電阻密碼鎖報告低頻課程設(shè)計

1、低頻電子線路課程設(shè)計報告題 目：電阻密碼鎖院 系 專 業(yè) 學(xué) 號 學(xué)生姓名 指導(dǎo)教師 電阻密碼鎖一、 題目的要求和意義通過課程設(shè)計制作電阻密碼鎖培養(yǎng)了自己的動手能力。通過分析作品的功能去考慮設(shè)計方案，以得到最優(yōu)化設(shè)計方案。遇到問題查閱參考書籍，學(xué)會自己分析解決問題的方法，以及利用所學(xué)過的知識進(jìn)行電路的設(shè)計，通過對元件的選取和電路板的制作，掌握了設(shè)計電路的基本技能。在調(diào)試電路的過程中，加深了對常用儀表的使用方法。同時更進(jìn)一步地鞏固了低頻課程中所學(xué)的知識。題目要求用一個特定阻值的電阻作為密鑰，并用Ucc/2作為比較電壓。用發(fā)光二極管的亮暗來顯示鎖的開合：正確接入密鑰時，發(fā)光二極管亮，則鎖被打開；否

2、則當(dāng)有人試圖開鎖或無(或錯誤)接入密鑰時，發(fā)光二極管暗，則鎖閉合。初始時無電阻接入，窗口電壓比較器輸出高電平，通過一級反相器后變?yōu)榈碗娖?，發(fā)光二極管不導(dǎo)通，同時另一路運(yùn)放也輸出高電平，導(dǎo)致儲能機(jī)構(gòu)截止。正確接入電阻時，電壓比較器輸出低電平，通過一級反相器后變?yōu)楦唠娖?，發(fā)光二極管亮，同時另一路運(yùn)放也輸出低電平，導(dǎo)致儲能機(jī)構(gòu)仍截止，錯誤接入電阻時，電壓比較器輸出高電平，通過一級反相器后變?yōu)榈碗娖?，發(fā)光二極管不導(dǎo)通，同時另一路運(yùn)放輸出低電平，儲能機(jī)構(gòu)導(dǎo)通，電容器快速充電，隨后即便曾經(jīng)搜索到密鑰，但電容器兩端維持高電平從而使通過一級反相器后的電壓變?yōu)榈碗娖?，發(fā)光二極管仍不導(dǎo)通。二、 總體方案設(shè)計根據(jù)題

3、目要求畫出電阻密碼鎖的系統(tǒng)框圖，以便于進(jìn)行方案論證與比較，系統(tǒng)框圖如下圖（a）： 圖（a）：電阻密碼鎖系統(tǒng)框圖 本方案采用電阻阻值比較器來比較所插入電阻是否為密鑰電阻，若是密鑰電阻則使電阻阻值比較器輸出低電平，此時延時電路沒有被觸發(fā)，延時電路保持輸出高電平，此時發(fā)光二極管發(fā)光，若電阻為其他電阻，當(dāng)其插入電阻比較器時，使電阻比較器輸出高電平，此時延時電路被觸發(fā)，開始延時，其輸出低電平，發(fā)光二極管不發(fā)光。當(dāng)其延時完畢，再插入密鑰電阻時，發(fā)光二極管發(fā)光。三、 方案論證與比較 方案一：電阻阻值比較器由高阻抗輸入級A1、上限比較器A2、限比較器A3組成，延時電路由NE555組成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路。電阻阻值比

4、較器電路圖如圖（b）所示，延時電路圖如圖（c）所示，方案一總體電路圖如圖（d）所示。圖（b）：方案一電阻阻值比較器電路圖 圖（c）：方案一NE555延時電路圖圖（d）：方案一總體電路圖電阻R1是與密鑰電阻RV1比較時參考的標(biāo)準(zhǔn)電阻，由于運(yùn)放A1連接成電壓跟隨器，用作輸入阻抗的變換，所以其高輸入阻抗將不影響被測密鑰電阻RV1的精度。當(dāng)密鑰電阻RV1>R1時，則比較器A2、A3均輸出高電平，使A4輸出高電平，此時經(jīng)過三極管Q1反相后輸出低電平，觸發(fā)NE555延時電路，此時NE555輸出高電平，使三極管Q2飽和導(dǎo)通，繼電器吸合，發(fā)光二極管陽極接地，則發(fā)光二極管熄滅。當(dāng)密鑰電阻RV1<R1

