数字电子课程设计 《电子锁及门铃电路设计与Multisim电路仿真和ALtium Designer绘制电路原理图》.docx
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数字电子课程设计《电子锁及门铃电路设计与Multisim电路仿真和ALtiumDesigner绘制电路原理图》
1设计目的
利用数字电路的理论和知识进行设计，设计一个电子锁，密码为8位二进制代码，当开锁输入码与密码一致时，锁被打开，当开锁输入码与密码不一致时，则报警。
1.1设计内容及要求
1.1.1设计指标
·设计一个电子锁，其密码为8位二进制代码，开锁指令为串行输入码。
·开锁输入码与密码一致时，锁被打开。
·当开锁输入码与密码不一致时，则报警。
报警时间持续15秒，停3秒后再出现。
·报警器可以兼作门铃使用，门铃时间为10秒。
·设置一个系统复位开关，所有的时间数据用数码管显示出来。
1.1.2原理框图
图1原理框图
2系统具体设计及参数计算
2.1设计思路
1、数据比较模块。
数据比较模块是电子锁的核心部分。
由于是八位数据比较，所以采用两片7485（四位数字比较器）级联方式。
用高4位的芯片的输出端（YA=YB,YAYB）控制门铃和报警电路。
2、原始密码输入模块。
由八个波段开关构成，表示每一位的数据，分别接到高位7485和低位7485上。
另一端接5V电源，当按键接通时表示“1”，当案件未接通时，表示“0”。
3、串行密码输入模块。
采用两片74194（四位双向通用移位寄存器）级联成八位数据输入模块，分别接到数据比较模块的高四位和低四位。
具体输入电路见下文分析。
4、时钟模块。
计时模块用来产生标准的秒脉冲给电路提供时序。
可采用555定时器构成多谐振荡器，也可以使用8051单片机定时器产生标准方波。
在电路仿真时采用软件自带的电压信号产生器。
5、计时模块。
采用两片74290（二\五分频十进制计数器）级联方式构成十进制、可显示0-99计时模块。
芯片输出BCD码，由7448（BCD-7段译码器\内部上拉输出驱动）驱动两个数码管（共阴极）。
6、显示模块。
时间显示采用两个7段共阴极数码管。
7、门铃模块。
采用单稳态触发器。
可以用555定时器构成，也可以用集成芯片构成。
我采用集成芯片74123（单稳态多谐振荡器）。
8、报警模块。
采用多谐振荡器，周期18秒，占空比63%。
由555定时器构成。
9、声响模块。
采用直流驱动蜂鸣器。
由门铃模块和报警模块驱动。
10、复位开关。
若各模块的芯片有清零端\使能端，则接到一起，设计一个复位开关控制。
若没有，则将其接地端串联到一个复位开关。
11、按键去抖。
采用美信公司的MAX6818开关去抖器。
2.2各模块详细设计
2.2.1数据比较和原始密码输入模块
器件选择
采用两片7485（四位数字比较器）级联方式。
用高4位的芯片的输出（YA=YB,YAYB）控制门铃和报警电路。
其引脚图和功能表如图2和表1所示。
图27485引脚图
表17485功能表
电路设计
图3数据比较模和原始密码输入模块电路图
如图3所示两片7485级联成八位数据比较模块，左边为低四位，右边为高四位。
P口由5VVCC经编码开关接入，设定原始密码。
Q口由串行数据输入模块接入。
高位芯片5、6、7引脚输出电平表示开锁密码是否正确。
若正确，则6脚为高，另两脚为低。
若不正确，则5脚或7脚为高，六脚为低。
5、7脚通过或门电路（7432）接报警模块。
6脚接门铃模块。
2.2.2串行输入模块
器件选择
S1
S0
cp
功能
0
×
×
×
清零
1
0
0
×
保持
1
0
1
↑
右移
1
1
0
↑
左移
1
1
1
↑
并行输入
采用两片74194（四位双向通用移位寄存器）级联成八位数据输入模块。
其引脚图和功能表如图4和表2所示
图474194引脚图表274194功能表
电路设计
图5串行输入模块电路图
如图5所示，两片7449构成八位串行输入并行输出模块，左侧为低位，右侧为高位。
采用功能表第三行（右移）模式。
输入密码时，按下[START]按键，使模块由清零进入工作状态。
单刀双掷开关决定模块输入“1”或“0”。
按下[PUTIN]轻触开关时，两芯片获得同步脉冲，此时所有数据向高位移动一位。
