数电课设数字式电子锁.docx
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数电课设数字式电子锁
课程设计任务书
学生姓名：
孙亚楠专业班级：
通信1302班
指导教师：
付琴工作单位：
信息工程学院
题目:
数字式电子锁的设计与实现
初始条件：
本设计既可以使用集成电路和必要的元器件等，也可以使用单片机系统构建数字密码电子锁。
自行设计所需工作电源。
电路组成原理框图如图1，数字密码锁的实际锁体一般由电磁线圈、锁栓、弹簧和锁柜构成。
当线圈有电流时，产生磁力，吸动锁栓，即可开锁。
反之则不开锁。
图1数字式电子锁原理框图
要求完成的主要任务:
（包括课程设计工作量及技术要求，以及说明书撰写等具体要求）
1、课程设计工作量：
1周。
2、技术要求：
1）课程设计中，锁体用LED代替（如“绿灯亮”表示开锁，“红灯亮”表示闭锁）。
2）其密码为4位二进制代码，密码可以通过密码设定电路自行设定。
3）开锁指令为串行输入码，当开锁密码与存储密码一致时，锁被打开。
当开锁密码与存储密码不一致时，可重复进行，若连续三次未将锁打开，电路则报警并实现自锁。
（报警动作为响1分钟，停10秒）
4）选择电路方案，完成对确定方案电路的设计。
计算电路元件参数与元件选择、并画出总体电路原理图，阐述基本原理。
安装调试设计电路。
3、查阅至少5篇参考文献。
按《武汉理工大学课程设计工作规范》要求撰写设计报告书。
全文用A4纸打印，图纸应符合绘图规范。
时间安排：
序号
阶段内容
所需时间
1
方案选择和电路设计
1天
2
硬件设计、软件仿真
2天
3
系统优化
2天
4
设计报告撰写
1天
5
答辩
1天
合计
7天
指导教师签名：
年月日
系主任（或责任教师）签名：
年月日
摘要……………………………………………………………Ⅰ
Abstract……………………………………………………………Ⅱ
1.设计目的及要求…………………………………………………………1
1.1设计目的……………………………………………………………………1
1.2设计要求……………………………………………………………………1
2.电路的设计与选择……………………………………………………2
2.1电路组成…………………………………………………………………2
2.2方案选择…………………………………………………………………2
2.2.1方案一电路及原理………………………………………………………2
电路及原理………………………………………………………3
2.2.3方案三电路及原理………………………………………………………3
2.2.4方案比较与确定………………………………………………………4
3.电路原理……………………………………………………………5
3.1开锁输入电路…………………………………………………………5
3.2电路设定与比较电路…………………………………………………6
3.3计数电路………………………………………………………………8
3.4计时电路……………………………………………………………10
3.5报警电路……………………………………………………………11
3.6实验参数计算………………………………………………………11
3.7总电路及其工作原理………………………………………………11
4.仿真结果及实物图…………………………………………………13
4.1电路仿真结果…………………………………………………………13
4.2焊接实物图…………………………………………………………17
5.实验设计总结与感悟………………………………………………19
6.元器件清单…………………………………………………………20
摘要
现代电子技术的快速发展,使得数字电子技术广泛地应用在自动化领域中。
在生活或工业领域中，电子密码锁是一种通过密码输入来控制电路或是芯片工作，从而控制机械开关的闭合，完成开锁、闭锁任务的电子产品。
它的种类很多，有简易的电路产品，也有基于芯片的性价比较高的产品。
数字电子技术课程设计对所学的基础理论知识是一次实践检测的过程。
本文的电子密码锁是利用集成数字芯片和数字逻辑电路，实现对门的电路控制，并且有各种附加电路保证电路能够安全工作，具有极高的安全系数。
该系统主要由密码存储电路，比较电路，开锁输入电路，报警电路，锁体组成。
密码存储电路与比较电路主要由开关和集成芯片74LS85构成，开锁输入主要由74LS194移位寄存器及相应开关构成，报警电路主要由555芯片、74LS90、报警灯和蜂鸣器构成，其中555产生1HZ周期脉冲，74LS90实现计数和计时。
电路中还包括一些逻辑门电路，以实现相应的逻辑功能。
关键词：
数字密码锁，密码存储电路，比较电路，报警电路，开锁输入电路
Abstract
Keywords:
digitalpasswordlock,passwordstoragecircuit,comparisoncircuit,alarmcircuit,unlockinputcircuit
1.设计内容及要求
1.1设计目的
设计一个具有报警功能的四位数字式电子锁
1.2设计要求
（1）锁体用LED代替，“绿灯亮”表示开锁，“红灯亮”表示闭锁。
（2）其密码为4位二进制代码，密码可以通过密码设定电路自行设定。
