編碼電子鎖的設(shè)計(jì)與制作論文.doc

編碼電子鎖的設(shè)計(jì)與制作論文隨著社會(huì)物質(zhì)財(cái)富的日益增長(zhǎng)，安全防盜已成為社會(huì)問(wèn)題。而鎖自古以來(lái)就是把守門(mén)戶的鐵將軍，人們對(duì)它要求甚高，既要安全可靠地防盜，又要使用方便，這也是制鎖者長(zhǎng)期以來(lái)研制的主題。目前國(guó)內(nèi)，大部分人使用的還是傳統(tǒng)的機(jī)械鎖。然而，眼下假冒偽劣的機(jī)械鎖泛濫成災(zāi)，互開(kāi)率非常之高。所謂互開(kāi)率，是各種鎖具的一個(gè)技術(shù)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，也就是1把鑰匙能開(kāi)幾把鎖的比率。經(jīng)國(guó)家工商局、國(guó)家內(nèi)貿(mào)局、中國(guó)消協(xié)等部門(mén)對(duì)鎖具市場(chǎng)的調(diào)查，發(fā)現(xiàn)個(gè)別產(chǎn)品的互開(kāi)率居然超標(biāo)26倍。彈子鎖質(zhì)量好壞主要取決于彈子數(shù)量的多少以及彈子的大小，而彈子的多少和大小受一定條件的限制。此外，即使是一把質(zhì)量過(guò)關(guān)的機(jī)械鎖，通過(guò)急開(kāi)鎖，甚至可以在不損壞鎖的前提下將鎖打開(kāi)，提供了發(fā)展的空間。電子鎖是第三代計(jì)算機(jī)防盜報(bào)警器的核心組成部分，用于識(shí)別用戶身份的合法性。它有不少優(yōu)點(diǎn)。例如保密性強(qiáng)，防盜性能好可以不需要鑰匙，只要記住開(kāi)鎖的密碼和方法，便可開(kāi)鎖,即方便又可避免因丟失鑰匙帶來(lái)的煩惱和損失。如果密碼泄露,主人可以比較方便地設(shè)置新的開(kāi)鎖密碼，不會(huì)造成損失，此外,編碼電子鎖將電子門(mén)鈴和防盜報(bào)警與電子鎖合為一體，實(shí)現(xiàn)了一物多用。由于以上諸多優(yōu)點(diǎn)，編碼電子鎖能夠廣泛地應(yīng)用于超市、住家、辦公單位等許多場(chǎng)所。1 系統(tǒng)方案選擇本次設(shè)計(jì)中分析了兩種方案，一種是中規(guī)模集成電路控制的方案，另一種是單片機(jī)控制的方案。兩中方案各有各的優(yōu)缺點(diǎn)，通過(guò)以下兩個(gè)方案的比較選擇設(shè)計(jì)了其中一個(gè)方案。11 中規(guī)模集成電路控制方案一：采用集成電路控制。編碼電子鎖電路分為編碼電路、控制電路、復(fù)位電路、解碼電路、防盜報(bào)警電路、門(mén)鈴電路。電子鎖主要由輸入元件、電路(包括電源)以及鎖體三部分組成，后者包括電磁線圈、鎖拴、彈簧和鎖柜等。當(dāng)電磁線圈中有一定的電流通過(guò)時(shí)，磁力吸動(dòng)鎖栓，鎖便打開(kāi)。用發(fā)光二極管代表電磁線圈，當(dāng)發(fā)光二極管為亮狀態(tài)時(shí)，代表電子鎖被打開(kāi)。每來(lái)1個(gè)輸入時(shí)鐘，編碼電路的相應(yīng)狀態(tài)就向前前進(jìn)一步。在這個(gè)操作過(guò)程中，如果按照規(guī)定的代碼順序按動(dòng)編碼按鍵，編碼電路的輸出就跟隨這個(gè)代碼的信息。正確輸入編碼按鍵的數(shù)字，控制電路通過(guò)整形供給編碼電路時(shí)鐘。