2.2 單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器NE555的高觸發(fā)端TH（6腳）和放電端D（7腳）接RC定時(shí)電路，低觸發(fā)端TL（2腳）外接觸發(fā)信號(hào)。單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的定時(shí)時(shí)間就是輸出脈沖的寬度Tw。Tw1.11R1C1圖3.7.2.2 單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器3.7.2.3 RS觸發(fā)器當(dāng)6腳（相當(dāng)于R端）電壓高于（2/3）VCC時(shí)，輸出為低電平。當(dāng)2腳（相當(dāng)于/S端）電壓低于（1/3）VCC時(shí)，輸出為高電平。圖3.7.2.3 RS觸發(fā)器4 電路設(shè)計(jì)4.1 密碼輸入電路密碼輸入電路由74ls194、74ls175、74ls00組成，我們采用74ls194移位寄存器進(jìn)行串行輸入，74ls175寄存器進(jìn)行輸出，如圖所示：圖4.1 密碼輸入電路74ls194我們采用右移方式，在SR引腳處接了一個(gè)單刀雙擲開(kāi)關(guān)進(jìn)行高低電平的選擇，KEY1為輸入按鍵，每當(dāng)KEY1按下，就產(chǎn)生了一個(gè)脈沖clk1,SR的值就輸入到移位寄存器中。74ls194的輸出接了一個(gè)74ls175寄存器。寄存器由KEY2提供脈沖clk2，沒(méi)有脈沖時(shí)，寄存器不工作，74ls194的輸出不能通過(guò)寄存器輸入到電子鎖中，即輸入的密碼不能輸出；當(dāng)按下KEY2時(shí)，74ls194的4個(gè)輸出就通過(guò)寄存器輸入到電子鎖中，從而達(dá)到4位密碼同時(shí)輸入的作用，所以KEY2為確定輸入開(kāi)關(guān)。4.2 密碼預(yù)置電路和開(kāi)鎖電路密碼預(yù)置電路和開(kāi)鎖電路由74ls85、74ls08和74ls00組成，如圖所示： 圖4.2 密碼預(yù)置電路和開(kāi)鎖電路74ls85數(shù)據(jù)比較器的A0到A3輸入連接的是寄存器的輸出，即輸入的密碼，而74ls85數(shù)據(jù)比較器的B0到B3連接的是4個(gè)單刀雙擲開(kāi)關(guān)，我們可以通過(guò)撥動(dòng)這些開(kāi)關(guān)使得B0到B3輸入不同的高低電平，之后和A0到A3的數(shù)值進(jìn)行比較，進(jìn)行輸出，比較結(jié)果相同綠燈亮，比較結(jié)果不同，紅燈亮，所以四個(gè)單刀雙擲開(kāi)關(guān)的作用是進(jìn)行密碼預(yù)置，數(shù)據(jù)比較器的作用就是進(jìn)行密碼對(duì)比然后輸出比較的結(jié)果。4.3 報(bào)警電路報(bào)警電路由74ls161、74ls08和NE555組成，如圖所示，圖中NE555連接成了多諧振蕩器。 圖4.3 報(bào)警電路 74ls161計(jì)數(shù)器的輸入脈沖為clk2，而clk2由密碼輸入電路的KEY2產(chǎn)生，KEY2每按一次，產(chǎn)生一個(gè)clk2脈沖，計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)一次，當(dāng)計(jì)數(shù)器輸出Q1Q0為11時(shí)（KEY2按下三次），密碼輸入三次，與門輸出為1,NE555開(kāi)始工作，NE555的3腳輸出高電平，三極管導(dǎo)通，蜂鳴器開(kāi)始工作，響的時(shí)間和停止的時(shí)間根據(jù)多諧振蕩器接的電阻和電容來(lái)取值。4.4 自鎖電路本設(shè)計(jì)中自鎖電路分為兩部分，一個(gè)是三次密碼錯(cuò)誤后自鎖并讓蜂鳴器工作，另一個(gè)是輸入密碼正確之后自鎖，如圖4.4.1、圖4.4.2、圖4.4.3所示： 圖4.4.1 圖4.4.2圖4.4.1中74ls161計(jì)數(shù)器的1腳連接的是數(shù)據(jù)比較器輸出端的與門，圖4.4.2中74ls194的9腳S0連接的也是數(shù)據(jù)比較器輸出端的與門。當(dāng)密碼輸入正確時(shí)，與門輸出為0,74ls161的1腳輸入為0，處于清零狀態(tài)，74ls161的輸出一直為0，NE555不能工作，同時(shí)74ls194的9腳輸入為0，74ls194為保持狀態(tài)，不能再輸入密碼，整個(gè)電子鎖無(wú)法工作，起到了自鎖的作用。圖4.4.3中在報(bào)警電路的與門輸出端接了一個(gè)三極管，當(dāng)密碼輸入三次錯(cuò)誤時(shí)，報(bào)警電路工作，與門輸出為1，三極管導(dǎo)通，KEY2確定輸入密碼按鍵無(wú)法工作，時(shí)鐘脈沖消失，取代的是一個(gè)高電平，沒(méi)有脈沖74ls175無(wú)法工作，也起