（3）开锁指令为串行输入码，当开锁密码与存储密码一致时，锁被打开。
当开锁密码与存储密码不一致时，可重复进行，若连续三次未将锁打开，电路则报警并实现自锁。
（报警动作为响1分钟，停10秒）
（4）选择电路方案，完成对确定方案电路的设计。
计算电路元件参数与元件选择、并画出总体电路原理图，阐述基本原理。
安装调试设计电路。
2.电路的设计与选择
2.1电路组成
数字式电子锁的电路主要由密码存储电路，比较电路，开锁输入电路，报警电路，锁体组成。
电路的原理框图如图2.1所示。
图2.1数字式电子锁原理框图
2.2方案选择
2.2.1方案一电路及原理
。
图2.2-1方案一总电路图
2.2.2方案二电路及原理
由移位寄存器构成密码输入电路，由开关与集成数值比较器构成密码比较与存储电路，集成芯片计数器74LS90计数器记录输入错误错误的次数，并由555芯片组成电路及74LS90芯片构成报警60秒停10秒的报警电路，红灯亮表示闭锁，绿灯亮表示开锁，蜂鸣器响表示输错三次报警，再加反馈回路实现对前面电路的控制。
电路图如图。
图2.2-2方案二总电路图
2.2.3方案三电路及原理
由移位寄存器构成密码输入电路，有开关与非门构成密码比较与存储电路，四个74LS192计数器分别构成由输入三次错误，报警60秒停10秒连续三次的报警电路，灯泡亮表示报警，报警再加反馈回路实现对前面电路的控制。
电路图如图。
图2.2-3方案三总电路图
2.2.4方案比较与确定
通过以上的原理说明可知，方案一中，由单片机STC89C52作为核心元件的数字式电子锁，实现了基本的密码锁功能，运用具有可以写入程序、按程序完成相关逻辑判断和电平控制的单片机芯片可以大大降低系统的复杂度，但是方案一更侧重于程序设计，而本次课程设计是数字电子电路的设计，故方案一不合适。
方案三中，运用了数字芯片和逻辑门电路实现电子锁功能，但电路较不成熟，且不如方案二简洁清楚，故方案三也不合适。
方案二中，利用集成数字芯片和逻辑门电路实现密码锁的功能，原理清楚，比较简洁明了，适合本次课程设计。
综上所述，选择方案二作为本次课程设计的实验方案。
3.电路原理
3.1开锁输入电路
开锁密码输入电路主要由移位寄存器74LS194及开关构成，74LS194是四位双向通用移位寄存器。
功能包括串行输入和并行输出，有时钟脉冲信号触发。
由功能表可知，当S1=0,S0=1时，芯片处于右移串行输入，当CP端经过四个上升沿脉冲时，QA-QD并行输出四位密码，相当于密码输入。
图3.1-174LS194引脚图
图3.1-274LS194功能表
开锁输入电路图如图3.1-3所示，其中S8为输入清零开关，S5作为密码输入端，S6充当脉冲信号使用。
S5每输入一位密码，S6就要闭合断开一次。
图3.1-3开锁输入电路图
3.2密码设定与比较电路
设计要求规定密码为四位二进制数，所以密码设定电路主要由四个单刀双掷开关构成，由开关拨向组成不同的密码组合，设定之后不更改状态即是对密码的储存，且密码可以在0000-1111之间任意设定，通过设定的密码可以与输入的密码进行比较。
密码比较电路主要是集成芯片74LS85构成，集成数值比较器74LS85是4位数值比较器。
在数字电路中，经常需要对两个位数相同的二进制数进行比较，以判断它们的相对大小或者是否相等，用来实现这一功能的逻辑电路就成为数值比较器。
数值比较器就是对两数A、B进行比较，以判断其大小的逻辑电路。
比较结果有A>B、A应用原理是利用数据比较器比较设定密码和输入密码的大小，如果相等，芯片的OAEQB就会输出1，反之，其他两个输出端必有有一个输出为1。
图3.2-174LS85引脚图
图3.2-274LS85功能表
密码设定与比较电路如图3.2-3所示。
S1，S2，S3，S4组成密码设定电路，74LS85为密码比较电路的核心元件。
当输入密码预设定密码一致时，绿灯亮，否则红灯亮。
图3.2-3密码设定与比较电路
3.3计数电路
设计要求当输入错误达到三次后电路报警并实现自锁，故需要计数错误次数。
计数电路主要是由集成芯片74LS290构成，74LS90计数器是一种中规模二-五-十进制计数器，通过不同的连接方法，其还可构成其他进制的计数器。
图3.3-174LS290引脚图
图3.3-274LS290功能表
计数电路如图3.3-3所示，S10为强制清零开关。
图3.3-3计数电路
3.4计时电路
设计要求当电路发生警报时报警动作为响1分钟、停10秒，所以需要设计计时电路，用于控制报警时间。
计时电路主要由555芯片和74LS290组成。
3.4-1555芯片引脚图
计时电路如图3.4-2所示。
555芯片构成多谐振荡器产生1HZ的脉冲，给74LS290提供脉冲信号。
U5为十进制计数器，U6为六进制计数器，两者构成六十进制计数器。
3.4-2计时电路
3.5报警电路
蜂鸣器由三极管驱动，在计数电路和计时电路的控制下工作。
3.5报警电路
3.6实验参数计算
555芯片构成的多谐振荡器的震荡周期为T=TPH+TPL
TPH=0.7（R1+R2）CTPL=0.7R2C
所以震荡周期为T=TPH+TPL=0.7（R1+2R2）C
振荡频率f=1/T
要产生1HZ的脉冲信号，所以0.7（R1+2R2）C=1
由此计算出R1=2.8K?
