數(shù)字電子課程設(shè)計(jì)《電子鎖及門鈴電路設(shè)計(jì)與Multisim電路仿真和ALtiumDesigner繪制電路原理圖》

1、- #- - - -1設(shè)計(jì)目的利用數(shù)字電路的理論和知識(shí)進(jìn)行設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)一個(gè)電子鎖，密碼為位二進(jìn)制代碼，當(dāng)開(kāi)鎖輸入碼與密碼一致時(shí)，鎖被打開(kāi)，當(dāng)開(kāi)鎖輸入碼與密碼不一致時(shí)，則報(bào)警。1.1設(shè)計(jì)內(nèi)容及要求111設(shè)計(jì)指標(biāo)設(shè)計(jì)一個(gè)電子鎖，其密碼為位二進(jìn)制代碼，開(kāi)鎖指令為串行輸入碼。開(kāi)鎖輸入碼與密碼一致時(shí)，鎖被打開(kāi)。當(dāng)開(kāi)鎖輸入碼與密碼不一致時(shí)，則報(bào)警。報(bào)警時(shí)間持續(xù)1秒，停秒后再出現(xiàn)。報(bào)警器可以兼作門鈴使用，門鈴時(shí)間為1秒。設(shè)置一個(gè)系統(tǒng)復(fù)位開(kāi)關(guān)，所有的時(shí)間數(shù)據(jù)用數(shù)碼管顯示出來(lái)。112原理框圖原始密碼比較模塊聲響模塊圖1原理框圖2系統(tǒng)具體設(shè)計(jì)及參數(shù)計(jì)算2.1設(shè)計(jì)思路1、數(shù)據(jù)比較模塊。數(shù)據(jù)比較模塊是電子鎖的核心部分。

2、由于是八位數(shù)據(jù)比較，所以采用兩片7485（四位數(shù)字比較器）級(jí)聯(lián)方式。用高4位的芯片的輸出端（）控制門鈴和報(bào)警電路。2、原始密碼輸入模塊。由八個(gè)波段開(kāi)關(guān)構(gòu)成，表示每一位的數(shù)據(jù)，分別接到高位和低位上。另一端接電源，當(dāng)按鍵接通時(shí)表示“”，當(dāng)案件未接通時(shí)，表示“”。、串行密碼輸入模塊。采用兩片74194（四位雙向通用移位寄存器）級(jí)聯(lián)成八位數(shù)據(jù)輸入模塊，分別接到數(shù)據(jù)比較模塊的高四位和低四位。具體輸入電路見(jiàn)下文分析。、時(shí)鐘模塊。計(jì)時(shí)模塊用來(lái)產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)的秒脈沖給電路提供時(shí)序?？刹捎?55定時(shí)器構(gòu)成多諧振蕩器，也可以使用8051單片機(jī)定時(shí)器產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)方波。在電路仿真時(shí)采用軟件自帶的電壓信號(hào)產(chǎn)生器。、計(jì)時(shí)模塊。采用

3、兩片74290（二五分頻十進(jìn)制計(jì)數(shù)器）級(jí)聯(lián)方式構(gòu)成十進(jìn)制、可顯示-計(jì)時(shí)模塊。芯片輸出碼，由（-段譯碼器內(nèi)部上拉輸出驅(qū)動(dòng)）驅(qū)動(dòng)兩個(gè)數(shù)碼管（共陰極）。、顯示模塊。時(shí)間顯示采用兩個(gè)7段共陰極數(shù)碼管。、門鈴模塊。采用單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器?？梢杂?55定時(shí)器構(gòu)成，也可以用集成芯片構(gòu)成。我采用集成芯片74123（單穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器）。、報(bào)警模塊。采用多諧振蕩器，周期18秒，占空比63%。由555定時(shí)器構(gòu)成。、聲響模塊。采用直流驅(qū)動(dòng)蜂鳴器。由門鈴模塊和報(bào)警模塊驅(qū)動(dòng)。、復(fù)位開(kāi)關(guān)。若各模塊的芯片有清零端使能端，則接到一起，設(shè)計(jì)一個(gè)復(fù)位開(kāi)關(guān)控制。若沒(méi)有，則將其接地端串聯(lián)到一個(gè)復(fù)位開(kāi)關(guān)。、按鍵去抖。采用美信公司的開(kāi)關(guān)去抖器。

