电子密码锁及门铃电路的课程设计.doc

一、设计目的1二、设计指标1三、原理简述2四、元器件清单4五、各模块的具体设计51、编码电路52、移位寄存器63、驱动电路74、计数与计时电路85、译码显示电路116、秒信号源与报警电路147、门铃电路16六、总电路图17七、仿真调试过程17八、心得体会18摘要:本文设计了一个密码锁。主要利用五个触发器组成五位右移移位寄存器，实现8位二进制码串行输入。连续三次输入错误就触发D触发器，产生持续高电平，使由74LS48和74LS160组成的计时电路以及由555定时器构成的多谐振荡器开始工作，产生报警信号，使报警时间为15秒，停3秒，循环。密码锁可兼门铃使用，持续响10秒。关键词：移位寄存器，计数器，555定时器一、设计目的 1、学习掌握数字电子基础知识。 2、了解使用中规模集成芯片的基本知识，并能够根据状态表了解该芯片的基 本功能和使用方法。 3、学习使用仿真软件进行电路设计、电路模拟的方法。 4、学习对电路的仿真与分析。二、设计指标1、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。2、开锁输入码与密码一致时，锁被打开。3、当开锁输入码与密码不一致时，门不会被打开。如果连续3次输入错 误，则报警。报警时间持续15秒，停3秒后再重复出现。4、报警器可以兼作门铃使用，门铃时间为10秒。5、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。6、单步脉冲还需要消抖。三、原理简述 密码电子锁是一种可编码的电子锁，无需钥匙，只要记住一组十进制密码（有编码确定），按一定顺序，手指逐个触及相应的号码，锁便自动打开，若操作顺序不对或数码按错，锁就不打开。如果连续三次输入错误，便使报警装置发出报警信号，报警时间可以得到显示。还可以兼做门铃使用。基本原理框图如图3-1所示。数码开关密码设置寄存器 锁驱动电路密码输入计 数电 路计时电路报警电路数字显示门铃电路秒信号源触摸开关图3-1 原理框图各模块功能：密码设置模块：使用数码开关，选通触摸式开关，可以实现重新设置密码的功能。密码输入模块：使用触摸式开关，当按下开关时，产生脉冲信号。移位寄存器模块：使用D触发器组成移位寄存器，当有脉冲信号时（正确密码信号），高电平向右移动，在输出端输出高电平。计数模块：由74LS160和D触发器组成，当有三个脉冲信号时（错误密码），产生高电平，触发D触发器，使输出端持续产生高电平。启动计时和报警模块。计时模块：由三个74LS160组成，对秒信号进行计时。数字显示模块：由三个74LS48和三个LED组成，完成对计时的显示。报警模块：由555定时器构成，产生周期为18秒，占空比为15/18的矩形脉冲信号，使报警时间为15秒，停3秒，循环，。秒信号源模块：由555定时器构成，产生周期为1秒的矩形脉冲信号，得到秒信号。门铃电路模块：由74LS160和D触发器构成，当有信号时（门铃信号），使门铃响10秒后停止。总电路工作过程：首先通过数码开关完成对初始密码设置，然后等待通过触摸式开关进行密码输入。如果密码依次输入正确，使移位寄存器的输入端的高电平依次向右移动，在输出端产生高电平，使门打开。如果按错一次数码或顺序不对，就使计数器加一，当加到三时，产生高电平。使计时模块和报警模块开始工作，直到有复位信号时，才停止报警和计时。兼做门铃使用时，当有信号时（门铃信号），使门铃持续响10秒后停止。四、元器件清单表1元器件清单表元器件名称使用数量174LS483个274LS1605个3555定时器2个4D触发器7个5三极管3个6二极管1个7继电器1个8数码管显示3个9TTL反相器4个10TTL与非门4个11TTL或门3个12电容4个13电阻24个14蜂鸣器1个15数码开关4个16单刀双掷开关9个17触摸式开关12个18导线若干五、各模块的具体设计1、编码电路1.1 设计思路编码电路首先要能实现密码的重新设置，当输入错误密码时又要能产生脉冲。