，R2=5.7K?
，C=10μF
3.7总电路及其工作原理
总电路由开锁输入电路，密码设定与比较电路，计数电路，计时电路和报警电路组成，总电路图如图3.7所示。
由开关S5输入开锁密码，移位寄存器74LS194将输入密码并行输出，数值比较器74LS85将输入密码与设定密码进行比较，若输入密码与设定密码相同，绿灯亮，若输入密码与设定密码不同，或门U1输出为1，按下按钮S7，则计数器74LS290（U4）进行一次计数。
若在3次以内输入正确，则或门U9输出为1，计数器U4清零；若3次输入都不正确，与非门U7输出为1，蜂鸣器发出警报，且或非门U10输出为0，移位寄存器74LS194锁住，不能再进行密码输入。
555芯片构成多谐振荡器，产生频率为1HZ的脉冲信号，为U5和U6构成的六十进制计数器提供脉冲信号。
当U6计数到0101即“5”时，与非门U8输出为0，蜂鸣器不再工作，由此产生报警一分钟停顿10秒的报警动作。
开关S1，S2，S3，S4用于设定密码，S6用于提供74LS194的脉冲信号，S8用于对输入密码进行清零。
图3.7总电路图
4.仿真结果及实物图
4.1电路仿真结果
密码输入正确时的仿真结果
图4.1-1密码输入正确时仿真结果
密码输入错误时的仿真结果
图4.1-2密码输入错误时仿真结果
密码输入错误达到三次时的仿真结果
图4.1-3密码输入错误三次时仿真结果
当密码输入错误三次后，555震荡波形及蜂鸣器端的波形如下
图4.1-4多谐振荡器脉冲信号和蜂鸣器两端波形
4.2焊接实物图
实物正面图
图4.2-1实物正面图
实物背面焊接图
图4.2-2背面焊接图
5.实验设计总结与感悟
经过一个星期的努力，数电课程设计终于落下了帷幕。
在这一个星期里，我真正体会到了什么叫做废寝忘食，不眠不休。
本次课程设计我的任务是设计并制作数字式电子锁，刚看到这个题目时有一种无从下手的感觉，从网上查阅了大量资料和电路图才搞懂了大体的设计思路和设计方向。
第一天的时候花了整整一天的时间设计出了初步的电路图，但是用Multisim仿真时一直没有仿真出结果，于是第二天又查阅资料重新设计电路，忙了整整两天终于设计出了最终的电路图并仿真出了想要的结果，并且一直在修改一直在优化。
焊接实物时又遇到了很多难题，先是采购元件时我需要的元件并没有，只好找到其他的元件代替，再是电路图复杂线路太多，焊接时耗费了大量时间而且错误百出，一直修改到最后还是无法焊出满意的实物。
尽管这次课程设计时间很紧张难度很大，但是却对我们有很大的好处。
它使我对multisim的操作更加熟练，既巩固了课堂上学到的知识，又掌握了集成电路芯片的应用，在此基础上学习了数字系统设计的基本方法与原理，学会了科学的分析实际问题，也培养了我认真严谨的态度。
虽然最后的结果不是很完美，但是我已经付出了最大的努力。
本次课程设计我有很大的收获，对我将来的学习和工作一定会产生很大的影响。
6.元器件清单
元件
规格
数量
Ne555
1
74LS194
1
74LS85
1
74LS290
3
74LS00
1
74LS32
1
74LS02
1
三极管NPN
1
开关
8
电阻
2.8K?
1
电阻
5.7K?
1
电阻
100?
6
电阻
10?
2
电容
10μF
1
电容
4.7μF
1
蜂鸣器
1
LED
红、绿
2
参考文献
[1]《电子线路设计·实验·测试》第三版，谢自美主编，华中科技大学出版社
[2]《新型集成电路的应用―电子技术基础课程设计》，梁宗善主编，华中科技大学出版社
[3]《电子技术基础课程设计》，孙梅生等编着，高等教育出版社
[4]《数字电子技术基础》，吴友宇主编，清华大学出版社
[5]《数字电子线路与逻辑设计》，刘可文等主编，科学出版社
[6]《电子电路计算机仿真与分析》，黄志伟主编，电子工业出版社
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