4、2.2各模塊詳細(xì)設(shè)計(jì)2.2.1數(shù)據(jù)比較和原始密碼輸入模塊器件選擇采用兩片7485（四位數(shù)字比較器）級(jí)聯(lián)方式。用高4位的芯片的輸出（YA=YB,YAYB）控制門鈴和報(bào)警電路。其引腳圖和功能表如圖2和表所示。- - #-引腳圖TruthTableComparingInputsCascadingInputsOutputs隔B3A2.B2A1,B1gBOABABABA=BA3a閃XXXXXXHLLA3B2XXXXXHLLA3=B3A2BlXXXXHLLA3=B3AlBOXXXHLLA3=呂3Al=B1AOBOXXXLHLA3=S3A1=B1AO=BOHLLHLLA3=B3Al=B1AO=BOLHLLH

5、LA3=B3Al=B1AO=BOXXHLLHA3=A1=B1AO=BOHHLLLLA3=B3叩=B1&=BOLLLHHL表17485功能表- #-電路設(shè)計(jì)口圖3數(shù)據(jù)比較模和原始密碼輸入模塊電路圖- #- #-如圖3所示兩片7485級(jí)聯(lián)成八位數(shù)據(jù)比較模塊，左邊為低四位，右邊為高四位。P口由5VVCC經(jīng)編碼開(kāi)關(guān)接入，設(shè)定原始密碼。Q口由串行數(shù)據(jù)輸入模塊接入。高位芯片5、6、7引腳輸出電平表示開(kāi)鎖密碼是否正確。若正確，則6腳為高，另兩腳為低。若不正確，則5腳或7腳為高，六腳為低。5、7腳通過(guò)或門電路（7432）接報(bào)警模塊。6腳接門鈴模塊。222串行輸入模塊器件選擇口采用兩片74194（四位雙向通用移

6、位寄存器）級(jí)聯(lián)成八位數(shù)據(jù)輸入模塊。其引腳圖和功能表如圖4和表2所示16130阿llnUneDiiifuis葉電匚LflGKS-1SDCbtaM3H1FrAl5c05HFTGMOFriGHl&EHIALihPilTT圖474194引腳圖CS1SO功能0XXX清零100X保持101右移110左移111并行輸入表274194功能表- -電路設(shè)計(jì)圖5串行輸入模塊電路圖如圖5所示，兩片7449構(gòu)成八位串行輸入并行輸出模塊，左側(cè)為低位，右側(cè)為高位。采用功能表第三行（右移）模式。輸入密碼時(shí)，按下START按鍵，使模塊由清零進(jìn)入工作狀態(tài)。單刀雙擲開(kāi)關(guān)決定模塊輸入“1”或“0”。按下P

7、UTIN輕觸開(kāi)關(guān)時(shí)，兩芯片獲得同步脈沖，此時(shí)所有數(shù)據(jù)向高位移動(dòng)一位。低位的輸出端QD連接高位的輸入端SR，完成由低位向高位的數(shù)據(jù)傳送。兩芯片的輸出端分別接到數(shù)據(jù)比較模塊的低位和高位?！咀ⅰ坑捎趯?shí)際應(yīng)用中開(kāi)關(guān)存在抖動(dòng)現(xiàn)象，這里僅做原理闡述，并沒(méi)有加入去抖電路，加入去抖電路后的電路見(jiàn)總電路圖。2.2.3時(shí)鐘模塊電路設(shè)計(jì)- -如圖6所示，由定時(shí)器構(gòu)成多諧振蕩器，為輸出端，為計(jì)時(shí)模塊產(chǎn)生秒脈沖。該電路產(chǎn)生周期為，占空比為的波形。計(jì)算公式為：高電平持續(xù)時(shí)間T1=0.7（R1+R2）C1。低電平持續(xù)時(shí)間T=0.7RC。計(jì)時(shí)模塊器件選擇采用兩片74290（二五分頻十進(jìn)制計(jì)數(shù)器）級(jí)聯(lián)方式構(gòu)成十進(jìn)制、可顯示0-