一直按規(guī)定的編碼順序操作完，則解碼電路驅(qū)動(dòng)開(kāi)鎖電路把鎖打開(kāi)。在操作過(guò)程中，如果沒(méi)有按照規(guī)定代碼順序按下數(shù)字鍵或按動(dòng)了其他鍵，控制電路將驅(qū)動(dòng)防盜報(bào)警電路產(chǎn)生報(bào)警信號(hào)。方案二：采用一種是用以at89s51為核心的單片機(jī)控制方案。利用單片機(jī)靈活的編程設(shè)計(jì)和豐富的io端口，及其控制的準(zhǔn)確性，不但能實(shí)現(xiàn)基本的密碼鎖功能，還能添加調(diào)電存儲(chǔ)、聲光提示甚至添加遙控控制功能。電子密碼的硬件以單片機(jī)AT89C51 為核心。AT89C51 是一種帶4k 字節(jié)閃爍可編程、可擦除只讀，存儲(chǔ)器FPEROM（Falsh Programmable and ErasableRead Only Memory）的低電壓、高性能CMOS 8 位微處理器。其外接12 個(gè)按鈕組成的34 鍵盤(pán)，通過(guò)4511 和7406（或7407）等驅(qū)動(dòng)電路與單片機(jī)相連，以實(shí)現(xiàn)密碼等的顯示功能;利用串行EPROM 存儲(chǔ)器AT93C46 實(shí)現(xiàn)密碼有效的永久保存。電子密碼鎖由鍵盤(pán)輸入的識(shí)別、4位LED的顯示、密碼的比較、修改、存儲(chǔ)、AT93C46 的讀取與寫(xiě)入、報(bào)警和開(kāi)鎖控制電平的輸出。根據(jù)框圖，結(jié)合硬件結(jié)構(gòu)，可以將鍵盤(pán)輸入的識(shí)別用來(lái)作為系統(tǒng)的監(jiān)控程序（主程序），用顯示程序來(lái)延時(shí)，不斷查詢(xún)鍵盤(pán)。如果有鍵按下，就得到相應(yīng)的鍵值。結(jié)合當(dāng)前系統(tǒng)所處的狀態(tài)，調(diào)用不同的操作模塊，實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能。而執(zhí)行模塊主要有數(shù)字輸入模塊、確定鍵模塊、修改鍵模塊及顯示模塊。1.3 方案比較設(shè)計(jì)本課題時(shí)構(gòu)思了兩種方案：方案一是用鎖存器74LS74、74LS00、74LS20和555基集成塊構(gòu)成的數(shù)字邏輯電路控制；方案二是用以AT89C51為核心的單片機(jī)控制?？紤]到編碼電子鎖制作成本低，設(shè)計(jì)要求少，易實(shí)現(xiàn)控制要求，而單片機(jī)方案原理的復(fù)雜，調(diào)試較為繁瑣，本人對(duì)數(shù)字電路基礎(chǔ)較熟悉，有利于研究該課題。所以采用了方案一。2 編碼電子鎖各模塊電路的設(shè)計(jì)2.1 基本芯片的分析本電路主要采用了二輸入與非門(mén)74LS00，四輸入與非門(mén)74LS20，雙上升沿D觸發(fā)器74LS74，555時(shí)基集成塊電路。 其74LS00的邏輯功能是有0出1，無(wú)0出0。真值表如表2-1所示。74LS74的邏輯功能是當(dāng)預(yù)置端PR、輸入端D、清零端CLR均為高電平時(shí)，時(shí)鐘端CLK有上升沿到來(lái)時(shí)，均會(huì)觸發(fā)Q端輸出高電平。真值表如表2-2所示。根據(jù)圖2-1可知74ls20芯片的功能簡(jiǎn)單，包含兩個(gè)4輸入與非門(mén)，內(nèi)含兩組4與非門(mén) 第一組：1,2,4,5輸入6輸出。 