數(shù)電課設(shè)——數(shù)字式電子鎖

1、武漢理工大學(xué)數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)課程設(shè)計說明書課程設(shè)計任務(wù)書學(xué)生姓名： 孫亞楠 專業(yè)班級： 通信1302班 指導(dǎo)教師： 付琴 工作單位： 信息工程學(xué)院 題 目: 數(shù)字式電子鎖的設(shè)計與實現(xiàn) 初始條件： 本設(shè)計既可以使用集成電路和必要的元器件等，也可以使用單片機系統(tǒng)構(gòu)建數(shù)字密碼電子鎖。自行設(shè)計所需工作電源。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，產(chǎn)生磁力，吸動鎖栓，即可開鎖。反之則不開鎖。 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)計工作量及技術(shù)要求，以及說明書撰寫等具體要求）1、課程設(shè)計工作量：1周。2、技術(shù)要求：1）課程設(shè)

2、計中，鎖體用LED代替（如“綠燈亮”表示開鎖，“紅燈亮”表示閉鎖）。2）其密碼為4位二進制代碼，密碼可以通過密碼設(shè)定電路自行設(shè)定。3）開鎖指令為串行輸入碼，當(dāng)開鎖密碼與存儲密碼一致時，鎖被打開。當(dāng)開鎖密碼與存儲密碼不一致時，可重復(fù)進行，若連續(xù)三次未將鎖打開，電路則報警并實現(xiàn)自鎖。（報警動作為響1分鐘，停10秒）4）選擇電路方案，完成對確定方案電路的設(shè)計。計算電路元件參數(shù)與元件選擇、并畫出總體電路原理圖，闡述基本原理。安裝調(diào)試設(shè)計電路。3、查閱至少5篇參考文獻。按武漢理工大學(xué)課程設(shè)計工作規(guī)范要求撰寫設(shè)計報告書。全文用A4紙打印，圖紙應(yīng)符合繪圖規(guī)范。時間安排：序號階段內(nèi)容所需時間1方案選擇和電路設(shè)

3、計1天2硬件設(shè)計、軟件仿真2天3系統(tǒng)優(yōu)化2天4設(shè)計報告撰寫1天5答辯1天合 計7天指導(dǎo)教師簽名： 年 月 日系主任（或責(zé)任教師）簽名： 年 月 日目錄摘要 Abstract 1.設(shè)計目的及要求 1 1.1設(shè)計目的 1 1.2設(shè)計要求 1 2.電路的設(shè)計與選擇 2 2.1電路組成 2 2.2方案選擇 22.2.1方案一電路及原理 22.2.2方案二電路及原理 32.2.3方案三電路及原理 32.2.4方案比較與確定 4 3.電路原理 53.1 開鎖輸入電路 53.2 電路設(shè)定與比較電路 6 3.3 計數(shù)電路 83.4 計時電路 103.5 報警電路 113.6 實驗參數(shù)計算 113.7 總電路及

4、其工作原理 11 4.仿真結(jié)果及實物圖 13 4.1電路仿真結(jié)果 13 4.2焊接實物圖 17 5.實驗設(shè)計總結(jié)與感悟 19 6.元器件清單 20摘要 現(xiàn)代電子技術(shù)的快速發(fā)展,使得數(shù)字電子技術(shù)廣泛地應(yīng)用在自動化領(lǐng)域中。在生活或工業(yè)領(lǐng)域中，電子密碼鎖是一種通過密碼輸入來控制電路或是芯片工作，從而控制機械開關(guān)的閉合，完成開鎖、閉鎖任務(wù)的電子產(chǎn)品。它的種類很多，有簡易的電路產(chǎn)品，也有基于芯片的性價比較高的產(chǎn)品。數(shù)字電子技術(shù)課程設(shè)計對所學(xué)的基礎(chǔ)理論知識是一次實踐檢測的過程。本文的電子密碼鎖是利用集成數(shù)字芯片和數(shù)字邏輯電路，實現(xiàn)對門的電路控制，并且有各種附加電路保證電路能夠安全工作，具有極高的安全系數(shù)。