8、計(jì)時(shí)模塊。芯片輸出BCD碼，由7448（BCD-7段譯碼器內(nèi)部上拉輸出驅(qū)動(dòng)）驅(qū)動(dòng)兩個(gè)數(shù)碼管（共陰極）。74290引腳圖如圖7所示，7448引腳圖如圖8所示，功能表如表所示。uaMn-Llno-HCTQriGHIHAUj,QqLd13QIIID9單圖引腳圖圖引腳圖Re$et/CountTruthTableResetInputsOutputsR0(DR0(2)R9(1)R9(2)QdQcQ0QaHHLXLLLLHHXLLLLLXXHHHLLHXLXLCOUNTLXLXCOUNTLXXLCOUNTXLLXCOUNT表功能表- - #-電路設(shè)計(jì)圖9計(jì)時(shí)模塊電路圖如圖9所示，該電路為十進(jìn)制、099顯示電

9、路。左側(cè)為十位，右側(cè)為個(gè)位。74290A端為脈沖輸入，低位的QD接到高位的A,完成十進(jìn)制進(jìn)位。輸出BCD碼進(jìn)入7448數(shù)碼管譯碼器。7448為內(nèi)部上拉高效譯碼輸出，用來(lái)驅(qū)動(dòng)共陰極數(shù)碼管。使用時(shí)需要串聯(lián)保護(hù)電阻，經(jīng)s軟件仿真，阻值大約280Q。數(shù)碼管K端接地。2.2.5門鈴模塊當(dāng)輸入密碼一致時(shí)，系統(tǒng)開(kāi)鎖，并觸發(fā)門鈴模塊。門鈴模塊采用由555電路構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器。穩(wěn)態(tài)時(shí)間計(jì)算公式：T=RC- #- -電路設(shè)計(jì)- #- #- - #-如圖所示，由555定時(shí)器構(gòu)成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器。OUT為輸出端，驅(qū)動(dòng)門鈴（蜂鳴器）。暫穩(wěn)態(tài)持續(xù)時(shí)間約為10秒。隨后電路回到穩(wěn)定狀態(tài)。由于555定時(shí)器的性質(zhì)，觸發(fā)端TRIG是

10、下降沿觸發(fā)，而不是低電平觸發(fā)。若TRIG端低電平持續(xù)時(shí)間大于暫穩(wěn)態(tài)時(shí)間，則系統(tǒng)進(jìn)入到不穩(wěn)定狀態(tài)。所以在觸發(fā)端TRIG之前加入RC電路和反相器。整個(gè)系統(tǒng)由高電平驅(qū)動(dòng)，當(dāng)觸發(fā)電平由低變高時(shí)，TRIG端收到一個(gè)下降沿，隨后電容充電完畢，TRIG回到高電平，整個(gè)過(guò)程持續(xù)時(shí)間小于暫穩(wěn)態(tài)持續(xù)時(shí)間。2.2.6報(bào)警模塊如圖11所示，報(bào)警電路由555定時(shí)器構(gòu)成多諧振蕩器當(dāng)作使能端。高電平觸發(fā)。為輸出端，產(chǎn)生15秒高、秒低的波形，觸發(fā)蜂鳴器。經(jīng)計(jì)算，該電路構(gòu)成頻率005，占空比8的波形輸出。計(jì)算公式見(jiàn)上文時(shí)鐘模塊設(shè)計(jì)。227聲響模塊根據(jù)題目要求，門鈴和報(bào)警模塊公用一個(gè)蜂鳴器。因擔(dān)心驅(qū)動(dòng)能力不夠，所以采用三極管放大

11、電路。門鈴和報(bào)警模塊輸出端通過(guò)反相器接到8550N三極管基極。當(dāng)基極接收到低電平時(shí)，三極管導(dǎo)通驅(qū)動(dòng)蜂鳴器。電路圖如圖12所示- #- #- #- #-228按鍵去抖模塊采用美信公司的818按鍵消消抖器。其引腳圖如圖1所示，具體連接- #- #-方式見(jiàn)總電路圖。cTTTTTTTTuunuuuuu-u-HVoDDooQDD-C剖固函13111111迢迴11F叵巨I應(yīng)叵rlrl叵EOEiiNdNZ用申藺N5N?晞NDII丨II丨IG- - -2.2.9系統(tǒng)復(fù)位電路采用開(kāi)關(guān)復(fù)位設(shè)計(jì)。即系統(tǒng)電源開(kāi)關(guān)就是系統(tǒng)復(fù)位開(kāi)關(guān)。設(shè)計(jì)圖略。2.3總電路圖IllJIIIIHIJ：!：II5.ilCD卄圖14總電路圖2.

