數(shù)電綜合設(shè)計電子密碼鎖的設(shè)計

1、昆明理工大學(xué)數(shù)字電路與系統(tǒng)課程設(shè)計報告題目：電子密碼鎖的設(shè)計學(xué)院：理學(xué)院專業(yè)班級：姓名：學(xué)號：指導(dǎo)教師：完成時間：201 年5月26日1目錄目錄 .11、前 言 .22.總體方案設(shè)計 .22.1設(shè)計目的 .22.2技術(shù)指標(biāo) .22.3方案框圖 .23. 單元模塊設(shè)計 .33.1.1密碼設(shè)置模塊設(shè)計 .33.1.2矩陣鍵盤模塊設(shè)計 .43.1.3密碼輸入鎖存模塊 .53.1.4密碼比較模塊 .63.1.5定時報警模塊（該模塊還有一些問題，有待改進(jìn)）.73.1.6開鎖模塊 .83.2電路元件選擇和參數(shù)計算 .83.3.1555 定時器介紹 .93.3.274HC161 器件介紹 .103.3.3移

2、位寄存器 74HC194 介紹 .103.4 各單元模塊的聯(lián)接 .114 仿真電路總圖 .114.1密碼設(shè)置模塊的仿真調(diào)試 .124.2密碼輸入鎖存模塊的仿真調(diào)試 .124.3密碼比較模塊調(diào)試 .135、總結(jié)和體會.26、參考文獻(xiàn).211. 前 言社會發(fā)展，人們生活水平提高，傳統(tǒng)的機(jī)械鎖由于其構(gòu)造的簡單，被撬的事件時常發(fā)生，電子密碼鎖由于其保密性高，使用靈活性好，并且可以減少人們?nèi)粘Ｍ鼛ц€匙的所帶來的麻煩，因此受到了廣大用戶的喜愛。電子密碼鎖，主要由三個部分組成：數(shù)字密碼輸入電路、密碼鎖控制電路和密碼鎖顯示電路。作為密碼鎖的輸入部分，本設(shè)計采用通用數(shù)字機(jī)械鍵盤。密碼鎖輸入電路：包括時序產(chǎn)生電路

3、、鍵盤譯碼電路等電路。密碼鎖控制包括密碼核對( 數(shù)值比較，解鎖電路 ( 開/ 關(guān)門鎖電路 ) 等幾個小的功能電路。七段數(shù)碼管顯示電路將待顯示數(shù)據(jù)的BCD碼轉(zhuǎn)換成數(shù)碼器的七段顯示驅(qū)動編碼。以此為基礎(chǔ)設(shè)計電子密碼鎖。2. 總體方案設(shè)計2.1設(shè)計目的基于數(shù)字邏輯課程的學(xué)習(xí)，初步掌握了簡單組合電路和時序電路的設(shè)計與功能，通過這次大作業(yè)，主要培養(yǎng)理論知識結(jié)合實踐的綜合性能力，進(jìn)一步理解基本邏輯門，觸發(fā)器，計數(shù)器，寄存器，等的功能特性和實際作用，在已知芯片功能的基礎(chǔ)上，通過課外知識的拓展，對所學(xué)知識有更深刻和全面的認(rèn)識。具體有以下幾點：1、鞏固和加深對數(shù)字電路基本知識的理解，提高綜合運用本課程所學(xué)知識的能

4、力。2、培養(yǎng)根據(jù)設(shè)計需要選學(xué)參考書籍，查閱相關(guān)手冊、圖表和文獻(xiàn)資料的自學(xué)能力。3、通過電路方案的分析、論證和比較，設(shè)計計算和選取元器件、電路組裝、調(diào)試和檢測等環(huán)節(jié)，初步掌握簡單實用電路的分析方法。4、學(xué)會簡單電路的實驗調(diào)試和性能指標(biāo)的測試方法，提高進(jìn)行數(shù)字電子電路實驗的基本技能。2.2技術(shù)指標(biāo)1、設(shè)計一個數(shù)字鎖，每把鎖都有其預(yù)先設(shè)定好的（四位十進(jìn)制數(shù)）開鎖密碼，在一個開鎖控制信號作用下用該密碼可以打開鎖；2、開鎖時，其預(yù)先設(shè)定好的（四位十進(jìn)制數(shù)）代碼與（四位十進(jìn)制代碼）開鎖密碼信號相符，且開鎖控制信號有效時，鎖打開；3、若不符，電路將發(fā)出報警信號；2.3方案框圖2通過查閱大量資料，并結(jié)合自己的