5、該系統(tǒng)主要由密碼存儲電路，比較電路，開鎖輸入電路，報警電路，鎖體組成。密碼存儲電路與比較電路主要由開關(guān)和集成芯片74LS85構(gòu)成，開鎖輸入主要由74LS194移位寄存器及相應(yīng)開關(guān)構(gòu)成，報警電路主要由555芯片、74LS90、報警燈和蜂鳴器構(gòu)成，其中555產(chǎn)生1HZ周期脈沖，74LS90實現(xiàn)計數(shù)和計時。電路中還包括一些邏輯門電路，以實現(xiàn)相應(yīng)的邏輯功能。關(guān)鍵詞：數(shù)字密碼鎖，密碼存儲電路，比較電路，報警電路，開鎖輸入電路Abstract With the rapid development of modern electronic technology, digital electronic tec

6、hnology is widely used in the field of automation. In life or in the field of industry, electronic password lock is a had to enter a password to control circuit or chips work, so as to control the mechanical switch is closed, the lock, closed the task of electronic products. It's a lot of variet

7、y, there are simple circuit products, but also based on the higher cost of chip products. The course design of digital electronic technology is a process of practice detection. In this paper, the electronic code lock is using digital integrated chip and digital logic circuit, control circuit for the

8、 door, and a variety of additional circuitry to ensure the safety and has high safety coefficient. The system is mainly composed of a password storage circuit, a comparison circuit, an unlocking input circuit, an alarm circuit, and a lock body. Password storage circuit and a comparison circuit consi

9、sts mainly of by the switch and the integrated chip 74LS85, enter the unlock mainly by 74ls194 shift register and the corresponding switch constitute, alarm circuit is mainly composed of 555 chip and 74ls90, alarm lamp and a buzzer constitute, 555 of them produce periodic pulse 1Hz, 74ls90 achieve c

10、ounting and timing. Some logic gates are also included in the circuit to achieve the corresponding logic functions.Key words: digital password lock, password storage circuit, comparison circuit, alarm circuit, unlock input circuitIII1.設(shè)計內(nèi)容及要求1.1 設(shè)計目的設(shè)計一個具有報警功能的四位數(shù)字式電子鎖1.2 設(shè)計要求（1）鎖體用LED代替， “綠燈亮”表示開鎖，

11、“紅燈亮”表示閉鎖。（2）其密碼為4位二進制代碼，密碼可以通過密碼設(shè)定電路自行設(shè)定。（3）開鎖指令為串行輸入碼，當(dāng)開鎖密碼與存儲密碼一致時，鎖被打開。當(dāng)開鎖密碼與存儲密碼不一致時，可重復(fù)進行，若連續(xù)三次未將鎖打開，電路則報警并實現(xiàn)自鎖。（報警動作為響1分鐘，停10秒）（4）選擇電路方案，完成對確定方案電路的設(shè)計。計算電路元件參數(shù)與元件選擇、并畫出總體電路原理圖，闡述基本原理。安裝調(diào)試設(shè)計電路。2.電路的設(shè)計與選擇2.1電路組成數(shù)字式電子鎖的電路主要由密碼存儲電路，比較電路，開鎖輸入電路，報警電路，鎖體組成。電路的原理框圖如圖2.1所示。 圖2.1 數(shù)字式電子鎖原理框圖2.2 方案選擇2.2.1

12、 方案一電路及原理由單片機STC89C52作為核心元件的數(shù)字式電子鎖，分為硬件和軟件部分。在硬件部分中，由單片機最小系統(tǒng)、矩陣鍵盤、1602液晶顯示、聲光顯示這幾個部分，在軟件部分中，由矩陣鍵盤鍵值讀取、1602液晶顯示函數(shù)、延時模塊、密碼讀取模塊、密碼設(shè)置模塊、密碼比較模塊、聲光狀態(tài)模塊等。其電路圖如圖2.2.1所示。圖2.2-1 方案一總電路圖2.2.2方案二電路及原理 由移位寄存器構(gòu)成密碼輸入電路，由開關(guān)與集成數(shù)值比較器構(gòu)成密碼比較與存儲電路，集成芯片計數(shù)器 74LS90計數(shù)器記錄輸入錯誤錯誤的次數(shù)，并由555芯片組成電路及74LS90芯片構(gòu)成報警60秒停10秒的報警電路，紅燈亮表示閉鎖