12、4元器件清單兀器件標(biāo)號(hào)封裝型號(hào)數(shù)量電阻器R0-R19AXIAL-0.4Res220電容器C1-C7RAD-0.3Cap7二極管D1,D2DO-41Diode1N40012數(shù)碼管DS1,DS2LEDDIP-10DpyRed-CC2蜂鳴器LS1PIN2Bell1消抖器P1SSOPMAX68181三極管Q1TO-92A85501波段開(kāi)關(guān)S1DIPSW8WAYSMDSWDIP-81按鍵開(kāi)關(guān)S2,S3SPST-2SW-SPST2單刀雙擲開(kāi)關(guān)S4TL36WW15050SW-SPDT1輕觸開(kāi)關(guān)S5SPST-2SW-PB1BCD譯碼器U1,U2DIP16SN74LS48N2十進(jìn)制計(jì)數(shù)器U3,U4DIP14SN

13、74LS290N2時(shí)基電路U5,U7,U13DIP10LM555CN3反相器U6DIP2074AC11204N1數(shù)據(jù)比較器U8,U9DIP20SN74LS85N2或門電路U10DIP20SN74LS32D1串入并出寄存器U11,U12DIP16SN74LS194AD2表4元器件清單仿真是美國(guó)國(guó)家儀器（）有限公司推出的以為基礎(chǔ)的仿真工具，適用于板級(jí)的模擬/數(shù)字電路板的設(shè)計(jì)工作。它包含了電路原理圖的圖形輸入、電路硬件描述語(yǔ)言輸入方式，具有豐富的仿真分析能力。本次設(shè)計(jì)采用1進(jìn)行仿真。- - #- -31密碼輸入模塊仿真5V2.5V圖1串行密碼輸入和數(shù)據(jù)比較模塊仿真電路圖如圖1所示為串行密碼輸入模塊和

14、數(shù)據(jù)比較模塊仿真電路圖。當(dāng)輸入密碼與預(yù)先編碼一致時(shí)，中間亮起，若不一致，左側(cè)或右側(cè)亮起。經(jīng)觀察，仿真結(jié)果和電路設(shè)計(jì)一致。3.2門鈴模塊仿真圖1門鈴模塊仿真電路圖圖1單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器輸出波形如圖16所示為門鈴模塊仿真電路圖。左上角開(kāi)關(guān)模擬開(kāi)鎖門鈴信號(hào)輸入。右側(cè)LED和蜂鳴器表示門鈴響起。當(dāng)開(kāi)關(guān)閉合式，觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，同時(shí)由于RC電路影響，555定時(shí)器觸發(fā)端一段時(shí)間后回到高電平，保證了輸入信號(hào)長(zhǎng)時(shí)間保持高電平時(shí)，電路的穩(wěn)定。圖17為單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器波形圖。仿真結(jié)果與電路設(shè)計(jì)一致。3.3報(bào)警模塊仿真圖18報(bào)警模塊仿真電路圖- #- #- #- - - #-如圖18所示為報(bào)警模塊仿真電路圖，開(kāi)關(guān)模擬報(bào)警信號(hào)

15、輸入，高電平觸發(fā)。LED和蜂鳴器表示鈴響。圖19為多諧振蕩器輸出端波形圖。經(jīng)觀察，仿真結(jié)果和電路設(shè)計(jì)一致。3.4計(jì)時(shí)電路仿真圖20計(jì)時(shí)模塊仿真電路圖!_jie*i11;J!i!i_iiii1iISi1,1111iiiiiri二址F.”T1i_11i:1;1r1iii_ii_1fit.11ir1iiiiri圖1多諧振蕩器輸出波形圖如圖20所示為計(jì)時(shí)模塊仿真電路圖，由555定時(shí)器構(gòu)成多諧振蕩器產(chǎn)生秒脈沖，右側(cè)開(kāi)關(guān)模擬報(bào)警和門鈴模塊信號(hào)輸入。數(shù)碼管顯示時(shí)間。圖21為秒脈沖輸出端波形圖。經(jīng)觀察，仿真結(jié)果和電路設(shè)計(jì)一致。3.5總仿真電路圖4總結(jié)4.1工作進(jìn)程1.4：接到設(shè)計(jì)題目，著手準(zhǔn)備設(shè)計(jì)，去圖書(shū)館借