5、實際知識，我主要提出以下技術(shù)方案來實現(xiàn)系統(tǒng)功能。下面我將對方案的組成框圖和實現(xiàn)原理進(jìn)行說明。輸5s20s報警入定時定時電路按輸入電路電路鈕鎖存開電路關(guān)開鎖鎖密碼控制裝存儲電路置電路圖 2.3方案框圖方案原理為：在輸入按鈕開關(guān)處輸入密碼，密碼輸入到輸入鎖存電路中和已存儲的密碼進(jìn)行密碼比較若密碼正確則開鎖，若密碼不正確觸發(fā) 20s 定時報警。3. 單元模塊設(shè)計該密碼鎖主要由密碼設(shè)置模塊、鍵盤模塊、密碼輸入鎖存模塊、密碼比較模塊、定時模塊以及開鎖模塊。下面分模塊介紹。3.1 各單元模塊功能介紹及電路設(shè)計密碼設(shè)置模塊設(shè)計1.該模塊主要實現(xiàn)密碼的設(shè)置以及所存的功能 。2.該模塊的原理及其實現(xiàn)方式。本設(shè)計

6、要求密碼為 4 位十進(jìn)制代碼。為實現(xiàn)密碼的設(shè)置采用了74HC160十進(jìn)制的計數(shù)器和按鈕按下給計數(shù)器一個脈沖，從而達(dá)到密碼設(shè)置的功能, 密碼設(shè)置后通過 CD4511和 7 段數(shù)碼顯示器來實現(xiàn)譯碼顯示已設(shè)置的密碼。在實際使用中這是不可見的。3. 結(jié)構(gòu)框圖按鈕觸發(fā)脈沖計數(shù)存儲譯碼顯示圖 3.1密碼設(shè)置模塊框圖4、 protues 仿真電路圖及原理3按鈕按下給一個脈沖，該脈沖提供74HC160的時鐘信號，從而74HC160計數(shù)一次并通過74HC4511和 7 段數(shù)碼顯示器顯示出設(shè)置的數(shù)字。注：各個芯片功能表見3.3 。圖 3.2密碼設(shè)置和顯示總電路矩陣鍵盤模塊設(shè)計1. 該模塊主要實現(xiàn)給相應(yīng)功能端一個上

7、升和下降脈沖沿。2. 該模塊實現(xiàn)方式和原理按鈕按下之前輸出端為低，按下之后為高電平，按鈕升起來為低電平。3.protues仿真原理圖注：按鈕后，R 前為輸出端，按鈕上面對于的數(shù)字即為輸入相應(yīng)的數(shù)。圖 3.3按鍵區(qū)總電路4密碼輸入鎖存模塊1. 該模塊實現(xiàn)的功能是密碼輸入及鎖存。2. 該模塊由兩部分構(gòu)成，一部分為密碼輸入編碼，一部分為密碼輸入鎖存顯示3. 結(jié)構(gòu)框圖輸入密碼編碼鎖存顯示圖 3.4密碼輸入模塊框圖4.protues仿真原理及電路圖1、密碼輸入編碼由兩片4532 構(gòu)成的 16 線-4 線優(yōu)先編碼器所構(gòu)成。由于實際使用的只有10 個輸入端，則高六位接地。 如下圖所示。 Gs 端仍為整個編碼

8、器的編碼指示信號。如下圖所示。2、由于鍵盤為一組，而要輸入四位密碼，本設(shè)計中用到了74HC194構(gòu)成的右移的移位寄存器，從而控制了四位密碼輸入、四個鎖存器和譯碼顯示器的工作。圖中 2、4、6、 12 輸出端分別控制4 個 4508 的 STB端和 4511 的 LESTB端。圖 3.55圖 3.6 整個密碼輸入鎖存電路并顯示密碼比較模塊1. 該模塊主要實現(xiàn)的功能是比較密碼正確與否2. 該模塊主要四位數(shù)值比較器 74LS85、一片 2 輸入與門和一片 4 輸入與門來實現(xiàn)。3. 結(jié)構(gòu)框圖密碼比較與輸入次數(shù)相與結(jié)果圖 3.7密碼比較模塊框圖4.protues仿真電路，及其原理該模塊原理是 A0， A