第2組：9,10,12,13輸入8輸出。其邏輯功能是有0出1，無(wú)0出0，真值表如表2-3所示。555定時(shí)器是一種模擬-數(shù)字混合式集成定時(shí)器，有復(fù)位、置位和保持功能，555 定時(shí)器成本低，性能可靠，只需要外接幾個(gè)電阻、電容，就可以實(shí)現(xiàn)多諧振蕩器、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器等脈沖產(chǎn)生與變換電路。在工業(yè)控制等諸多方面有很廣泛的應(yīng)用。利用時(shí)基集成塊NE555組成了脈沖振蕩電路。555引腳圖如圖2-2所示。555的引腳功能為：6腳為T(mén)HR，觸發(fā)器輸入端，低電平有效；2腳為T(mén)RI，閥值輸入端，高電平有效；4腳為RST，總復(fù)位端，低電平有效；7腳為DIS，放電端；5腳為CON，控制端；1腳接地，8腳接電源；3腳為輸出端；TD為內(nèi)部三極管。555時(shí)鐘電路可以構(gòu)成多諧振蕩器，其功能表如表2-4所示。555的內(nèi)部結(jié)構(gòu)可等效成23個(gè)晶體三極管、17個(gè)電阻、兩個(gè)二極管、組成了比較器，RS觸發(fā)器等多組單元電路。特別是由三只精度較高5k電阻構(gòu)成了一個(gè)電阻分壓器。為上，下比較器提供基準(zhǔn)電壓，所以稱(chēng)之為555。555電路的內(nèi)部電路方框圖如圖2-3所示。它含有兩個(gè)電壓比較器，一個(gè)基本RS觸發(fā)器，一個(gè)放電開(kāi)關(guān)T，比較器的參考電壓由三只5K的電阻器構(gòu)成分壓，它們分別使高電平比較器A1同相比較端和低電平比較器A2的反相輸入端的參考電平為 和 。A1和A2的輸出端控制RS觸發(fā)器狀態(tài)和放電管開(kāi)關(guān)狀態(tài)。當(dāng)輸入信號(hào)輸入并超過(guò) 時(shí)，觸發(fā)器復(fù)位，555的輸出端3腳輸出低電平，同時(shí)放電，開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通；當(dāng)輸入信號(hào)自2腳輸入并低于 時(shí)，觸發(fā)器置位，555的3腳輸出高電平，同時(shí)放電，開(kāi)關(guān)管截止。是復(fù)位端，當(dāng)其為0時(shí)，555輸出低電平。平時(shí)該端開(kāi)路或接VCC。Vc是控制電壓端（5腳），平時(shí)輸出 作為比較器A1的參考電平，當(dāng)5腳外接一個(gè)輸入電壓，即改變了比較器的參考電平，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出的另一種控制，在不接外加電壓時(shí)，通常接一個(gè)0.01uf的電容器到地，起濾波作用，以消除外來(lái)的干擾，以確保參考電平的穩(wěn)定。T為放電管，當(dāng)T導(dǎo)通時(shí)，將給接于腳7的電容器提供低阻放電電路。2.2 編碼電路的設(shè)計(jì)本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)可使電子鎖具有可編程多功能，它具有大于151200個(gè)(1098765)代碼的編碼。電路圖如圖2-4所示。由圖可知，每來(lái)1個(gè)輸入時(shí)鐘，編碼電路的相應(yīng)狀態(tài)向前前進(jìn)一步。