16、閱相關(guān)書(shū)籍。1.5-1.6：初步設(shè)計(jì)電路原理圖，畫(huà)出手稿。1.7T.11:電路仿真，熟悉Multisim仿真軟件，這一部分耽誤了很長(zhǎng)時(shí)間，但是也收獲了很多知識(shí)。1.12：畫(huà)總電路圖，繪制CAD圖紙，寫(xiě)設(shè)計(jì)報(bào)告。1.13：設(shè)計(jì)完成。- - - #-4.2心得體會(huì)通過(guò)本次數(shù)字電子課程設(shè)計(jì)，使我更加熟悉和掌握了電子電路設(shè)計(jì)的知識(shí)和技巧，對(duì)數(shù)字電子技術(shù)有了更深層次的理解。同時(shí)，更加全面的解了74系列芯片的功能和型號(hào)，對(duì)今后的工作和學(xué)習(xí)由很大幫助。在電路仿真過(guò)程中，也遇到了很多問(wèn)題。比如，Multisim軟件仿真時(shí)，需要進(jìn)行仿真時(shí)間步長(zhǎng)設(shè)置。如果設(shè)置步長(zhǎng)過(guò)小，現(xiàn)實(shí)中過(guò)去一分鐘，軟件中可能只運(yùn)行幾秒。通過(guò)

17、請(qǐng)教指導(dǎo)老師和自己摸索，進(jìn)行了正確而的設(shè)置，解決了問(wèn)題。再如，555定時(shí)器構(gòu)成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器時(shí)，觸發(fā)端下降沿有效，但是低電平時(shí)間不能大于暫穩(wěn)態(tài)時(shí)間。當(dāng)我正在為這個(gè)問(wèn)題糾結(jié)時(shí)，忽然想起了單片機(jī)上電復(fù)位的電路，于是我嘗試將單片機(jī)上電復(fù)位電路應(yīng)用到單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的觸發(fā)電路，問(wèn)題迎刃而解。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，由于有些細(xì)小的問(wèn)題沒(méi)有注意到，導(dǎo)致了電路仿真不好使。這些的知識(shí)老師課上都講過(guò)，只是當(dāng)時(shí)沒(méi)有注意到。以后上課要多注意聽(tīng)講，看書(shū)要仔細(xì)，細(xì)節(jié)決定成敗。由于芯片生產(chǎn)廠家大多數(shù)是外國(guó)企業(yè)，很多技術(shù)資料都是全英文的，經(jīng)過(guò)翻譯的資料也不保證準(zhǔn)確性。所以我們自動(dòng)化專業(yè)的學(xué)生更應(yīng)該掌握好英文能力，對(duì)待英語(yǔ)學(xué)習(xí)應(yīng)該重視起來(lái)。

18、本次數(shù)字電子課程設(shè)計(jì)，東北電力大學(xué)自動(dòng)化工程學(xué)院黃俊峰、劉寅東老師不遺余力的進(jìn)行了指導(dǎo)和答疑，并提出了很多寶貴的意見(jiàn)和建議。在此深表感謝！對(duì)我們而言，知識(shí)上的收獲很重要，精神上的豐收更加可喜。挫折是一份財(cái)富，經(jīng)歷是一份擁有。這次實(shí)習(xí)必將成為我人生旅途上一個(gè)非常美好的回憶！希望以后還能夠有像這次一樣自己動(dòng)手的機(jī)會(huì)。5參考文獻(xiàn)1王義軍.數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ).北京：中國(guó)電力出版社，20072韓學(xué)軍.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ).北京：中國(guó)電力出版社，20083孫育才.MCS-51單片微型計(jì)算機(jī)及其應(yīng)用.南京：東南大學(xué)出版社，4郭鎖利.基于版社，20085史久貴.基于的電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)仿真與綜合應(yīng)用.北京：人民郵電出的原理圖與設(shè)計(jì)北京：機(jī)械工業(yè)出版社,目錄TOC o 1