5、時，則比較器A2、A3均輸出低電平，使A4輸出高電平，此時經(jīng)過三極管Q1反相后輸出低電平，觸發(fā)NE555延時電路，此時NE555輸出高電平，使三極管Q2飽和導(dǎo)通，繼電器吸合，發(fā)光二極管陽極接地，則發(fā)光二極管熄滅。當(dāng)密鑰電阻RV1=R1時，則比較器A2輸出低電平,比較器A3輸出高電平,再經(jīng)比較器A4比較后，比較器A4輸出低電平，經(jīng)過三極管Q1反相后輸出高電平，此時NE555延時電路沒有被觸發(fā)，發(fā)光二極管陽極為高電平，發(fā)光二極管陰極為低電平，則發(fā)光二極管發(fā)光。其中把NE555接成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路，電阻R8和電容C2為定時電阻和電容，當(dāng)NE555的2腳被低電平觸發(fā)后，延時電路由穩(wěn)態(tài)進(jìn)入暫穩(wěn)態(tài)，經(jīng)時間T

6、W后，電路重新進(jìn)入穩(wěn)態(tài)。即延時時間等于TW，其中TWRC*In31.1RC。NE555的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路非常常見，詳細(xì)的原理可以參考有關(guān)書籍。方案二：在方案一的基礎(chǔ)上改進(jìn)了電阻阻值比較器，延時電路仍然采用方案一的NE555的延時電路。電阻阻值比較器電路圖如圖（e）所示，延時電路圖如圖（f）所示，方案二總體電路圖如圖（g）所示。圖（e）：方案二電阻阻值比較器電路圖圖（f）：方案二延時電路圖圖（g）：方案二總體電路圖 方案二在方案一的基礎(chǔ)上簡化了電阻阻值比較器，電阻R1是與密鑰電阻RV1比較時參考的標(biāo)準(zhǔn)電阻，與方案一相同采用Ucc/2作為比較電壓，但去掉了輸入級的電壓跟隨器，雙限比較器與方案一的接發(fā)

7、不同。當(dāng)密鑰電阻RV1>R1時，則比較器A1輸出高電平，A2輸出低電平，二極管D5導(dǎo)通，二極管D6截止，此時電阻阻值比較器輸出高電平，此時經(jīng)過三極管Q1反相后輸出低電平，觸發(fā)NE555延時電路，此時NE555輸出高電平，使三極管Q2飽和導(dǎo)通，繼電器吸合，發(fā)光二極管陽極接地，則發(fā)光二極管熄滅。當(dāng)密鑰電阻RV1<R1時，則比較器A1輸出低電平，A2輸出高電平，二極管D5截止，二極管D6導(dǎo)通，此時電阻阻值比較器輸出高電平，此時經(jīng)過三極管Q1反相后輸出低電平，觸發(fā)NE555延時電路，此時NE555輸出高電平，使三極管Q2飽和導(dǎo)通，繼電器吸合，發(fā)光二極管陽極接地，則發(fā)光二極管熄滅。 當(dāng)密鑰電

8、阻RV1=R1時，則比較器A1、A2均輸出低電平，二極管D5、D6均截止，此時電阻阻值比較器輸出低電平，經(jīng)過三極管Q1反相后輸出高電平，此時NE555延時電路沒有被觸發(fā)，發(fā)光二極管陽極為高電平，發(fā)光二極管陰極為低電平，則發(fā)光二極管發(fā)光。延時電路不再敘述，與方案一均采用NE555組成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路。方案三：結(jié)合方案一和方案二的優(yōu)點，更進(jìn)一步優(yōu)化了電路圖，將方案一和方案二中的電阻阻值比較器合二為一，并且改進(jìn)了延時電路，不再采用方案一和方案二由NE555組成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路，而是改為用運(yùn)放組成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路，更充分利用了LM324四運(yùn)放集成電路，電阻阻值比較器電路圖如圖（h）所示，延時電路圖如圖（