9、1,A1，A3, 為輸入密碼的四位二進(jìn)制代碼的輸入端，B0,B1,B2,B3 為存儲密碼的輸入端。通過74LS85比較，若比較出正確，則A=B端輸出高電平，通過4 片比較器比較后對結(jié)果進(jìn)行與，再通過四輸入與門確定四位密碼正確與否。圖 3.8 密碼比較電路6定時報警模塊（該模塊還有一些問題，有待改進(jìn)）1.該模塊主要想實現(xiàn)定時報警，具體有以下幾個功能：（ 1） 5s內(nèi)密碼輸入不正確則觸發(fā) 20s 報警指示（ 2） 5s內(nèi)密碼輸入正確則不報警。2.該模塊主要由 555 定時器構(gòu)成的多諧振蕩器和單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器來實現(xiàn)，其間為實現(xiàn)上面4 個功能，用到了 D 觸發(fā)器，多個反相器和與門和與非門。3. 結(jié)構(gòu)框圖5

10、s 定時20s 定時多諧震蕩器報警圖 3.9 定時報警模塊框圖4.protues仿真電路及原理圖 3.10 555 5s定時電路圖 3.10 555 20s定時電路7圖 3.11 定時報警模塊框圖開鎖模塊1. 該模塊功能是密碼正確時安確認(rèn)按鈕時開鎖，開鎖信號由LED燈指示。2. 該模塊由 D 觸發(fā)器和邏輯開關(guān)來實現(xiàn)。3. 結(jié)構(gòu)框圖：確認(rèn)LED 指示圖 3.17 開鎖模塊框圖4. protues仿真電路及原理。該模塊原理為確認(rèn)按鈕給D 觸發(fā)器一個有效脈沖，密碼正確后LED 燈亮，否則不亮。圖 3.12 開鎖電路3.2 電路元件選擇和參數(shù)計算元件參數(shù)計算設(shè)計中有 5s 和 20s 定時，選擇了 5

11、55 定時器組成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器來完成。8其中 5s 定時電路中 R 為 455k，C 為 10u。具體公式如下：TW=1.1RC20s 定時電路的 R為 1818k,C 為 10u。公式同上。報警頻率設(shè)置為 1Hz，則采用 555 定時器構(gòu)成的多諧振蕩器來完成， 其中多諧振蕩器公式為：由上述公式計算得R1為 100k，R2 為 21.4k ，C 為 10u。3.3 特殊器件的介紹定時器介紹555 定時器是一種模擬和數(shù)字功能相結(jié)合的中規(guī)模集成器件。一般用雙極性工藝制作的稱為555, 用CMOS工藝制作的稱為7555, 除單定時器外, 還有對應(yīng)的雙定時器556 /7556 。555 定時器的電源電

12、壓范圍寬,可在 4.5V 16V 工作 ,7555 可在 3 18V 工作 , 輸出驅(qū)動電流約為200mA , 因而其輸出可與TTL 、 CMOS或者模擬電路電平兼容。圖 3.13 555定時器的引腳圖555 定時器的功能主要由兩個比較器決定。兩個比較器的輸出電壓控制RS 觸發(fā)器和放電管的狀態(tài)。若觸發(fā)輸入端TR 的電壓小于 VCC /3, 則比較器 A2 的輸出為 1,可使 RS 觸發(fā)器置 1, 使輸出端 OUT= 1。如果閾值輸入端 TH 的電壓大于 2VCC /3, 同時 TR 端的電壓大于 VCC /3, 則 A1 的輸出為 1, A2 的輸出為 0, 可將 RS 觸發(fā)器置 0, 使輸出

13、為 0 電平 。555 定時器功能表和參數(shù)表如表3.13 和表 3.14 所示。表 3.13 555 定時器功能表輸入輸出閾值輸入觸發(fā)輸入復(fù)位輸出放電管*00導(dǎo)通V2V1311截止CC3CCV CC2V CC1310導(dǎo)通3V CC2V CC131不變不變3表 3.14555定時器的參數(shù)表9參數(shù)符號值單位電源電壓Vcc16V導(dǎo)致溫度（焊接 10 秒）TLEAD300° C功耗PD600mW工作溫度范圍TOPR0+70° CLM555/NE555-40 +85儲存溫度范圍TSTG-65 +150° C器件介紹時鐘 CP 和四個數(shù)據(jù)輸入端 P0P3清零 /MR 、使能

14、CEP，CET、置數(shù) PE、數(shù)據(jù)輸出端 Q0Q3 以及進(jìn)位輸出 TC. (TC=Q0?Q1?Q2?Q3?CET)74HC161 功能表如表 3.15 所示。表 3.15 74HC161 功能表輸 入輸出CRCPL DEPETD 3D 2D1D0Q3Q2Q1Q00000010dcbadcba110Q3Q2Q1Q0110Q3Q2Q1Q01111狀態(tài)碼加 1從 74LS161 功能表功能表中可以知道，當(dāng)清零端CR=“0”，計數(shù)器輸出 Q3、Q2、Q1、 Q0 立即為全 “0，”這個時候為異步復(fù)位功能。 當(dāng) CR=“1”且 LD=“0”時，在 CP 信號上升沿作用后， 74LS161 輸出端 Q3、

