三维密码开关 电子工程系专业毕业设计 毕业论文.doc

东 莞 理 工 学 院专 科 毕 业 设 计毕业设计题目：三维密码开关学生姓名：徐前智 学 号：200631307213系 别：电子工程系专业班级：06电子信息工程技术2班指导教师姓名及职称：杨杰 副教授起止时间：2009年2月 2009年6月摘要设计了一套三维电子密码开关设备，利用电路的高低电平使EN555电路工作在不同的状态来控制开关的开与断，只要是用来做成数字密码锁，在现实生活中经常可以看到和用到。由于该电路设计比较简单，成本低，功能强大，防盗极高等，在一些要求保密防盗性比较高的系统和设备都需要用到。本文的电子密码开关利用数字逻辑电路，核心部件是十进制计数分频器CD4017,实现对门的电子控制，并且有各种附加电路保证电路能够安全工作，有极高的安全系数。关键词 电子密码锁 电压比较器 555单稳态电路目录1引言.22主要元器件的有关资料.22.1 十进制计数分频器CD4017 22.2 EN555集成电路.42.3继电器 .83总体方案设计.83.1设计思路83.2总体方框图.93.3设计原理分析.94设计过程和调试.1041操作限时控制开关电路.1042伪码和封锁电路1143操作顺序加次数控制电路、开关控制电路.125总结 14附录14参考文献16致谢161引言随着人们生活水平的提高，如何实现家庭防盗这一问题也变得尤其的突出，大到大公司、大集团等对防盗保密安全这一问题更为重视，防盗保密性对每个国家来说更是一个首要的要加强巩固的问题。在现代科学技术发展的同时,防盗保密也不断地发展越来越先进，传统的机械锁由于其构造的简单，被撬的事件屡见不鲜，电子锁由于其保密性高，使用灵活性好，安全系数高，受到了广大用户的亲昵。设计本课题时构思了两种方案：一种是用以AT89C2051为核心的单片机控制方案；另一种是用以十进制计数器CD4017构成的数字逻辑电路控制方案。考虑到单片机方案原理复杂，而且调试较为繁琐，所以本文采用后一种方案。2主要元器件的有关资料2.3 十进制计数分频器CD4017cd4017是常用的coms十进制计数器芯片，常用在各种数字电路中的记数脉冲等功能电路中，应用十分的广泛.2.3.1 CD4017的引脚图和原理十进制计数分频器CD4017，其内部由计数器及译码器两部分组成，由译码输出实现对脉冲信号的分配，整个输出时序就是O0、O1、O2、O9依次出现与时钟同步的高电平，宽度等于时钟周期。CD4017有10个输出端（O0O9）和1个进位输出端O5-9。每输入10个计数脉冲，O5-9就可得到1个进位正脉冲，该进位输出信号可作为下一级的时钟信号。CD4017有3个输（MR、CP0和CP1），MR为清零端，当在MR端上加高电平或正脉冲时其输出O0为高电平，其余输出端（O1O9）均为低电平。CP0和CPl是2个时钟输入端，若要用上升沿来计数，则信号由CP0端输入；若要用下降沿来计数，则信号由CPl端输入。设置2个时钟输入端，级联时比较方便，可驱动更多二极管发光。由此可见，当CD4017有连续脉冲输入时，其对应的输出端依次变为高电平状态，故可直接用作顺序脉冲发生器。引出端功能符号CO：进位脉冲输渊CP：时钟输入端CR：清除端INH：禁止端Q0-Q9 计数脉冲输出端VDD：正电源VSS：地真值表输入输出CP INH CR Q0-Q9 CO H Q0 L LH L计数计数脉冲为Q0-Q4时：CO=HL L L L保持为Q5-Q9时：CO=Lcd4017管脚图2.3.2 cd4017管脚功能介绍cd4017引脚功能:芯片有10个译码输出Q0Q9;MR为清零端,CP0和CPl是2个时钟输入端,三个输出端的控制. 