13、，綠燈亮表示開鎖，蜂鳴器響表示輸錯三次報警，再加反饋回路實現(xiàn)對前面電路的控制。電路圖如圖2.2.2所示。圖2.2-2 方案二總電路圖2.2.3 方案三電路及原理 由移位寄存器構(gòu)成密碼輸入電路，有開關(guān)與非門構(gòu)成密碼比較與存儲電路，四個74LS192計數(shù)器分別構(gòu)成由輸入三次錯誤，報警60秒停10秒連續(xù)三次的報警電路，燈泡亮表示報警，報警再加反饋回路實現(xiàn)對前面電路的控制。電路圖如圖2.2.3所示。圖2.2-3 方案三總電路圖 2.2.4 方案比較與確定通過以上的原理說明可知，方案一中，由單片機STC89C52作為核心元件的數(shù)字式電子鎖，實現(xiàn)了基本的密碼鎖功能，運用具有可以寫入程序、按程序完成相關(guān)邏輯

14、判斷和電平控制的單片機芯片可以大大降低系統(tǒng)的復(fù)雜度，但是方案一更側(cè)重于程序設(shè)計，而本次課程設(shè)計是數(shù)字電子電路的設(shè)計，故方案一不合適。方案三中，運用了數(shù)字芯片和邏輯門電路實現(xiàn)電子鎖功能，但電路較不成熟，且不如方案二簡潔清楚，故方案三也不合適。方案二中，利用集成數(shù)字芯片和邏輯門電路實現(xiàn)密碼鎖的功能，原理清楚，比較簡潔明了，適合本次課程設(shè)計。綜上所述，選擇方案二作為本次課程設(shè)計的實驗方案。 3.電路原理3.1 開鎖輸入電路 開鎖密碼輸入電路主要由移位寄存器74LS194及開關(guān)構(gòu)成，74LS194是四位雙向通用移位寄存器。功能包括串行輸入和并行輸出，有時鐘脈沖信號觸發(fā)。由功能表可知，當(dāng)S1=0,S0=

15、1時，芯片處于右移串行輸入，當(dāng)CP端經(jīng)過四個上升沿脈沖時，QA-QD并行輸出四位密碼，相當(dāng)于密碼輸入。圖3.1-1 74LS194引腳圖圖3.1-2 74LS194功能表 開鎖輸入電路圖如圖3.1-3所示，其中S8為輸入清零開關(guān)，S5作為密碼輸入端，S6充當(dāng)脈沖信號使用。S5每輸入一位密碼，S6就要閉合斷開一次。圖3.1-3 開鎖輸入電路圖 3.2 密碼設(shè)定與比較電路 設(shè)計要求規(guī)定密碼為四位二進制數(shù)，所以密碼設(shè)定電路主要由四個單刀雙擲開關(guān)構(gòu)成，由開關(guān)撥向組成不同的密碼組合，設(shè)定之后不更改狀態(tài)即是對密碼的儲存，且密碼可以在0000-1111之間任意設(shè)定，通過設(shè)定的密碼可以與輸入的密碼進行比較。密

16、碼比較電路主要是集成芯片74LS85構(gòu)成，集成數(shù)值比較器74LS85是4位數(shù)值比較器。在數(shù)字電路中，經(jīng)常需要對兩個位數(shù)相同的二進制數(shù)進行比較，以判斷它們的相對大小或者是否相等，用來實現(xiàn)這一功能的邏輯電路就成為數(shù)值比較器。數(shù)值比較器就是對兩數(shù)A、B進行比較，以判斷其大小的邏輯電路。比較結(jié)果有A>B、A<B以及A=B三種情況。應(yīng)用原理是利用數(shù)據(jù)比較器比較設(shè)定密碼和輸入密碼的大小，如果相等，芯片的OAEQB就會輸出1，反之，其他兩個輸出端必有有一個輸出為1。圖3.2-1 74LS85引腳圖圖3.2-2 74LS85功能表 密碼設(shè)定與比較電路如圖3.2-3所示。S1，S2，S3，S4組成密

17、碼設(shè)定電路，74LS85為密碼比較電路的核心元件。當(dāng)輸入密碼預(yù)設(shè)定密碼一致時，綠燈亮，否則紅燈亮。圖3.2-3 密碼設(shè)定與比較電路3.3計數(shù)電路設(shè)計要求當(dāng)輸入錯誤達到三次后電路報警并實現(xiàn)自鎖，故需要計數(shù)錯誤次數(shù)。計數(shù)電路主要是由集成芯片74LS290構(gòu)成，74LS90計數(shù)器是一種中規(guī)模二-五-十進制計數(shù)器，通過不同的連接方法，其還可構(gòu)成其他進制的計數(shù)器。圖3.3-1 74LS290引腳圖圖3.3-2 74LS290功能表計數(shù)電路如圖3.3-3所示，S10為強制清零開關(guān)。圖3.3-3 計數(shù)電路3.4 計時電路設(shè)計要求當(dāng)電路發(fā)生警報時報警動作為響1分鐘、停10秒，所以需要設(shè)計計時電路，用于控制報警

