編碼電子鎖的設計與制作論文.doc

編碼電子鎖的設計與制作論文隨著社會物質財富的日益增長，安全防盜已成為社會問題。而鎖自古以來就是把守門戶的鐵將軍，人們對它要求甚高，既要安全可靠地防盜，又要使用方便，這也是制鎖者長期以來研制的主題。目前國內，大部分人使用的還是傳統(tǒng)的機械鎖。然而，眼下假冒偽劣的機械鎖泛濫成災，互開率非常之高。所謂互開率，是各種鎖具的一個技術質量標準，也就是1把鑰匙能開幾把鎖的比率。經國家工商局、國家內貿局、中國消協等部門對鎖具市場的調查，發(fā)現個別產品的互開率居然超標26倍。彈子鎖質量好壞主要取決于彈子數量的多少以及彈子的大小，而彈子的多少和大小受一定條件的限制。此外，即使是一把質量過關的機械鎖，通過急開鎖，甚至可以在不損壞鎖的前提下將鎖打開，提供了發(fā)展的空間。電子鎖是第三代計算機防盜報警器的核心組成部分，用于識別用戶身份的合法性。它有不少優(yōu)點。例如保密性強，防盜性能好可以不需要鑰匙，只要記住開鎖的密碼和方法，便可開鎖,即方便又可避免因丟失鑰匙帶來的煩惱和損失。如果密碼泄露,主人可以比較方便地設置新的開鎖密碼，不會造成損失，此外,編碼電子鎖將電子門鈴和防盜報警與電子鎖合為一體，實現了一物多用。由于以上諸多優(yōu)點，編碼電子鎖能夠廣泛地應用于超市、住家、辦公單位等許多場所。1 系統(tǒng)方案選擇本次設計中分析了兩種方案，一種是中規(guī)模集成電路控制的方案，另一種是單片機控制的方案。兩中方案各有各的優(yōu)缺點，通過以下兩個方案的比較選擇設計了其中一個方案。11 中規(guī)模集成電路控制方案一：采用集成電路控制。編碼電子鎖電路分為編碼電路、控制電路、復位電路、解碼電路、防盜報警電路、門鈴電路。電子鎖主要由輸入元件、電路(包括電源)以及鎖體三部分組成，后者包括電磁線圈、鎖拴、彈簧和鎖柜等。當電磁線圈中有一定的電流通過時，磁力吸動鎖栓，鎖便打開。用發(fā)光二極管代表電磁線圈，當發(fā)光二極管為亮狀態(tài)時，代表電子鎖被打開。每來1個輸入時鐘，編碼電路的相應狀態(tài)就向前前進一步。在這個操作過程中，如果按照規(guī)定的代碼順序按動編碼按鍵，編碼電路的輸出就跟隨這個代碼的信息。正確輸入編碼按鍵的數字，控制電路通過整形供給編碼電路時鐘。一直按規(guī)定的編碼順序操作完，則解碼電路驅動開鎖電路把鎖打開。在操作過程中，如果沒有按照規(guī)定代碼順序按下數字鍵或按動了其他鍵，控制電路將驅動防盜報警電路產生報警信號。方案二：采用一種是用以at89s51為核心的單片機控制方案。利用單片機靈活的編程設計和豐富的io端口，及其控制的準確性，不但能實現基本的密碼鎖功能，還能添加調電存儲、聲光提示甚至添加遙控控制功能。電子密碼的硬件以單片機AT89C51 為核心。AT89C51 是一種帶4k 字節(jié)閃爍可編程、可擦除只讀，存儲器FPEROM（Falsh Programmable and ErasableRead Only Memory）的低電壓、高性能CMOS 8 位微處理器。其外接12 個按鈕組成的34 鍵盤，通過4511 和7406（或7407）等驅動電路與單片機相連，以實現密碼等的顯示功能;利用串行EPROM 存儲器AT93C46 實現密碼有效的永久保存。電子密碼鎖由鍵盤輸入的識別、4位LED的顯示、密碼的比較、修改、存儲、AT93C46 的讀取與寫入、報警和開鎖控制電平的輸出。根據框圖，結合硬件結構，可以將鍵盤輸入的識別用來作為系統(tǒng)的監(jiān)控程序（主程序），用顯示程序來延時，不斷查詢鍵盤。如果有鍵按下，就得到相應的鍵值。結合當前系統(tǒng)所處的狀態(tài)，調用不同的操作模塊，實現相應的功能。