9、i）所示，方案三總體電路圖如圖（j）所示。圖（h）：方案三電阻阻值比較器電路圖 圖（i）：方案三延時電路圖圖（j）：方案三總體電路圖方案三是采用方案一中的高阻抗輸入級的電壓跟隨器與方案二在方案一的基礎(chǔ)上簡化了的雙限比較器相結(jié)合，組成了電阻阻值比較器，同時摒棄了方案一和方案二由NE555組成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路，而是改為用運(yùn)放組成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路，充分利用了LM324中的四個集成運(yùn)放，使電路板的體積更小，降低了制作的成本。方案三中的電阻阻值比較器是結(jié)合方案一和方案二中的電阻阻值比較器組成的，原理與方案一和方案二的電阻阻值比較器大同小異，原理請參考方案一和方案二中的電阻阻值比較器的設(shè)計，電阻阻值比較器的

10、原理在此不再敘述。下面主要討論由運(yùn)放組成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路。方案三中由運(yùn)放組成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路是由脈沖上升沿觸發(fā)的。這種單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路的工作原理是：當(dāng)電路在無輸入信號時，運(yùn)放反相輸入端為地電位，同相輸入端的電壓為0.45V，它時由R9和R8分壓而得，因此輸出電壓VO為正相飽和電壓+VS。如果幅度大于同相輸入端的電壓0.45V的上升脈沖加到反相輸入端，脈沖上升瞬間，輸出電壓VO跳變?yōu)樨?fù)飽和電壓-VS。跳變前+VS對C1進(jìn)行充電。跳變后為-VS對C1進(jìn)行反向充電，該充電電流流經(jīng)R8,形成同相輸入端的電壓為-0.6V。輸出電壓VO變負(fù)之后，觸發(fā)脈沖即使返回到零，因有對C1的充電電流，則R8兩端電壓也將繼續(xù)

11、保持同相輸入端的電壓為-0.6V<0的狀態(tài)，這樣VO仍為-VS。同相輸入端的電壓隨著C1繼續(xù)充電而逐漸上升，稍微超過0（反相輸入端電壓）時，VO再次返回到+VS。VO處于-VS期間的時間（T）就是振蕩脈沖寬度，該脈寬由C1及R8、R9、R10的值確定。VO返回+VS后，由于C1充電電流形成比較大的同相輸入端電壓為1.6V。如果這時加入觸發(fā)脈沖，則電路不會翻轉(zhuǎn)。因此，觸發(fā)脈沖的上升沿之間間隔（觸發(fā)間隔）必須大于2T。電路輸出脈寬T=R10*C1*In(R9/R10)，條件是R9>>R8。輸出脈寬T即為延時的時間。 方案四：方案四是在方案三的基礎(chǔ)上改進(jìn)了由運(yùn)放組成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路，

12、采用電壓保持器作為延時電路。方案四的電阻阻值比較器電路圖與方案三的電阻阻值比較器電路圖相同，原理和電路圖請參考方案三，延時電路圖如圖（k）所示，方案四總體電路圖如圖（l）所示。圖（k）：方案四延時電路圖圖（l）：方案四總體電路圖由于方案四的電阻阻值比較器與方案三的電阻阻值比較器的原理一樣，在此不再敘述，電阻阻值比較器的原理請參考方案三。下面只討論電壓保持器作為延時電路的原理。把運(yùn)算放大器接成電壓跟隨器，其電壓增益為1，由于該電路的輸入阻抗很高，用它可以構(gòu)成一個電壓保持器。這樣當(dāng)插入正確的密鑰電阻時，電阻阻值比較器輸出低電平，電壓保持器的電容上沒有電壓，則電壓跟隨器輸出低電平，發(fā)光二極管發(fā)光。當(dāng)