0Y1Y2Y。每个译码输出一般处于低电平,且在时钟脉冲由低到高的上升沿输出高电平;每个高电平输出维持1个时钟周期;每输入10个时钟脉冲,输出一个进位脉冲,因而进位输出信号可作为下一级计数器的时钟信号.在清零输入端(R)加高电平或正脉冲时,只有输出端Q0为高电平,其余各输出端都为低电平0.2.2 EN555集成电路555定时器可以说是模拟电路与数字电路结合的典范。2.1.1 555定时器原理图555定时器原理图及引线排列如图9、1所示图9、1 555定时器内部框图 图9、2 555定时器引脚排列表9、1 555定时器的功能表其功能见表9、1。定时器内部由比较器、分压电路、RS触发器及放电三极管等组成。555定时器由3个阻值为5k的电阻组成的分压器、两个电压比较器C1和C2、基本RS触发器、放电三极管TD和缓冲反相器G4组成。虚线边沿标注的数字为管脚号。其中，1脚为接地端；2脚为低电平触发端，由此输入低电平触发脉冲；6脚为高电平触发端，由此输入高电平触发脉冲；4脚为复位端，输入负脉冲（或使其电压低于0.7V）可使555定时器直接复位；5脚为电压控制端，在此端外加电压可以改变比较器的参考电压，不用时，经0.01uF的电容接地，以防止引入干扰；7脚为放电端，555定时器输出低电平时，放电晶体管TD导通，外接电容元件通过TD放电；3脚为输出端，输出高电压约低于电源电压1V3V，输出电流可达200mA，因此可直接驱动继电器、发光二极管、指示灯等；8脚为电源端，可在5V18V范围内使用。 2.1.2 555定时器工作原理555定时器工作时过程分析如下： 5脚经0.01uF电容接地，比较器C1和C2的比较电压为：UR1=2/3VCC、UR2=1/3VCC。 当VI12/3VCC，VI21/3VCC时，比较器C1输出低电平，比较器C2输出高电平，基本RS触发器置0，G3输出高电平，放电三极管TD导通，定时器输出低电平。 当VI12/3VCC，VI21/3VCC时，比较器C1输出高电平，比较器C2输出高电平。555定时器可以说是模拟电路与数字电路结合的典范。两个比较器 C1和 C2各有一个输入端连接到三个电阻R组成的分压器上，比较器的输出接到RS触发器上。此外还有输出级和放电管。输出级的驱动电流可达200mA。比较器C1和C2的参考电压分别为UA和UB，根据C1和C2的另一个输入端触发输入和阈值输入，可判断出RS触发器的输出状态。当复位端为低电平时，RS触发器被强制复位。若无需复位操作，复位端应接高电平。555 定时器是一种模拟和数字功能相结合的中规模集成器件。一般用双极性工艺制作的称为 555，用 CMOS 工艺制作的称为 7555，除单定时器外，还有对应的双定时器 556/7556。555 定时器的电源电压范围宽，可在 4.5V16V 工作，7555 可在 318V 工作，输出驱动电流约为 200mA，因而其输出可与 TTL、CMOS 或者模拟电路电平兼容。 555 定时器成本低，性能可靠，只需要外接几个电阻、电容，就可以实现多谐振荡器、单稳态触发器及施密特触发器等脉冲产生与变换电路。它也常作为定时器广泛应用于仪器仪表、家用电器、电子测量及自动控制等方面。555 定时器的内部电路框图和外引脚排列图分别如图 2.9.1 和图 2.9.2 所示。它内部包括两个电压比较器，三个等值串联电阻，一个 RS 触发器，一个放电管 T 及功率输出级。它提供两个基准电压VCC /3 和 2VCC /3 555 定时器的功能主要由两个比较器决定。两个比较器的输出电压控制 RS 触发器和放电管的状态。在电源与地之间加上电压，当 5 脚悬空时，则电压比较器 A1 的反相输入端的电压为 2VCC /3，A2 的同相输入端的电压为VCC /3。