在操作過(guò)程中，按照規(guī)定的代碼順序，按動(dòng)編碼按鍵，編碼電路的輸出就跟隨這個(gè)代碼的信息。正確輸入編碼按鍵的數(shù)字，控制電路通過(guò)整形電路供給編碼電路時(shí)鐘，一直按規(guī)定編碼順序操作完，則驅(qū)動(dòng)開(kāi)鎖電路把鎖打開(kāi)。2.4 解碼電路的設(shè)計(jì)此電子鎖預(yù)設(shè)的解碼順序S2,S6,S8,S9。按鍵S2(KEY=2)、S6(KEY=6)、S8(KEY=8)、S9(KEY=9)分別接在觸發(fā)器U7A、U8B、U8A、U7B的CLK端, U7A的D=1,后面3個(gè)觸發(fā)器的D端分別接在前面觸發(fā)器的輸出端Q上,此時(shí)滿足DN+1=QN,所以四個(gè)D觸發(fā)器組成一個(gè)右移位電路。當(dāng)依次按下S2、S6、S8時(shí),即給U7A、U8B、U8A觸發(fā)信號(hào)時(shí),其輸出端Q依次為1。最后，當(dāng)S9鍵被按下時(shí)，通過(guò)電阻R5與電源相接為高電平，S9鍵由低電平變?yōu)楦唠娖?，使得U7B產(chǎn)生上升沿通過(guò)限流電阻R4加到發(fā)光二極管LED1，發(fā)光二極管LED1發(fā)光(解鎖成功)。而當(dāng)按下其它的鍵時(shí)會(huì)引入低電平加到U6A，U6A輸出高電平到U1D，U1D輸出低電平到U7A、U8B、U8A、U7B進(jìn)行清零并死鎖?；螂m是按下S2,S6,S8,S9但順序不對(duì)時(shí),因不能使U7A、U8B、U8A、U7B的輸出端依次為1,也不能解鎖。其電路圖如圖2-6所示。2.5 門(mén)鈴及報(bào)警電路的設(shè)計(jì)如圖2-7，由555定時(shí)器和外接元件R1、R2、C構(gòu)成多諧振蕩器，腳2與腳6直接相連。電路沒(méi)有穩(wěn)態(tài)，僅存在兩個(gè)暫穩(wěn)態(tài)，電路亦不需要外接觸發(fā)信號(hào)，利用電源通過(guò)R1、R2向C充電，以及C通過(guò)R2向放電端 放電，使電路產(chǎn)生振蕩。電容C在 和 之間充電和放電，從而在輸出端得到一系列的矩形波，對(duì)應(yīng)的波形如圖2-8所示。門(mén)鈴電路由555定時(shí)器連成的多諧振蕩器構(gòu)成，當(dāng)按下門(mén)鈴時(shí)電路接通電源產(chǎn)生約500Hz的振蕩信號(hào)，同時(shí)按下清零/門(mén)鈴按鈕使74LS00和74LS74兩個(gè)芯片置零實(shí)現(xiàn)清零的功能。報(bào)警電路也是由555定時(shí)器構(gòu)成，報(bào)警時(shí)產(chǎn)生1KHz的信號(hào)，當(dāng)輸入密碼后與寄存器連接的與門(mén)輸出如果為高電平，則經(jīng)過(guò)反相器后變?yōu)榈碗娖?，?bào)警電路不產(chǎn)生振蕩，如果與門(mén)輸出為低電平，經(jīng)過(guò)反相器后變?yōu)楦唠娖剑瑘?bào)警電路開(kāi)始工作產(chǎn)生報(bào)警信號(hào)。按下清零/門(mén)鈴按鈕后可以實(shí)現(xiàn)對(duì)報(bào)警的解除，因?yàn)榇藭r(shí)一個(gè)低電平信號(hào)與來(lái)自判斷輸出端的高電平信號(hào)相與否，為低電平信號(hào)，報(bào)警電路不工作。