低位的输出端QD连接高位的输入端SR，完成由低位向高位的数据传送。
两芯片的输出端分别接到数据比较模块的低位和高位。
【注】由于实际应用中开关存在抖动现象，这里仅做原理阐述，并没有加入去抖电路，加入去抖电路后的电路见总电路图。
2.2.3时钟模块
电路设计
图6时钟模块电路图
如图6所示，由555定时器构成多谐振荡器，OUT为输出端，为计时模块产生秒脉冲。
该电路产生周期为1Hz，占空比为53%的波形。
计算公式为：
高电平持续时间T1=0.7（R1+R2）C1。
低电平持续时间T2=0.7R2C1。
2.2.4计时模块
器件选择
采用两片74290（二\五分频十进制计数器）级联方式构成十进制、可显示0-99计时模块。
芯片输出BCD码，由7448（BCD-7段译码器\内部上拉输出驱动）驱动两个数码管（共阴极）。
74290引脚图如图7所示，7448引脚图如图8所示，74290功能表如表3所示。
图774290引脚图图87448引脚图
表374290功能表
电路设计
图9计时模块电路图
如图9所示，该电路为十进制、0~99显示电路。
左侧为十位，右侧为个位。
74290A端为脉冲输入，低位的QD接到高位的A，完成十进制进位。
输出BCD码进入7448数码管译码器。
7448为内部上拉高效译码输出，用来驱动共阴极数码管。
使用时需要串联保护电阻，经Multisim软件仿真，阻值大约280Ω。
数码管K端接地。
2.2.5门铃模块
当输入密码一致时，系统开锁，并触发门铃模块。
门铃模块采用由555电路构成的单稳态触发器。
稳态时间计算公式：
T=RC
电路设计
图10门铃模块电路图
如图所示，由555定时器构成单稳态触发器。
OUT为输出端，驱动门铃（蜂鸣器）。
暂稳态持续时间约为10秒。
随后电路回到稳定状态。
由于555定时器的性质，触发端TRIG是下降沿触发，而不是低电平触发。
若TRIG端低电平持续时间大于暂稳态时间，则系统进入到不稳定状态。
所以在触发端TRIG之前加入RC电路和反相器。
整个系统由高电平驱动，当触发电平由低变高时，TRIG端收到一个下降沿，随后电容充电完毕，TRIG回到高电平，整个过程持续时间小于暂稳态持续时间。
2.2.6报警模块
图11报警模块电路图
如图11所示，报警电路由555定时器构成多谐振荡器RST当作使能端。
高电平触发。
OUT为输出端，产生15秒高、3秒低的波形，触发蜂鸣器。
经计算，该电路构成频率0.056Hz，占空比83%的波形输出。
计算公式见上文时钟模块设计。
2.2.7声响模块
根据题目要求，门铃和报警模块公用一个蜂鸣器。
因担心驱动能力不够，所以采用三极管放大电路。
门铃和报警模块输出端通过反相器接到8550PNP三极管基极。
当基极接收到低电平时，三极管导通,驱动蜂鸣器。
电路图如图12所示
图12声响模块电路图
2.2.8按键去抖模块
图13MAX6818引脚图
采用美信公司的MAX6818按键消消抖器。
其引脚图如图13所示，具体连接方式见总电路图。
2.2.9系统复位电路
采用开关复位设计。
即系统电源开关就是系统复位开关。
设计图略。
2.3总电路图
图14总电路图
2.4元器件清单
元器件
标号
封装
型号
数量
电阻器
R0－R19
AXIAL-0.4
Res2
20
电容器
C1－C7
RAD-0.3
Cap
7
二极管
D1,D2
DO-41
Diode1N4001
2
数码管
DS1,DS2
LEDDIP-10
DpyRed-CC
2
蜂鸣器
LS1
PIN2
Bell
1
消抖器
P1
SSOP
MAX6818
1
三极管
Q1
TO-92A
8550
1
波段开关
S1
DIP_SW_8WAY_SMD
SWDIP-8
1
按键开关
S2,S3
SPST-2
SW-SPST
2
单刀双掷开关
S4
TL36WW15050
SW-SPDT
1
轻触开关
S5
SPST-2
SW-PB
1
BCD译码器
U1,U2
DIP16
SN74LS48N
2
十进制计数器
U3,U4
DIP14
SN74LS290N
2
时基电路
U5,U7,U13
DIP10
LM555CN
3
反相器
U6
DIP20
74AC11204N
1
数据比较器
U8,U9
DIP20
SN74LS85N
2
或门电路
U10
DIP20
SN74LS32D
1
串入并出寄存器