若触发输入端 TR 的电压小于VCC /3，则比较器 A2 的输出为 1，可使 RS 触发器置 1，使输出端 OUT=1。如果阈值输入端 TH 的电压大于 2VCC/3，同时 TR 端的电压大于VCC /3，则 A1 的输出为 1，A2 的输出为 0，可将 RS 触发器置 0，使输出为 0 电平。555定时器是一种数字与模拟混合型的中规模集成电路，应用广泛。外加电阻、电容等元件可以构成多谐振荡器，单稳电路，施密特触发器等。21.3典型应用(1)、构成单稳态触发器电路如图9、2所示，接通电源电容C充电（至2/3Vcc）RS触发器置0V0=0，T导通，C放电，此时电路处于稳定状态。当2加入VI1000PF,只要满足VI的重复周期大于tp0 ,电路即可工作，实现较精确的定时。图9、3 单稳态触发器图9、4 多谐振荡器(2) 多谐振荡器电路如图9、4所示，电路无稳态，仅存在两个暂稳态，亦不需外加触发信号，即可产生振荡（振荡过程自行分析）。电容 C在1/3Vcc-2/3Vcc之间充电和放电，输出信号的振荡参数为： 周期 T=0.7C(R1+2R2)频率 f=1/T=1.44/(R1+2R2)C, 占空比 D=( R1+R2 )/( R1+2R2)。555电路要求R1与R2 均应大于或等于1k ，使R1+R2 应小于或等于3.3M。 (3)密特触发器电路如图9、4所示。Vs为正弦波，经D半波整流到555定时器的2脚和6脚，当Vi上升到2/3Vcc时，V0从10;Vi下降到1/3Vcc时，V0又从01 。电路的电压传输特性如图9、5所示。回差电压：V=1/3Vcc. 图9、5 施密特触发器图9、6 电压传输特性2.3继电器继电器是一种电子控制器件，它具有控制系统（又称输入回路）和被控制系统（又称输出回路），通常应用于自动控制电路中，它实际上是用较小的电流去控制较大电流的一种“自动开关”。故在电路中起着自动调节、安全保护、转换电路作用。3总体方案设计3.1设计思路共设了7个用户输入键，其中只有4个是有效的密码按键，其它的都是干扰按键，若按下干扰键，键盘输入电路自动清零，原先输入的密码无效，电路进入计时工作状态,继电器不工作,密码按键变成无效,需要等待时间后重新输入；在还可以加入报警电路,如果用户输入密码的时间超过24秒（一般情况下，用户不会超过24秒，若用户觉得不便，还可以修改）。3.2总体方框图电源 继电器工作单稳启动 继电器不工作放电计时伪码电路启动伪码级联电路工作按密码执行电路工作二极管发光密码正确后级电路开启3.3设计原理分析电路由两大部分组成：继电器启动电路和密码锁电路。继电器启动电路是通过操作限时控制开关电路,是控制密码锁电路能否正常工作的电路。密码锁电路包含：操作顺序加次数控制电路、开关控制电路、伪码和封锁电路。本电路如下图1所示：图14设计和调试41操作限时控制开关电路本设计的操作限时控制开关电路的最初设计图如初图（1）。这部分电路由555电路（IC1）及R3、C1和继电器K1组成。IC1和R3、C1组成单稳态触发器，当按下SB1时单稳态触发器翻转，3脚输出高电平平使继电器K1吸合，将后级电源接通，为后面的操作限定24秒的时间。超过限定时间后，单稳态触发器自动复位，继电器K1将后级电源屡断开并使前面的操作失效。由于初步设计时，继电器的工作状态不太稳定，经过多次的试验和修改最后调试出了比较稳定电路，其图如最终设计图（）。初期设计部分图(1)最终设计部分图（）42伪码和封锁电路IC2和R7、C5组成单稳态触发器，此电路和IC1组成的电路的功能基本上是一样的，它是由伪码键控制。