門(mén)鈴及報(bào)警電路如圖2-9所示。2.6 編碼電子鎖總電路設(shè)計(jì)編碼電子鎖總電路如圖2-10所示。編碼電子鎖的工作原理：本編碼電子鎖電路設(shè)計(jì)由清零部分、解碼部分、振蕩部分、蜂鳴器輸出部分組成，清零部分由74LS00D、74LS74D 等組成，當(dāng)S10合上時(shí)，清零部分將四組74LSD的清零端CLR提供高電平，電路進(jìn)入清零狀態(tài)，當(dāng)S10打開(kāi)時(shí)，電路進(jìn)入編碼輸入狀態(tài)。第一個(gè)觸發(fā)器D1接高電平，四個(gè)觸發(fā)器CLK分別接按鍵S2、S6、S8、S9，形成BFHI編碼。當(dāng)按下S2時(shí)，U7A的CLK電平由高變低，松手后，電平由低變高，形成上升沿觸發(fā)。D1輸出端Q1=1，依次按S6、S8、S9，會(huì)使D2=Q1=1，D3=Q2=1，D4=Q3=1，Q4=1，將鎖打開(kāi)。若順序不對(duì)，鎖打不開(kāi)的。U6A有三個(gè)輸入端，一個(gè)通過(guò)S10接地，第二個(gè)與按鍵S1，S3，S4，S5，S7相連，這些按鍵若有一個(gè)按下，都將使D1-D4四個(gè)觸發(fā)器置零，第三個(gè)經(jīng)U2A，U2B及延時(shí)網(wǎng)絡(luò)R1，C2與U1A相連，鎖打開(kāi)后，延時(shí)觸發(fā)器復(fù)位。延時(shí)時(shí)間長(zhǎng)短取決于R1，C2的大小。NE555與R10，R11，C2，C3等組成脈沖波發(fā)生器，通過(guò)U8B，U8A給蜂鳴器輸出脈沖信號(hào)，以便發(fā)聲。3 編碼電子鎖的制作3.1 PCB的設(shè)計(jì)從原理圖到PCB的設(shè)計(jì)流程:建立元件參數(shù)輸入原理網(wǎng)表-設(shè)計(jì)參數(shù)設(shè)置-手工布局-手工布線-驗(yàn)證設(shè)計(jì)復(fù)查-CAM輸出。在PCB設(shè)計(jì)中,布線是完成產(chǎn)品設(shè)計(jì)的重要步驟,可以說(shuō)前面的準(zhǔn)備工作都是為它而做的,在整個(gè)PCB中,以布線的設(shè)計(jì)過(guò)程限定最高,技巧最細(xì)、工作量最大。我們?cè)谥谱鱌CB中用的是單面板。布線的方式有兩種：自動(dòng)布線和手工布線，一般先進(jìn)行自動(dòng)布線，再進(jìn)行手工布線。輸入端與輸出端的邊線應(yīng)避免相鄰平行，以免產(chǎn)生反射干擾。必要時(shí)應(yīng)加地線隔離，兩相鄰層的布線要互相垂直，平行容易產(chǎn)生寄生耦合。自動(dòng)布線的布通率，依賴(lài)于良好的布局，布線規(guī)則可以預(yù)先設(shè)定，包括走線的彎曲次數(shù)、導(dǎo)通孔的數(shù)目、步進(jìn)的數(shù)目等。一般先進(jìn)行探索式布經(jīng)線，快速地把短線連通， 然后進(jìn)行迷宮式布線，先把要布的連線進(jìn)行全局的布線路徑優(yōu)化，它可以根據(jù)需要斷開(kāi)已布的線。并試著重新再布線，以改進(jìn)總體效果。參數(shù)設(shè)置相鄰導(dǎo)線間距必須能滿足電氣安全要求,而且為了便于操作和生產(chǎn),間距也應(yīng)盡量寬些。最小間距至少要能適合承受的電壓,在布線密度較低時(shí),信號(hào)線的間距可適當(dāng)?shù)丶哟?