所以可以用拨码开关和单刀双掷开关组成密码设置电路，用触摸式开关实现密码输入。将8个触摸式开关按1、2、3、8编号，将按键一端作为公共端，并连接电源正极，另一端引出线，根据设定密码来排列，分别去接触发器的CP端（开锁端）。不是密码按键的另一端通过电阻接地，再接输出脉冲信号线，输出错误脉冲信号。电路如图5-1-1所示。图5-1-1 编码电路1.2 工作过程 通过四个8位拨码开关设置4位密码（可以相同），不是密码的触摸式开关通过单刀双掷开关接32号线。当输入正确密码时，12、13、14、15号线分别输出高电平，如果输入错误密码，32号线就会输出高电平。2、移位寄存器2.1 设计思路 因输入四位密码，对应的时序电路有四个状态，所以用四个D触发器组成四位右移移位寄存器，最低位触发器的数据输入端D接高电平，各触发器的CP端，按从低位到高位顺序，分别接密码输入端。第四个D触发器的输出端接第五个D触发器的数据输入端D，第五个触发器的触发信号来自确认键的信号。这能实现当密码输入顺序不对时，也能产生错误信号。电路如图5-2-1所示。图5-2-1 移位寄存器电路 确认键由两个与非门组成的基本RS触发器，具有复位和清零功能，开关的切换不会引起输出端得抖动。电路如图5-2-2所示。图5-2-2 消抖电路2.2 工作过程 当15、14、13、12号线有脉冲输入时，输入端的高电平就向右移动，从第四个D触发器输出，就等待确认键按下，8号线就会输入一个脉冲信号，使第五个触发器从112号线输出高电平（开锁）。如果密码按错32号线的脉冲信号就会直接从97号线输出。当只是密码顺序输入错误，32号线不会输出脉冲信号（错误信号），但112号线也不会输出高电平（开锁）。在不按确认键的前提下，按下J22（复位开关），可以再次再次输入密码。若按下了确认键，就会从97号线输出脉冲信号。3、驱动电路3.1 设计思路 要使门被打开，就要建立磁场吸出锁芯，可以使用三极管导通继电器来实现。当三极管由导通变为截止时，继电器绕组感生出一个较大的自感电压。它与电源电压叠加后加到控制继电器线圈的三极管的e，c两级上，使发射结（e-c）有可能被击穿。为了消除这个敏感电动势的有害影响，在继电器线圈两端反向并联抑制二极管，易吸收该电动势。自感电压与电源电压之和对二极管来说确定正向偏压，电路如图5-3-1所示。图5-3-1 驱动电路3.2 工作过程 当112号线输入高电平时，三极管导通，继电器开始工作，产生磁场，吸出锁芯，开门。三极管截止时，使二极管导通形成环流。感应的高电压就会通过回路释放掉，保证了三极管的安全。4、计数与计时电路4.1 设计思路 （1）计数电路要完成对错误脉冲信号的计数，用74LS160计数器完成。当有3次时，就产生高电平，为了得到持续高电平，可以使用触发器，直到有复位信号时，才变为低电平。电路如图5-4-1所示。图5-4-1 计数电路 （2）计时电路是对秒脉冲信号的计数，然后在输出显示，也可以用74LS160计数器完成。电路如所示。图5-4-2 计时电路42 74LS160计数器74LS160 引脚图和功能表：图 5-4-3 74LS160 引脚图*SR PECETCEP 工作模式 LX X X 清零H LX X 置数H H HH计数 HHLX 保持 HHX L保持 表2 74LS160功能表 这种同步可预置四位二进计数器是由四个D 型触发器和若干个门电路构成，内部有超前进位，具有计数、置数、禁止、直接（异步）清零等功能。对所有触发器同时加上时钟，使得当计数使能输入和内部门发出指令时输出变化彼此协调一致而实现同步工作。