当按动伪码键的任一键时，电源经R1和按键首先使VT1导通，使IC1的强复位脚4脚经VT1接地，IC1被强行复位，3脚输出低电平，继电器K1断开后级电源。同时使VT2导通产生一个负向脉冲触发IC2翻转，IC2的3脚输出高电平，通过VD2、R5加至VT1的基极，使VT1在按键松开后继续保持导通，实现对IC1的封锁功能。这时即使再按SB1，IC1也不会动作。单稳态触发器IC1和IC2的单稳时间可根据实际需要来确定，其时间计算公式为T=1.1RTCT。其中IC1单稳时间由R3、C1来计算，IC2的单稳时间可由R7、C5来计算。通过多次的分析和研究，最后确定的方案如最终设计部分图（）。初期设计部分图()最终设计部分图（）43操作顺序加次数控制电路、开关控制电路操作顺序加次数控制电路由3只十进制计数器CD4017组成。其中C7-C9与R11-R13组成3个计数器各自的清零电路。按键SB5-SB7与R8-R10组成3只计数器的计数脉冲输入电路,SA1-SA3组成按动次数预置开关,通过预置开关可根据需要更换预置次数。VT3-VT4为了3级计数器的级联控制开关,开关的导通受上一级计数器输出的高电平的控制,只有上一级计数器达到了预置次数,它输出的高电平才会通过预置开关SA加至下一级开关管的基极使其导通,将下级计数器的接地端接通使其工作。此电路在工作时出现了很多问题非常不稳定，经过多次和老师一起分析研究终于找到了一个解决这问题的方法，就是把后两个集成电路IC3和IC4的8脚接上一个上拉电阻。这样电路就比较稳定，其原理图部分图如下：初期设计部分图()最终设计部分图（）经过2个多月的时间终于完成了这次的毕业设计。在设计过程中遇到了不少的问题，不过在老师的帮助下终于一一解决了，做出了一个比较不错的设计。5总结以上为实习期间所设计的电子密码锁电路，它经过多次修改和整理，以是一个比较不错的设计，可以满足人们的基本要求，但因为水平有限，此电路中也存在一定的问题，这需要一段时间的进一步改进，如果有好的意见，希望老师给以支持。通过这三个月的学习，我感觉有很大的收获。首先，通过学习使自己对课本上的知识可以应用于实际，使的理论与实际相结合，加深自己对课本知识的更好理解，同时实习也段练了我个人的动手能力。能够充分利用图书馆去查阅资料，增加了许多课本以外的知识。对我们学生来说，理论与实际同样重要，这是我们以后在工作中说明自己能力的一个重要标准。 通过自己的努力和老师的指导下，毕业设计终于完成了。看着两个多月的劳动成果，心里特别的激动。从查阅资料，到方案确定，到制作过程，到看到设计成功完成。最难忘的莫过于设计过程中所遇到的困难，以及和老师一起研究解决问题的过程了。从查阅资料开始明白了互相沟通与互相帮助的重要。我看完了老师介绍给我们的资料外，还到图书馆去查阅有关的资料，力求设计完美。而且我每看完一本都会交换对资料的意见与想法，遇到难懂的就找老师一起研究，一起解决。从制作过程懂得了事情总是曲折前进的。本以为方案确定了，元件购买好了，制作只是把元件焊接好就行了。到了制作的时候才知道自己的想法太简单了。我们为了安全起见，先在“万能板”上试验，把一个元件插上，又用电线连上，通上电源不行，才发现不是这条线松了，就是那个元件接触不良。每次接上电源前都满怀希望，但每次结果都让人失望。幸好我们对方案有足够的信心，在我们的坚持不懈下，方案终于成功。终于可以把元件焊接到真正的电路板上。从设计结果知道自己的不足。设计的完成了，也达到了方案的要求。但设计也存在不足。如外表不够美观，主要是没有将电路图做成PCB板，这是因为自己PROTEL学得不够好，加上将一个电路图做成PCB板需要比较多的材料与功夫，考虑到这些原因我们的电路图就没有做成PCB板了。如果做成PCB板可以把有元件排布