數(shù)字式電子鎖的設(shè)計(jì)方案與制作

《數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)》課程設(shè)計(jì)任務(wù)書學(xué)生姓名：專業(yè)班級：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(jì)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(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(shí)，鎖被打開。當(dāng)開鎖密碼與存儲密碼不一致時(shí)，可重復(fù)進(jìn)行，若連續(xù)三次未將鎖打開，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。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)說明書撰寫。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、開鎖部分和報(bào)警部分組成。本設(shè)計(jì)電路簡單，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)字式密碼鎖簡介 12方案設(shè)計(jì) 13芯片介紹 23.174ls194 23.274ls175 33.374ls161 43.474ls85 53.574ls00 63.674ls08 73.7NE555 73.7.1NE555引腳圖 73.7.2NE555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 168參考文獻(xiàn) 171緒論數(shù)字式密碼鎖簡介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(jī)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(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，通過連接電路來實(shí)現(xiàn)的，也有的是以單片機(jī)為核心以編程來實(shí)現(xiàn)的。不管是哪一種，其性能和安全性已大大超過了機(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)無活動(dòng)零件，不會磨損，壽命長。5)使用靈活性好，不像機(jī)械鎖必須佩帶鑰匙才能開鎖。6)電子密碼鎖操作簡單易行，一學(xué)即會。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，方案二較為簡潔，故選擇方案二。3芯片介紹3.174ls194194為4位雙向移位寄存器，其邏輯圖如下：圖3.1.174ls194邏輯圖引出端符號CLOCK時(shí)鐘輸入端CLEAR清除端（低電平有效）A－D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QA－QD輸出端當(dāng)清除端（CLEAR）為低電平時(shí)，輸出端（QA－QD）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)（A－D）被送入相應(yīng)的輸出端QA－QD。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3.1.274ls194真值表3.274ls17574ls175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3.2.174ls175引腳圖其功能表如下：清零時(shí)鐘輸入輸出工作模式RCPQ0Q1Q2Q3Q0Q1Q2Q30×××××0000異步清零1↑Q0Q1Q2Q3Q0Q1Q2Q3數(shù)碼保存11××××保持?jǐn)?shù)據(jù)保持10××××保持?jǐn)?shù)據(jù)保持圖3.2.274ls175功能表3.374ls16174LS161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3.3.174LS161引腳圖管腳圖介紹：時(shí)鐘CP和四個(gè)數(shù)據(jù)輸入端P0~P3清零/MR使能CEP，CET置數(shù)PE數(shù)據(jù)輸出端Q0~Q3以及進(jìn)位輸出TC.(TC=Q0·Q1·Q2·Q3·CET)其功能表如下：圖3.3.274LS161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=Q0·Q1·Q2·Q3·CET。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。3.474ls8574ls85為4位數(shù)值比較器，引腳圖如下：圖3.4.174ls85引腳圖85可進(jìn)行二進(jìn)制碼和BCD碼的比較，對兩個(gè)4位字的比較結(jié)果由三個(gè)輸出端（FA＞B，F(xiàn)A＝B，F(xiàn)A＜B＝輸出。將若干85級聯(lián)可比較較長的字，此時(shí)低級位的FA＞B，F(xiàn)A＝B，F(xiàn)A＜B連接到高位級相應(yīng)的輸入A＞B、A＝B、A＜B，并使低位級的A＝B為高電平。引出端符號A0－A3字A輸入端B0－B3字B輸入端A＞BA＞B級聯(lián)輸入端A＝BA＝B級聯(lián)輸入端A＜BA＜B級聯(lián)輸入端FA=BA等于BFA>BA大于FA<BA小于其功能表如下：圖3.4.274ls85功能表3.574ls0074ls00為四組2輸入端與非門（正邏輯），其邏輯圖如下：圖3.5.174ls00邏輯圖引出端符號：1A－4A，1B－4B輸入端1Y－4Y輸出端其真值表如下：輸入A輸入B輸出HHLHLHLHHLLH圖3.5.274ls00真值表3.674ls0874ls08為四組2輸入端與門（正邏輯），其邏輯圖如下：圖3.6.174ls08邏輯圖引出端符號：1A－4A，1B－4B輸入端1Y－4Y輸出端其真值表如下：輸入A輸入B輸出HHHHLLLHLLLL圖3.6.274ls08真值表3.7NE5553.7.1NE555引腳圖圖3.7.1NE555引腳圖Pin1-地線(或共同接地)，通常被連接到電路共同接地。Pin2-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)信號上緣電壓須大于2/3VCC，下緣須低于1/3VCC。Pin3-當(dāng)時(shí)間周期開始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200mA。Pin4-一個(gè)低邏輯電位送至這個(gè)腳位時(shí)會重置定時(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。Pin5-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)營在穩(wěn)定或振蕩的運(yùn)作方式下,這輸入能用來改變或調(diào)整輸出頻率。Pin6-Pin6重置鎖定并使輸出呈低態(tài)。當(dāng)這個(gè)接腳的電壓從1/3VCC電壓以下移至2/3VCC以上時(shí)啟動(dòng)這個(gè)動(dòng)作。Pin7-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LOW，對地為低阻抗，當(dāng)輸出為OFF時(shí)為HIGH，對地為高阻抗。Pin8-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)。3.7.2NE555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tPH≈0.693×（R1+R2）×C1tPL≈0.693×R2×C1振蕩周期T和振蕩頻率f分別為T=tPH+tPL≈0.693×（R1+2R2）×C1f=1/T≈1/[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。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。Tw≈1.11×R1×C1圖3.7.2.2單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器3.7.2.3RS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3.7.2.3RS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，沒有脈沖時(shí)，寄存器不工作，74ls194的輸出不能通過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為確定輸入開關(guān)。4.2密碼預(yù)置電路和開鎖電路密碼預(yù)置電路和開鎖電路由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)單刀雙擲開關(guān)，我們可以通過撥動(dòng)這些開關(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開始工作，NE555的3腳輸出高電平，三極管導(dǎo)通，蜂鳴器開始工作，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