而執(zhí)行模塊主要有數字輸入模塊、確定鍵模塊、修改鍵模塊及顯示模塊。1.3 方案比較設計本課題時構思了兩種方案：方案一是用鎖存器74LS74、74LS00、74LS20和555基集成塊構成的數字邏輯電路控制；方案二是用以AT89C51為核心的單片機控制?？紤]到編碼電子鎖制作成本低，設計要求少，易實現控制要求，而單片機方案原理的復雜，調試較為繁瑣，本人對數字電路基礎較熟悉，有利于研究該課題。所以采用了方案一。2 編碼電子鎖各模塊電路的設計2.1 基本芯片的分析本電路主要采用了二輸入與非門74LS00，四輸入與非門74LS20，雙上升沿D觸發(fā)器74LS74，555時基集成塊電路。 其74LS00的邏輯功能是有0出1，無0出0。真值表如表2-1所示。74LS74的邏輯功能是當預置端PR、輸入端D、清零端CLR均為高電平時，時鐘端CLK有上升沿到來時，均會觸發(fā)Q端輸出高電平。真值表如表2-2所示。根據圖2-1可知74ls20芯片的功能簡單，包含兩個4輸入與非門，內含兩組4與非門 第一組：1,2,4,5輸入6輸出。 第2組：9,10,12,13輸入8輸出。其邏輯功能是有0出1，無0出0，真值表如表2-3所示。555定時器是一種模擬-數字混合式集成定時器，有復位、置位和保持功能，555 定時器成本低，性能可靠，只需要外接幾個電阻、電容，就可以實現多諧振蕩器、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器等脈沖產生與變換電路。在工業(yè)控制等諸多方面有很廣泛的應用。利用時基集成塊NE555組成了脈沖振蕩電路。555引腳圖如圖2-2所示。555的引腳功能為：6腳為THR，觸發(fā)器輸入端，低電平有效；2腳為TRI，閥值輸入端，高電平有效；4腳為RST，總復位端，低電平有效；7腳為DIS，放電端；5腳為CON，控制端；1腳接地，8腳接電源；3腳為輸出端；TD為內部三極管。555時鐘電路可以構成多諧振蕩器，其功能表如表2-4所示。555的內部結構可等效成23個晶體三極管、17個電阻、兩個二極管、組成了比較器，RS觸發(fā)器等多組單元電路。特別是由三只精度較高5k電阻構成了一個電阻分壓器。為上，下比較器提供基準電壓，所以稱之為555。555電路的內部電路方框圖如圖2-3所示。它含有兩個電壓比較器，一個基本RS觸發(fā)器，一個放電開關T，比較器的參考電壓由三只5K的電阻器構成分壓，它們分別使高電平比較器A1同相比較端和低電平比較器A2的反相輸入端的參考電平為 和 。A1和A2的輸出端控制RS觸發(fā)器狀態(tài)和放電管開關狀態(tài)。當輸入信號輸入并超過 時，觸發(fā)器復位，555的輸出端3腳輸出低電平，同時放電，開關管導通；當輸入信號自2腳輸入并低于 時，觸發(fā)器置位，555的3腳輸出高電平，同時放電，開關管截止。是復位端，當其為0時，555輸出低電平。平時該端開路或接VCC。Vc是控制電壓端（5腳），平時輸出 作為比較器A1的參考電平，當5腳外接一個輸入電壓，即改變了比較器的參考電平，從而實現對輸出的另一種控制，在不接外加電壓時，通常接一個0.01uf的電容器到地，起濾波作用，以消除外來的干擾，以確保參考電平的穩(wěn)定。T為放電管，當T導通時，將給接于腳7的電容器提供低阻放電電路。2.2 編碼電路的設計本系統(tǒng)的設計可使電子鎖具有可編程多功能，它具有大于151200個(1098765)代碼的編碼。電路圖如圖2-4所示。由圖可知，每來1個輸入時鐘，編碼電路的相應狀態(tài)向前前進一步。在操作過程中，按照規(guī)定的代碼順序，按動編碼按鍵，編碼電路的輸出就跟隨這個代碼的信息。