18、時間。計時電路主要由555芯片和74LS290組成。3.4-1 555芯片引腳圖 計時電路如圖3.4-2所示。555芯片構(gòu)成多諧振蕩器產(chǎn)生1HZ的脈沖，給74LS290提供脈沖信號。U5為十進制計數(shù)器，U6為六進制計數(shù)器，兩者構(gòu)成六十進制計數(shù)器。3.4-2 計時電路3.5 報警電路 蜂鳴器由三極管驅(qū)動，在計數(shù)電路和計時電路的控制下工作。3.5 報警電路3.6 實驗參數(shù)計算555芯片構(gòu)成的多諧振蕩器的震蕩周期為 T=TPH+TPLTPH=0.7(R1+R2)C TPL=0.7R2C所以震蕩周期為 T=TPH+TPL=0.7(R1+2R2)C振蕩頻率 f =1/T要產(chǎn)生1HZ的脈沖信號，所以 0.

19、7(R1+2R2)C = 1由此計算出R1= 2.8K ， R2=5.7K ， C=10µF3.7 總電路及其工作原理 總電路由開鎖輸入電路，密碼設(shè)定與比較電路，計數(shù)電路，計時電路和報警電路組成，總電路圖如圖3.7所示。由開關(guān)S5輸入開鎖密碼，移位寄存器74LS194將輸入密碼并行輸出，數(shù)值比較器74LS85將輸入密碼與設(shè)定密碼進行比較，若輸入密碼與設(shè)定密碼相同，綠燈亮，若輸入密碼與設(shè)定密碼不同，或門U1輸出為1，按下按鈕S7，則計數(shù)器74LS290（U4）進行一次計數(shù)。若在3次以內(nèi)輸入正確，則或門U9輸出為1，計數(shù)器U4清零；若3次輸入都不正確，與非門U7輸出為1，蜂鳴器發(fā)出警報，

20、且或非門U10輸出為0，移位寄存器74LS194鎖住，不能再進行密碼輸入。555芯片構(gòu)成多諧振蕩器，產(chǎn)生頻率為1HZ的脈沖信號，為U5和U6構(gòu)成的六十進制計數(shù)器提供脈沖信號。當(dāng)U6計數(shù)到0101即“5”時，與非門U8輸出為0，蜂鳴器不再工作，由此產(chǎn)生報警一分鐘停頓10秒的報警動作。開關(guān)S1，S2，S3，S4用于設(shè)定密碼，S6用于提供74LS194的脈沖信號，S8用于對輸入密碼進行清零。圖3.7 總電路圖 4.仿真結(jié)果及實物圖4.1 電路仿真結(jié)果密碼輸入正確時的仿真結(jié)果圖4.1-1 密碼輸入正確時仿真結(jié)果密碼輸入錯誤時的仿真結(jié)果圖4.1-2 密碼輸入錯誤時仿真結(jié)果密碼輸入錯誤達到三次時的仿真結(jié)果 圖4.1-3 密碼輸入錯誤三次時仿真結(jié)果當(dāng)密碼輸入錯誤三次后，555震蕩波形及蜂鳴器端的波形如下圖4.1-4 多諧振蕩器脈沖信號和蜂鳴器兩端波形4.2 焊接實物圖實物正面圖圖4.2-1 實物正面圖實物背面焊接圖圖4.2-2 背面焊接圖5.實驗設(shè)計總結(jié)與感悟 經(jīng)過一個星期的努力，數(shù)電課程設(shè)計終于落下了帷幕。在這一個星期里，我真正體會到了什么叫做廢寢忘食，不眠不休。本次課程設(shè)計我的任務(wù)是設(shè)計并制作數(shù)字式電子鎖，剛看到這個題目時有一種無從下手的感覺，從網(wǎng)上查閱了大量資料和電路圖才搞懂了大體的設(shè)計思路和設(shè)計方向。第一天的時候花了整整一天的時間設(shè)計出