U11,U12
DIP16
SN74LS194AD
2
表4元器件清单
3仿真
Multisim是美国国家仪器（NI）有限公司推出的以Windows为基础的仿真工具，适用于板级的模拟/数字电路板的设计工作。
它包含了电路原理图的图形输入、电路硬件描述语言输入方式，具有丰富的仿真分析能力。
本次设计采用Multisim10进行仿真。
3.1密码输入模块仿真
图15串行密码输入和数据比较模块仿真电路图
如图15所示为串行密码输入模块和数据比较模块仿真电路图。
当输入密码与预先编码一致时，中间LED亮起，若不一致，左侧或右侧LED亮起。
经观察，仿真结果和电路设计一致。
3.2门铃模块仿真
图16门铃模块仿真电路图图17单稳态触发器输出波形
如图16所示为门铃模块仿真电路图。
左上角开关模拟开锁门铃信号输入。
右侧LED和蜂鸣器表示门铃响起。
当开关闭合式，触发单稳态触发器，同时由于RC电路影响，555定时器触发端一段时间后回到高电平，保证了输入信号长时间保持高电平时，电路的稳定。
图17为单稳态触发器波形图。
仿真结果与电路设计一致。
3.3报警模块仿真
图18报警模块仿真电路图图19多谐振荡器输出波形图
如图18所示为报警模块仿真电路图，开关模拟报警信号输入，高电平触发。
LED和蜂鸣器表示铃响。
图19为多谐振荡器输出端波形图。
经观察，仿真结果和电路设计一致。
3.4计时电路仿真
图21多谐振荡器输出波形图
图20计时模块仿真电路图
如图20所示为计时模块仿真电路图，由555定时器构成多谐振荡器产生秒脉冲，右侧开关模拟报警和门铃模块信号输入。
数码管显示时间。
图21为秒脉冲输出端波形图。
经观察，仿真结果和电路设计一致。
3.5总仿真电路图
图22总仿真电路图
4总结
4.1工作进程
1.4：
接到设计题目，着手准备设计，去图书馆借阅相关书籍。
1.5-1.6：
初步设计电路原理图，画出手稿。
1.7-1.11:
电路仿真，熟悉Multisim仿真软件，这一部分耽误了很长时间，但是也收获了很多知识。
1.12：
画总电路图，绘制CAD图纸，写设计报告。
1.13：
设计完成。
4.2心得体会
通过本次数字电子课程设计，使我更加熟悉和掌握了电子电路设计的知识和技巧，对数字电子技术有了更深层次的理解。
同时，更加全面的解了74系列芯片的功能和型号，对今后的工作和学习由很大帮助。
在电路仿真过程中，也遇到了很多问题。
比如，Multisim软件仿真时，需要进行仿真时间步长设置。
如果设置步长过小，现实中过去一分钟，软件中可能只运行几秒。
通过请教指导老师和自己摸索，进行了正确而的设置，解决了问题。
再如，555定时器构成单稳态触发器时，触发端下降沿有效，但是低电平时间不能大于暂稳态时间。
当我正在为这个问题纠结时，忽然想起了单片机上电复位的电路，于是我尝试将单片机上电复位电路应用到单稳态触发器的触发电路，问题迎刃而解。
在设计过程中，由于有些细小的问题没有注意到，导致了电路仿真不好使。
这些的知识老师课上都讲过，只是当时没有注意到。
以后上课要多注意听讲，看书要仔细，细节决定成败。
由于芯片生产厂家大多数是外国企业，很多技术资料都是全英文的，经过翻译的资料也不保证准确性。
所以我们自动化专业的学生更应该掌握好英文能力，对待英语学习应该重视起来。
本次数字电子课程设计，东北电力大学自动化工程学院黄俊峰、刘寅东老师不遗余力的进行了指导和答疑，并提出了很多宝贵的意见和建议。
在此深表感谢！
对我们而言，知识上的收获很重要，精神上的丰收更加可喜。
挫折是一份财富，经历是一份拥有。
这次实习必将成为我人生旅途上一个非常美好的回忆！
希望以后还能够有像这次一样自己动手的机会。
5参考文献
[1]王义军.数字电子技术基础.北京：
中国电力出版社，2007
[2]韩学军.模拟电子技术基础.北京：
中国电力出版社，2008
[3]孙育才.MCS-51单片微型计算机及其应用.南京：
东南大学出版社，2004
[4]郭锁利.基于Multisim9的电子系统设计仿真与综合应用.北京：
人民邮电出版社，2008
[5]史久贵.基于AltiumDesigner的原理图与PCB设计.北京：
机械工业出版社，2010
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