正確輸入編碼按鍵的數字，控制電路通過整形電路供給編碼電路時鐘，一直按規(guī)定編碼順序操作完，則驅動開鎖電路把鎖打開。2.4 解碼電路的設計此電子鎖預設的解碼順序S2,S6,S8,S9。按鍵S2(KEY=2)、S6(KEY=6)、S8(KEY=8)、S9(KEY=9)分別接在觸發(fā)器U7A、U8B、U8A、U7B的CLK端, U7A的D=1,后面3個觸發(fā)器的D端分別接在前面觸發(fā)器的輸出端Q上,此時滿足DN+1=QN,所以四個D觸發(fā)器組成一個右移位電路。當依次按下S2、S6、S8時,即給U7A、U8B、U8A觸發(fā)信號時,其輸出端Q依次為1。最后，當S9鍵被按下時，通過電阻R5與電源相接為高電平，S9鍵由低電平變?yōu)楦唠娖剑沟肬7B產生上升沿通過限流電阻R4加到發(fā)光二極管LED1，發(fā)光二極管LED1發(fā)光(解鎖成功)。而當按下其它的鍵時會引入低電平加到U6A，U6A輸出高電平到U1D，U1D輸出低電平到U7A、U8B、U8A、U7B進行清零并死鎖?；螂m是按下S2,S6,S8,S9但順序不對時,因不能使U7A、U8B、U8A、U7B的輸出端依次為1,也不能解鎖。其電路圖如圖2-6所示。2.5 門鈴及報警電路的設計如圖2-7，由555定時器和外接元件R1、R2、C構成多諧振蕩器，腳2與腳6直接相連。電路沒有穩(wěn)態(tài)，僅存在兩個暫穩(wěn)態(tài)，電路亦不需要外接觸發(fā)信號，利用電源通過R1、R2向C充電，以及C通過R2向放電端 放電，使電路產生振蕩。電容C在 和 之間充電和放電，從而在輸出端得到一系列的矩形波，對應的波形如圖2-8所示。門鈴電路由555定時器連成的多諧振蕩器構成，當按下門鈴時電路接通電源產生約500Hz的振蕩信號，同時按下清零/門鈴按鈕使74LS00和74LS74兩個芯片置零實現清零的功能。報警電路也是由555定時器構成，報警時產生1KHz的信號，當輸入密碼后與寄存器連接的與門輸出如果為高電平，則經過反相器后變?yōu)榈碗娖?，報警電路不產生振蕩，如果與門輸出為低電平，經過反相器后變?yōu)楦唠娖剑瑘缶娐烽_始工作產生報警信號。按下清零/門鈴按鈕后可以實現對報警的解除，因為此時一個低電平信號與來自判斷輸出端的高電平信號相與否，為低電平信號，報警電路不工作。門鈴及報警電路如圖2-9所示。2.6 編碼電子鎖總電路設計編碼電子鎖總電路如圖2-10所示。編碼電子鎖的工作原理：本編碼電子鎖電路設計由清零部分、解碼部分、振蕩部分、蜂鳴器輸出部分組成，清零部分由74LS00D、74LS74D 等組成，當S10合上時，清零部分將四組74LSD的清零端CLR提供高電平，電路進入清零狀態(tài)，當S10打開時，電路進入編碼輸入狀態(tài)。第一個觸發(fā)器D1接高電平，四個觸發(fā)器CLK分別接按鍵S2、S6、S8、S9，形成BFHI編碼。當按下S2時，U7A的CLK電平由高變低，松手后，電平由低變高，形成上升沿觸發(fā)。D1輸出端Q1=1，依次按S6、S8、S9，會使D2=Q1=1，D3=Q2=1，D4=Q3=1，Q4=1，將鎖打開。若順序不對，鎖打不開的。U6A有三個輸入端，一個通過S10接地，第二個與按鍵S1，S3，S4，S5，S7相連，這些按鍵若有一個按下，都將使D1-D4四個觸發(fā)器置零，第三個經U2A，U2B及延時網絡R1，C2與U1A相連，鎖打開后，延時觸發(fā)器復位。延時時間長短取決于R1，C2的大小。NE555與R10，R11，C2，C3等組成脈沖波發(fā)生器，通過U8B，U8A給蜂鳴器輸出脈沖信號，以便發(fā)聲。