15、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，計數(shù)器加 1。74LS161 還有一個進(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。移位寄存器 74HC194介紹74HC194 是 4 位雙向移位寄存器，最高時鐘頻率為 36MHZ 。它具有并行輸入、并行輸出，左移和右移的功能。這些功能均能通過模式控制端 S0、

16、S1 來控制。 74HC194 功能表如表 3.16 所示。表 3.16 74HC194 功能表S0S1功能00保持01右移10左移11并行置數(shù)在 ABCD 端送入 4 位二進(jìn)制數(shù)，并使 S0=S1=1 時，該 4 位二進(jìn)制數(shù)同時并行輸入至寄存器。當(dāng) CP 到來后，在 CP 上升沿的作用下， 4 位二進(jìn)制數(shù)并行輸出；若 S1， 0時，則該4位二=0 S=110進(jìn)制數(shù)被串行送入到右移數(shù)據(jù)輸入端 D，在 CP 上升沿作用下，同步右移；若 S0=1，S1=0，數(shù)據(jù)同步左移；若 S1= S0=0，寄存器保持。3.4 各單元模塊的聯(lián)接以上各個模塊之間的聯(lián)接關(guān)系如下：（1）鍵盤模塊和密碼鎖存模塊的聯(lián)接關(guān)系

17、是將鍵盤編號對應(yīng)的按鈕接在密碼編碼電路中 4532 對應(yīng)的輸入端。（2）密碼鎖存模塊、密碼設(shè)置模塊及密碼比較模塊的聯(lián)接關(guān)系系是密碼鎖存器4508 的輸出端和對應(yīng)的密碼設(shè)置中的74HC160的輸出端接到相應(yīng)的比較器74LS85的輸入端。（3）定時報警模塊、開鎖模塊及鍵盤模塊的聯(lián)接關(guān)系是定時模塊中D觸發(fā)器的 CLK端接相應(yīng)的脈沖信號。（4）開鎖模塊和密碼比較模塊的聯(lián)接關(guān)系是密碼比較模塊中輸出結(jié)果端接在D 觸發(fā)器的 D輸入端，作為開鎖信號的判斷依據(jù)。具體聯(lián)接關(guān)系見電路總圖。4 仿真電路總圖114.1 密碼設(shè)置模塊的仿真調(diào)試調(diào)試內(nèi)容設(shè)置密碼為 1769。調(diào)試電路及結(jié)果如圖 4.1 所示圖 4.1密碼設(shè)

18、置電路仿真4.2 密碼輸入鎖存模塊的仿真調(diào)試調(diào)試內(nèi)容密碼輸入為 1769。調(diào)試電路及結(jié)果如圖 4.2 所示 。12圖 4.2密碼輸入模塊調(diào)試電路4.3 密碼比較模塊調(diào)試調(diào)試內(nèi)容輸入正確密碼和錯誤密碼時的輸出結(jié)果調(diào)試電路及結(jié)果如圖 4.3 所示 ( 左邊是密碼錯誤時，發(fā)光二極管不亮，右圖為密碼正確時，發(fā)光二極管顯示為黃色 )圖 4.3密碼比較模塊調(diào)試電路135、總結(jié)和體會本次設(shè)計中能夠?qū)崿F(xiàn)密碼鎖的基本功能，由于個人能力和時間有限，未實現(xiàn)某些較為合理的功能比如： 可以加入密碼輸入次數(shù)檢測電路， 密碼輸入三次錯誤，檢測到三次報警信號，可以進(jìn)行電路鎖定， 以防他人惡意開鎖等。盡管還有一些小的問題沒有解決（定時報警電路中還存在一些問題） ，但是我對此次課程設(shè)計收獲很大。這也是從校園走向工作崗位必須經(jīng)歷的吧，從理論到實踐的環(huán)節(jié)。通過這次課程設(shè)計，我們進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)了自己的不足，也找到了自己前進(jìn)的方向。在這次課程設(shè)計中，經(jīng)過三周的查找資料、對電路的分析及仿真等操作， 首先加深了我們對數(shù)電、模電、電路分析等知識的理解，鞏固了我們的學(xué)習(xí)知識，有助于我們今后的學(xué)習(xí)和工作；其次，初步學(xué)會了對一