13、插入不正確的電阻時，電阻阻值比較器輸出高電平，電壓保持器的電容被充電，則電壓跟隨器輸出高電平，發(fā)光二極管不發(fā)光。即使再插入正確的密鑰電阻時，由于電容C1兩端的電壓不能突變，電壓跟隨器的輸出仍為高電平，此時發(fā)光二極管仍然不發(fā)光。直到電容C1兩端的電壓通過電阻R5放電而慢慢降低時，電壓跟隨器的輸出的電壓也慢慢降低，此時發(fā)光二極管逐漸變亮。 方案五：本方案不采用前三種方案的系統(tǒng)框圖，跳離前三種方案的設(shè)計思路，重新?lián)Q一個設(shè)計角度去考慮問題，打算采用以下的系統(tǒng)框圖，方案五的系統(tǒng)框圖如下圖（m）所示： 電橋測量 電路 差分放大 電路 極性轉(zhuǎn)換 電路 延時電路圖（m）：方案五系統(tǒng)總體框圖方案五先在輸入級利用

14、電阻R1、R2、R3和密鑰電阻RV1組成的電橋?qū)γ荑€電阻進(jìn)行比較。當(dāng)密鑰電阻是正確時，電橋的輸出電壓為零，當(dāng)密鑰電阻是不正確時，電橋的輸出電壓不為零，輸出電壓或正或負(fù)。運(yùn)放A1、A2組成差分測量放大電路，將前級電橋產(chǎn)生的微弱變化信號進(jìn)行放大，方案五電橋與差分測量放大電路圖如圖（n）所示。這樣A1、A2各自構(gòu)成了同相比例放大電路，其輸出為： （1）式 （2）式由疊加原理得，R9兩端的電壓為：使電阻R5=R6，則： (3) 式圖（n）：方案五電橋與差分測量放大電路圖由（3）式可知，差分放大后的電壓或正或負(fù)，只要在后面加上一級極性轉(zhuǎn)換電路，即可使或正或負(fù)的電壓都轉(zhuǎn)換成正電壓。換句話說，當(dāng)插入正確的密

15、鑰電阻時，極性轉(zhuǎn)換電路輸出是零電壓，此時延時電路沒有被觸發(fā)，發(fā)光二極管發(fā)光；當(dāng)插入不正確的電阻時，極性轉(zhuǎn)換電路輸出是正電壓，此時延時電路被觸發(fā)，發(fā)光二極管熄滅。延時電路在此不再敘述，與方案三同樣采用由運(yùn)放組成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路。方案五極性轉(zhuǎn)換電路與延時電路圖如圖（o）所示，方案五總體電路圖如圖（p）所示。圖（o）方案五極性轉(zhuǎn)換電路與延時電路圖圖（p）：方案五總體電路圖在方案五的設(shè)計中，有一點是要注意的，極性轉(zhuǎn)換電路必須要浮地，因此需要用光電耦合器進(jìn)行信號隔離。若不采取隔離措施，當(dāng)正確插入密鑰電阻時，極性轉(zhuǎn)換電路的輸出不為零，會造成延時電路誤動作。方案六：與前五種方案不同的是，方案六采用單片機(jī)去實現(xiàn)

16、電阻密碼鎖的功能，這樣會大大地簡化硬件電路的設(shè)計，主要是軟件的設(shè)計。鑒于是低頻電子線路課程的設(shè)計，具體的電路不畫出來，下面大概畫出系統(tǒng)框圖的設(shè)計以作參考，硬件設(shè)計電路系統(tǒng)框圖如圖（q）所示，軟件設(shè)計流圖如圖（r）所示。圖（q）：方案六硬件設(shè)計電路系統(tǒng)框圖圖（r）：方案六軟件設(shè)計流圖 綜上所述，方案六的硬件電路最為簡單，主要是軟件的設(shè)計，但鑒于為低頻電子線路課程的設(shè)計，并且制作的成本比較高，所以不打算用方案六。而方案五的設(shè)計比較巧妙，除了電路結(jié)構(gòu)與方案一、二、三、四的不同，但其功能還是與方案一、二、三、四一樣，而且電路的極性轉(zhuǎn)換電路要浮地，容易受到外界的干擾，方案五的電路采用光電耦合器進(jìn)行隔離，

