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

1、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、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。

3、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

4、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2 7485引脚图表1 7485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5V VCC经编码开关接入，设

5、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S1S0cp功能0清零100保持101右移110左移111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4 74194引脚图表2 74194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

6、。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PUT IN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 T

7、1=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7 74290引脚图图8 7448引脚图表3 74290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、099显示电路。左侧为十位，右侧为个位。74290 A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7

8、448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280。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T

9、RIG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

10、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13 MAX6818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 R0R19AXIAL-0.4Res220电容器C1C7RAD-0.3Cap7二极管D1, D2DO-41Diode 1N40012数码管DS1, DS2LEDDIP-10Dpy Red-CC2蜂鸣器LS1PI

11、N2Bell1消抖器P1SSOPMAX68181三极管Q1TO-92A85501波段开关S1DIP_SW_8WAY_SMDSW DIP-81按键开关S2, S3SPST-2SW-SPST2单刀双掷开关S4TL36WW15050SW-SPDT1轻触开关S5SPST-2SW-PB1BCD译码器U1, U2DIP16SN74LS48N2十进制计数器U3, U4DIP14SN74LS290N2时基电路U5, U7, U13DIP10LM555CN3反相器U6DIP2074AC11204N1数据比较器U8, U9DIP20SN74LS85N2或门电路U10DIP20SN74LS32D1串入并出寄存器U1

12、1, U12DIP16SN74LS194AD2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Multisim 10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

13、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

14、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

15、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

16、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，20072韩学军. 模拟电子技术基础. 北京：中国电力出版社，20083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，20044郭锁利. 基于Multisim 9的电子系统设计仿真与综合应用. 北京：人民邮电出版社，20085史久贵. 基于Altium Designer 的原理图与PCB设计. 北京：机械工业出版社，2010