3 編碼電子鎖的制作3.1 PCB的設計從原理圖到PCB的設計流程:建立元件參數輸入原理網表-設計參數設置-手工布局-手工布線-驗證設計復查-CAM輸出。在PCB設計中,布線是完成產品設計的重要步驟,可以說前面的準備工作都是為它而做的,在整個PCB中,以布線的設計過程限定最高,技巧最細、工作量最大。我們在制作PCB中用的是單面板。布線的方式有兩種：自動布線和手工布線，一般先進行自動布線，再進行手工布線。輸入端與輸出端的邊線應避免相鄰平行，以免產生反射干擾。必要時應加地線隔離，兩相鄰層的布線要互相垂直，平行容易產生寄生耦合。自動布線的布通率，依賴于良好的布局，布線規(guī)則可以預先設定，包括走線的彎曲次數、導通孔的數目、步進的數目等。一般先進行探索式布經線，快速地把短線連通， 然后進行迷宮式布線，先把要布的連線進行全局的布線路徑優(yōu)化，它可以根據需要斷開已布的線。并試著重新再布線，以改進總體效果。參數設置相鄰導線間距必須能滿足電氣安全要求,而且為了便于操作和生產,間距也應盡量寬些。最小間距至少要能適合承受的電壓,在布線密度較低時,信號線的間距可適當地加大,對高、低電平懸殊的信號線應盡可能地短且加大間距,一般情況下將走線間距設為8mil。焊盤內孔邊緣到印制板邊的距離要大于1mm,這樣可以避免加工時導致焊盤缺損。當與焊盤連接的走線較細時,要將焊盤與走線之間的連接設計成水滴狀,這樣的好處是焊盤不容易起皮,而是走線與焊盤不易斷開。元器件布局實踐證明,即使電路原理圖設計正確,印制電路板設計不當,也會對電子設備的可靠性產生不利影響。例如,如果印制板兩條細平行線靠得很近,則會形成信號波形的延遲,在傳輸線的終端形成反射噪聲;由于電源、地線的考慮不周到而引起的干擾,會使產品的性能下降,因此,在設計印制電路板的時候,應注意采用正確的方法。3.2 編碼電子鎖元件清單編碼電子鎖元件清單如表3-1所示： 3.3 電路的焊接隨著電子元器件的封裝更新換代加快，電子發(fā)展已朝向小型化、微型化發(fā)展，手工焊接難度也隨之增加，在焊接當中稍有不慎就會損傷元器件，或引起焊接不良，所以必須對焊接原理，焊接過程，焊接方法，焊接質量的評定，及電子基礎有一定的了解。 焊接的步驟及方法:（1）從烙鐵架上拿出電烙鐵，以45度靠緊焊接面進行預熱，將焊錫絲同時伸向被焊的組件腳及焊盤，一起接觸被焊處； （2）焊錫絲熔化，向焊接處推入焊錫絲，使焊錫潤濕焊盤與組件腳，當焊點上的焊錫成圓錐形時即抽離焊錫絲（應控制焊錫絲的熔化量不能過多，以免造成浪費）； （3）在焊錫完全熔化后，移去烙鐵頭。如焊錫過多，可把烙鐵頭上的焊錫甩干凈，然后不用焊錫絲或極少量的焊錫絲重焊一遍，移去時正好吸去多余的焊錫， 如果焊點有連焊，也應將焊錫線與烙鐵頭一起接觸在連焊的焊點之間，待焊錫絲與助焊劑一起熔化后，移去焊錫絲，再將烙鐵頭側放著向下移走，吸去多余的焊錫； （4）如果要用電烙鐵去除焊盤孔中的錫（ 即挑孔），應該將印制板拿高，把烙鐵頭置于比印制板低的位置，將烙鐵頭在焊盤孔上擦幾下，可以將焊盤孔中的焊錫吸流到烙鐵頭上去；（5）將烙鐵頭上的多余焊錫甩在廢錫盒中，再將電烙鐵插入烙鐵筒中。 在實際生產中，最容易出現的一種違反操作步驟的做法就是烙鐵頭不是先與被焊件接觸，而是先與焊錫絲接觸，熔化的焊錫滴落在尚末預熱的被焊部位，這樣很容易產生焊點虛焊，所以烙鐵頭必須與被焊件接觸，對被焊件進行預熱是防止產生虛焊的重要手段。 4 調試4.1 測試儀器萬用表一只，示波器一臺4.2 測試方法測試方法：在直流穩(wěn)壓電源通電測試之前，必須認真對安裝電路進行檢查。對電源變壓器的絕緣電阻進行檢測，以防止變壓器漏電，危及人身和設備的安全。一般采用兆歐表測量一、二次繞組之間，各繞組與接地屏