这种工作方式消除了非同步（脉冲时钟）计数器中常有的输出计数尖峰。缓冲时钟输入将在时钟输入上升沿触发四个触发器。这种计数器是可全编程的，即输出可预置到任何电平。当预置是同步时，在置数输入上将建立一低电平，禁止计数，并在下一个时钟之后不管使能输入是何电平，输出都与建立数据一致。清除是异步的（直接清零），不管时钟输入、置数输入、使能输入为何电平，清除输入端的低电平把所有四个触发器的输出直接置为低电平。有了超前进位电路后，无须另加门，即可级联出n位同步应用的计数器。它是借助于两个计数使能输入和一个动态进位输出来实现的。两个计数使能输入（ENP 和ENT）计数时必须是高电平，且输入ENT必须正反馈，以便使能动态进位输出。因而被使能的动态进位输出将产生一个高电平输出脉冲，其宽度近似等于QA 输出高电平。此高电平溢出进位脉冲可用来使能其后的各个串联级。使能ENP 和ENT 输入的跳变不受时钟输入的影响。电路有全独立的时钟电路。改变工作模式的控制输入（使能ENP、ENT 或清零）纵使发生变化，直到时钟发生为止，都没有什么影响。计数器的功能（不管使能、不使能、置数或计数）完全由稳态建立时间和保持时间所要求的条件来决定。4.3 工作过程 （1）当97号线来一个脉冲，计数器加一，计数到三时，13、14号线经过与门产生一个脉冲，触发D触发器，95、103号线持续输出高电平。计时电路和报警电路开始工作。 （2）95号线输入高电平时，计数器开始对94号线来的秒脉冲计数。输出端接显示电路。5、译码显示电路5.1 译码器在数字显示系统中，用显示器把字符号显示出来，就需要将代表具体字符号的二进制代码，经译码器、驱动显示器显示出各字段。译码器的类型有许多，但主要用LED数码管的8421BCD码7段译码器74LS48/74LS47，这两种是常用的中规模集成芯片，内部带有驱动电路，使用时无需再接驱动器，其中74LS47（输出低电平有效）配共阳极的LED数码管，74LS48（输出高电平有效）配共阴极的LED数码管。74LS47为集电极开路输出，使用时需外接电阻（在共阳极端串联一只电阻接+Vcc），而74LS48输出各段可以直接与数码管各段相连。74LS48引脚排列图如图5-5-1示，其功能如表3示。图5-5-1 74LS48引脚图表3 74LS48功能表输 入输 出显示字符LT RBI D C B A RBOYa Yb Yc Yd Ye Yf Yg1 1 0 0 0 0 11 1 1 1 1 1 0 01 x 0 0 0 1 10 1 1 0 0 0 011 x 0 0 1 0 1 1 1 0 1 1 0 1 21 x 0 0 1 1 11 1 1 1 0 0 1 31 x 0 1 0 0 10 1 1 0 0 1 1 41 x 0 1 0 1 11 0 1 1 0 1 1 5 1 x 0 1 1 0 10 0 1 1 1 1 1 61 x 0 1 1 1 11 1 1 0 0 0 0 71 x 1 0 0 0 11 1 1 1 1 1 1 81 x 1 0 0 1 11 1 1 0 0 1 1 9 74LS48除了有实现7段显示译码器基本功能的输入（DCBA）和输出（YaYg）端外，74ls48还引入了灯测试输入端（LT）和动态灭零输入端（RBI），以及既有输入功能又有输出功能的消隐输入/动态灭零输出（BI/RBO）端。 由7448真值表可获知7448所具有的逻辑功能：（1）7段译码功能（LT=1，RBI=1） 在灯测试输入端（LT）和动态灭零输入端（RBI）都接无效电平时，输入DCBA经7448译码，输出高电平有效的7段字符显示器的驱动信号，显示相应字符。除DCBA = 0000外，RBI也可以接低电平，见表3中116行。