對(duì)高、低電平懸殊的信號(hào)線應(yīng)盡可能地短且加大間距,一般情況下將走線間距設(shè)為8mil。焊盤(pán)內(nèi)孔邊緣到印制板邊的距離要大于1mm,這樣可以避免加工時(shí)導(dǎo)致焊盤(pán)缺損。當(dāng)與焊盤(pán)連接的走線較細(xì)時(shí),要將焊盤(pán)與走線之間的連接設(shè)計(jì)成水滴狀,這樣的好處是焊盤(pán)不容易起皮,而是走線與焊盤(pán)不易斷開(kāi)。元器件布局實(shí)踐證明,即使電路原理圖設(shè)計(jì)正確,印制電路板設(shè)計(jì)不當(dāng),也會(huì)對(duì)電子設(shè)備的可靠性產(chǎn)生不利影響。例如,如果印制板兩條細(xì)平行線靠得很近,則會(huì)形成信號(hào)波形的延遲,在傳輸線的終端形成反射噪聲;由于電源、地線的考慮不周到而引起的干擾,會(huì)使產(chǎn)品的性能下降,因此,在設(shè)計(jì)印制電路板的時(shí)候,應(yīng)注意采用正確的方法。3.2 編碼電子鎖元件清單編碼電子鎖元件清單如表3-1所示： 3.3 電路的焊接隨著電子元器件的封裝更新?lián)Q代加快，電子發(fā)展已朝向小型化、微型化發(fā)展，手工焊接難度也隨之增加，在焊接當(dāng)中稍有不慎就會(huì)損傷元器件，或引起焊接不良，所以必須對(duì)焊接原理，焊接過(guò)程，焊接方法，焊接質(zhì)量的評(píng)定，及電子基礎(chǔ)有一定的了解。 焊接的步驟及方法:（1）從烙鐵架上拿出電烙鐵，以45度靠緊焊接面進(jìn)行預(yù)熱，將焊錫絲同時(shí)伸向被焊的組件腳及焊盤(pán)，一起接觸被焊處； （2）焊錫絲熔化，向焊接處推入焊錫絲，使焊錫潤(rùn)濕焊盤(pán)與組件腳，當(dāng)焊點(diǎn)上的焊錫成圓錐形時(shí)即抽離焊錫絲（應(yīng)控制焊錫絲的熔化量不能過(guò)多，以免造成浪費(fèi)）； （3）在焊錫完全熔化后，移去烙鐵頭。如焊錫過(guò)多，可把烙鐵頭上的焊錫甩干凈，然后不用焊錫絲或極少量的焊錫絲重焊一遍，移去時(shí)正好吸去多余的焊錫， 如果焊點(diǎn)有連焊，也應(yīng)將焊錫線與烙鐵頭一起接觸在連焊的焊點(diǎn)之間，待焊錫絲與助焊劑一起熔化后，移去焊錫絲，再將烙鐵頭側(cè)放著向下移走，吸去多余的焊錫； （4）如果要用電烙鐵去除焊盤(pán)孔中的錫（ 即挑孔），應(yīng)該將印制板拿高，把烙鐵頭置于比印制板低的位置，將烙鐵頭在焊盤(pán)孔上擦幾下，可以將焊盤(pán)孔中的焊錫吸流到烙鐵頭上去；（5）將烙鐵頭上的多余焊錫甩在廢錫盒中，再將電烙鐵插入烙鐵筒中。 在實(shí)際生產(chǎn)中，最容易出現(xiàn)的一種違反操作步驟的做法就是烙鐵頭不是先與被焊件接觸，而是先與焊錫絲接觸，熔化的焊錫滴落在尚末預(yù)熱的被焊部位，這樣很容易產(chǎn)生焊點(diǎn)虛焊，所以烙鐵頭必須與被焊件接觸，對(duì)被焊件進(jìn)行預(yù)熱是防止產(chǎn)生虛焊的重要手段。 4 調(diào)試4.1 測(cè)試儀器萬(wàn)用表一只，示波器一臺(tái)4.2 測(cè)試方法測(cè)試方法：在直流穩(wěn)壓電源通電測(cè)試之前，必須認(rèn)真對(duì)安裝電路進(jìn)行檢查。對(duì)電源變壓器的絕緣電阻進(jìn)行檢測(cè)，以防止變壓器漏電，危及人身和設(shè)備的安全。一般采用兆歐表測(cè)量一、二次繞組之間，各繞組與接地屏