17、增加了電路的成本，方案五的電路比較復(fù)雜，調(diào)試也不容易，所以也不打算用方案五。比較方案一、二、三、四，方案三是結(jié)合方案一和方案二得出來的，其電路較方案一和方案二的精簡，而且其成本比方案一和二的要低，但方案三用運(yùn)放組成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路比方案一和二用NE555組成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路的調(diào)試要困難?？紤]到這一點，于是方案四在方案三的基礎(chǔ)上改進(jìn)了延時電路，不僅對整個電路的調(diào)試變得簡單，而且使所用到的元器件數(shù)量更少，電路板的面積更小，大大地節(jié)約了制作的成本。所以方案四是所有的方案中成本最低的方案，因此電阻密碼鎖的硬件電路的設(shè)計采用方案四。除了方案六，方案一、二、三、四、五均采用電路仿真軟件Proteus 7

18、Professional進(jìn)行仿真調(diào)試,并且驗證其功能通過。四、 硬件電路設(shè)計方案四的電路原理圖和PCB圖采用Protel DXP 2004進(jìn)行繪制，電阻密碼鎖的電路原理圖如圖（s）所示，電阻密碼鎖的PCB圖如圖（t）所示，電阻密碼鎖的的打印效果圖如圖（u）所示。圖（s）：電阻密碼鎖的電路原理圖圖（t）：電阻密碼鎖的PCB圖圖（u）：電阻密碼鎖的的打印效果圖五、 電路調(diào)試與功能測試測試條件：電源電壓Vcc=5V，電路正確插入密鑰電阻Rx50K。LM324引腳理論值實測值12.5000V2.5081V22.5000V2.5081V32.5000V2.5152V45.0000V4.9976V52.5

19、000V2.5081V62.5247V2.5290V7低電平0.5907V8低電平0.5840V92.5000V2.5081V102.4752V2.4800V110V0V12低電平0.3511V13低電平0.6077V14低電平0.6077V表（1）測試條件：電源電壓Vcc=5V，電路不正確插入電阻R10K。LM324引腳理論值實測值10.8333V0.8492V20.8333V0.8492V30.8333V0.8501V45.0000V4.9834V50.8333V0.8492V62.5247V2.5217V7低電平0.6597V8高電平3.1018V90.8333V0.8492V102.4

20、752V2.4727110V0V12高電平3.6391V13高電平3.6411V14高電平3.6411V表（2）測試條件：電源電壓Vcc=5V，電路不正確插入電阻R100K。LM324引腳理論值實測值13.3333V3.3323V23.3333V3.3323V33.3333V3.3323V45.0000V4.9937V53.3333V3.3323V62.5247V2.5272V7高電平3.1617V8低電平0.6581V93.3333V3.3323V102.4752V2.4782V110V0V12高電平3.6391V13高電平3.6412V14高電平3.6412V表（3）測試條件：電源電壓Vc

21、c=5V，電路不插入電阻。LM324引腳理論值實測值15.0000V3.8440V25.0000V3.8440V35.0000V4.9718V45.0000V4.9940V55.0000V3.8440V62.5247V2.5278V7高電平3.1620V8低電平0.6580V95.0000V3.8440V102.4752V2.4788V110V0V12高電平3.6391V13高電平3.6412V14高電平3.6412V表（4）以下由圖（s）的電阻密碼鎖電路原理圖計算表（1）表（4）中的理論值，然后與實測值進(jìn)行比較，以方便調(diào)試。當(dāng)插上密鑰電阻時，由于采用5V電源電壓供電，通過電位器RP和密鑰電阻

22、R11的分壓，使電位器RP的阻值等于密鑰電阻R11的阻值，即調(diào)節(jié)RP50k，此時LM324的3腳將得到電壓為Ucc/2，即2.5V的電壓，也可以根據(jù)公式（4）代入算得。由于將輸入級的運(yùn)放A1接成電壓跟隨器，所以同樣LM324的1和2腳的電壓同樣為2.5V。此時運(yùn)放A1將此電壓送到運(yùn)放A2和運(yùn)放A3組成的窗口比較器進(jìn)行比較，運(yùn)放A2的同相輸入端和運(yùn)放A3的反相輸入端對運(yùn)放A1輸出的電壓進(jìn)行上下限比較，即此時LM324的5和9腳也為2.5V。而運(yùn)放A2的反相輸入端接入上限比較基準(zhǔn)電壓2.5247V,可根據(jù)公式（5）算得，運(yùn)放A3的同相輸入端接入下限比較基準(zhǔn)電壓2.4752V,可根據(jù)公式（6）算得。