（2）消隐功能（BI=0） 此时BI/RBO端作为输入端，该端输入低电平信号时，表3倒数第3行，无论LT 和RBI输入什么电平信号，不管输入DCBA为什么状态，输出全为“0”，7段显示器熄灭。该功能主要用于多显示器的动态显示。（3）灯测试功能（LT = 0） 此时BI/RBO端作为输出端， 端输入低电平信号时，表3最后一行，与 及DCBA输入无关，输出全为“1”，显示器7个字段都点亮。该功能用于7段显示器测试，判别是否有损坏的字段。（4）动态灭零功能（LT=1，RBI=1） 此时BI/RBO端也作为输出端，LT 端输入高电平信号，RBI 端输入低电平信号，若此时DCBA = 0000，表3倒数第2行，输出全为“0”，显示器熄灭，不显示这个零。DCBA0，则对显示无影响。该功能主要用于多个7段显示器同时显示时熄灭高位的零。5.2发光二极管显示器 LED数码管和LCD显示器相比，前者比较醒目，后者耗电量小。LED数码管的外形和内部结构如图5-5-2示。其中图（a）是共阴极结构，使用时公共端接地，各段（a-h）接高电平。图（b）是共阳极结构，使用时公共端应通过一个电阻接+Vcc，各段接低电平。图5-5-2 数码管5.3 工作过程电路图如5-5-3所示：图5-5-3 显示电路 输入端接74LS160计数器，输入数据经74LS48七段译码器，通过LED数码管显示。6、秒信号源与报警电路6.1 设计思路 （1）秒信号源要能输出周期为一秒的脉冲信号，可以用555定时器构成多谐振荡器完，但精确度不是很高。可以采用1HZ 的晶振电路代替，来提高精度。本设计采用多谐振荡器。电路如图5-6-1所示。图5-6-1 秒信号源电路 （2）报警电路要求响15秒，停3秒。也可用多谐振荡器完成，其周期为18秒，占空比为15/18。电路如图5-6-2所示。图5-6-2 报警电路6.2 多谐振荡器 由555定时器组成的多谐振荡器如图5-6-1(C)所示，其中R1、R2和电容C为外接元件。其工作波如图5-6-1(D)所示。图5-6-1多谐振荡器原理图设电容的初始电压，t时接通电源，由于电容电压不能突变，所以高、低触发端1/3，比较器1输出为高电平，输出为低电平，即，（1表示高电位，0表示低电位），触发器置，定时器输出此时，定时器内部放电三极管截止，电源经，向电容充电，逐渐升高。当上升到1/3Vcc时，输出由翻转为，这时，触发顺保持状态不变。所以0t期间，定时器输出为高电平。 时刻，上升到2/3Vcc时，比较器的输出由变为，这时，触发器复，定时器输出。 期间，放电三极管导通，电容通过放电。按指数规律下降，当2/3Vcc时比较器输出由变为，触发器的，的状态不变，的状态仍为低电平。 时刻，下降到1/3，比较器输出由1变为0，R-S触发器的1，0，触发器处于1，定时器输出。此时电源再次向电容C放电，重复上述过程。 更具理论计算可知输出矩形波的时间参数：T1=0.7（R1+R2）*C（高电平持续时间）；T2=0.7R2*C（低电平持续时间）；周期T=T1+T2，频率F=1/T。 通过上述分析可知，电容充电时，定时器输出，电容放电时，0，电容不断地进行充、放电，输出端便获得矩形波。多谐振荡器无外部信号输入，却能输出矩形波，其实质是将直流形式的电能变为矩形波形式的电能。6.3 工作过程（1）多谐振荡器一直产生1HZ脉冲。 （2）当103号线输入高电平，多谐振荡器开始工作，输出周期为18秒，占空比为15/18的脉冲。报警器就响15秒，停3秒。7、门铃电路7.1 设计思路 门铃电路要求按下开关时，门铃响10秒后停止。可以用555定时器构成单稳态触发器完成，但由于电路运行不稳定，不采用此方法。这里采用计数器和D触发器完成此功能。电路如图5-7-1所示。图5-7-1 门铃电路7.2 工作过程 当按下开关时