23、由于正確地接入密鑰電阻，使得運(yùn)放A1輸出2.5V，即2.4752V<2.5V<2.5247V,此時運(yùn)放A2和運(yùn)放A3均輸出低電平，即LM324的7和8腳為低電平，此時運(yùn)放A2和運(yùn)放A3組成的窗口比較器輸出低電平。此時電容兩端沒有電壓，又由于運(yùn)放A4接成電壓保持器，則運(yùn)放A4輸出低電平，即LM324的12、13和14腳為低電平，使得二極管發(fā)光。當(dāng)插上其他電阻或者沒有插上電阻時，此時LM324的3腳將得到電壓不等于Ucc/2，此時LM324的3腳的電壓可以根據(jù)公式（4）代入算得。由于將輸入級的運(yùn)放A1接成電壓跟隨器，所以同樣LM324的1和2腳的電壓也等于LM324的3腳上的電壓。此時

24、運(yùn)放A1將此電壓送到運(yùn)放A2和運(yùn)放A3組成的窗口比較器進(jìn)行比較，運(yùn)放A2的同相輸入端和運(yùn)放A3的反相輸入端對運(yùn)放A1輸出的電壓進(jìn)行上下限比較，即此時LM324的5和9腳同樣等于LM324的1和2腳的電壓。由于沒有正確地接入密鑰電阻，使得運(yùn)放A1輸出不等于2.5V，即不在2.4752V和2.5247V之間。換句話來說，當(dāng)插上Rx10k<50k時，此時運(yùn)放A2輸出低電平，運(yùn)放A3 輸出高電平，即LM324的7腳為低電平，8腳為高電平，此時運(yùn)放A2和運(yùn)放A3組成的窗口比較器輸出高電平。當(dāng)插上Rx100k>50k時,此時運(yùn)放A2輸出高電平,運(yùn)放A3 輸出低電平,即LM324的7腳為高電平,

25、8腳為低電平，此時運(yùn)放A2和運(yùn)放A3組成的窗口比較器輸出高電平。當(dāng)沒有插上電阻時，此時運(yùn)放A2輸出高電平,運(yùn)放A3 輸出低電平,此時運(yùn)放A2和運(yùn)放A3組成的窗口比較器輸出高電平。此時電容兩端被充電，又由于運(yùn)放A4接成電壓保持器，則運(yùn)放A4輸出高電平，即LM324的12、13和14腳為高電平，使得二極管不發(fā)光。 其中VCC=5V,調(diào)節(jié)RP=50k，Rx為插入電阻。 當(dāng)Rx10k時，ULM32430.8333V （4）式 當(dāng)Rx100k時，ULM32433.3323V (5)式 （6）式 將電路板的電源連接好后，接通電源并開機(jī)測試。當(dāng)插座沒有插上電阻時，發(fā)光二極管不發(fā)光。當(dāng)插上密鑰電阻時，發(fā)光二極管發(fā)光。當(dāng)插上其他阻值的電阻時，發(fā)光二極管不發(fā)光，即使再插上密鑰電阻，發(fā)光二極管仍然不發(fā)光，直到延時電路延時完畢。在此電阻密碼鎖的功能被全部實現(xiàn)了。從表（1）表（4）可以看出，實測值與理論值基本相等，說明電路正常工作。實測值與理論值產(chǎn)生的誤差主要是由于電阻阻值的誤差造成的，解決的方法可以采用五環(huán)的精密金屬膜電阻代替四環(huán)的碳膜電阻。其次是由于運(yùn)放的輸入阻抗不是理想的無窮大，這樣也會造成毫伏級電壓的誤差。解決的方法可以采用輸入阻抗更高的運(yùn)放