编码电子锁的设计与制作论文.doc

编码电子锁的设计与制作论文随着社会物质财富的日益增长，安全防盗已成为社会问题。而锁自古以来就是把守门户的铁将军，人们对它要求甚高，既要安全可靠地防盗，又要使用方便，这也是制锁者长期以来研制的主题。目前国内，大部分人使用的还是传统的机械锁。然而，眼下假冒伪劣的机械锁泛滥成灾，互开率非常之高。所谓互开率，是各种锁具的一个技术质量标准，也就是1把钥匙能开几把锁的比率。经国家工商局、国家内贸局、中国消协等部门对锁具市场的调查，发现个别产品的互开率居然超标26倍。弹子锁质量好坏主要取决于弹子数量的多少以及弹子的大小，而弹子的多少和大小受一定条件的限制。此外，即使是一把质量过关的机械锁，通过急开锁，甚至可以在不损坏锁的前提下将锁打开，提供了发展的空间。电子锁是第三代计算机防盗报警器的核心组成部分，用于识别用户身份的合法性。它有不少优点。例如保密性强，防盗性能好可以不需要钥匙，只要记住开锁的密码和方法，便可开锁,即方便又可避免因丢失钥匙带来的烦恼和损失。如果密码泄露,主人可以比较方便地设置新的开锁密码，不会造成损失，此外,编码电子锁将电子门铃和防盗报警与电子锁合为一体，实现了一物多用。由于以上诸多优点，编码电子锁能够广泛地应用于超市、住家、办公单位等许多场所。1 系统方案选择本次设计中分析了两种方案，一种是中规模集成电路控制的方案，另一种是单片机控制的方案。两中方案各有各的优缺点，通过以下两个方案的比较选择设计了其中一个方案。11 中规模集成电路控制方案一：采用集成电路控制。编码电子锁电路分为编码电路、控制电路、复位电路、解码电路、防盗报警电路、门铃电路。电子锁主要由输入元件、电路(包括电源)以及锁体三部分组成，后者包括电磁线圈、锁拴、弹簧和锁柜等。当电磁线圈中有一定的电流通过时，磁力吸动锁栓，锁便打开。用发光二极管代表电磁线圈，当发光二极管为亮状态时，代表电子锁被打开。每来1个输入时钟，编码电路的相应状态就向前前进一步。在这个操作过程中，如果按照规定的代码顺序按动编码按键，编码电路的输出就跟随这个代码的信息。正确输入编码按键的数字，控制电路通过整形供给编码电路时钟。一直按规定的编码顺序操作完，则解码电路驱动开锁电路把锁打开。在操作过程中，如果没有按照规定代码顺序按下数字键或按动了其他键，控制电路将驱动防盗报警电路产生报警信号。方案二：采用一种是用以at89s51为核心的单片机控制方案。利用单片机灵活的编程设计和丰富的io端口，及其控制的准确性，不但能实现基本的密码锁功能，还能添加调电存储、声光提示甚至添加遥控控制功能。电子密码的硬件以单片机AT89C51 为核心。AT89C51 是一种带4k 字节闪烁可编程、可擦除只读，存储器FPEROM（Falsh Programmable and ErasableRead Only Memory）的低电压、高性能CMOS 8 位微处理器。其外接12 个按钮组成的34 键盘，通过4511 和7406（或7407）等驱动电路与单片机相连，以实现密码等的显示功能;利用串行EPROM 存储器AT93C46 实现密码有效的永久保存。电子密码锁由键盘输入的识别、4位LED的显示、密码的比较、修改、存储、AT93C46 的读取与写入、报警和开锁控制电平的输出。根据框图，结合硬件结构，可以将键盘输入的识别用来作为系统的监控程序（主程序），用显示程序来延时，不断查询键盘。如果有键按下，就得到相应的键值。结合当前系统所处的状态，调用不同的操作模块，实现相应的功能。而执行模块主要有数字输入模块、确定键模块、修改键模块及显示模块。1.3 方案比较设计本课题时构思了两种方案：方案一是用锁存器74LS74、74LS00、74LS20和555基集成块构成的数字逻辑电路控制；方案二是用以AT89C51为核心的单片机控制。考虑到编码电子锁制作成本低，设计要求少，易实现控制要求，而单片机方案原理的复杂，调试较为繁琐，本人对数字电路基础较熟悉，有利于研究该课题。所以采用了方案一。2 编码电子锁各模块电路的设计2.1 基本芯片的分析本电路主要采用了二输入与非门74LS00，四输入与非门74LS20，双上升沿D触发器74LS74，555时基集成块电路。 其74LS00的逻辑功能是有0出1，无0出0。真值表如表2-1所示。74LS74的逻辑功能是当预置端PR、输入端D、清零端CLR均为高电平时，时钟端CLK有上升沿到来时，均会触发Q端输出高电平。真值表如表2-2所示。根据图2-1可知74ls20芯片的功能简单，包含两个4输入与非门，内含两组4与非门 第一组：1,2,4,5输入6输出。 第2组：9,10,12,13输入8输出。其逻辑功能是有0出1，无0出0，真值表如表2-3所示。555定时器是一种模拟-数字混合式集成定时器，有复位、置位和保持功能，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、单稳态触发器等脉冲产生与变换电路。在工业控制等诸多方面有很广泛的应用。利用时基集成块NE555组成了脉冲振荡电路。555引脚图如图2-2所示。555的引脚功能为：6脚为THR，触发器输入端，低电平有效；2脚为TRI，阀值输入端，高电平有效；4脚为RST，总复位端，低电平有效；7脚为DIS，放电端；5脚为CON，控制端；1脚接地，8脚接电源；3脚为输出端；TD为内部三极管。555时钟电路可以构成多谐振荡器，其功能表如表2-4所示。555的内部结构可等效成23个晶体三极管、17个电阻、两个二极管、组成了比较器，RS触发器等多组单元电路。特别是由三只精度较高5k电阻构成了一个电阻分压器。为上，下比较器提供基准电压，所以称之为555。555电路的内部电路方框图如图2-3所示。它含有两个电压比较器，一个基本RS触发器，一个放电开关T，比较器的参考电压由三只5K的电阻器构成分压，它们分别使高电平比较器A1同相比较端和低电平比较器A2的反相输入端的参考电平为 和 。A1和A2的输出端控制RS触发器状态和放电管开关状态。当输入信号输入并超过 时，触发器复位，555的输出端3脚输出低电平，同时放电，开关管导通；当输入信号自2脚输入并低于 时，触发器置位，555的3脚输出高电平，同时放电，开关管截止。是复位端，当其为0时，555输出低电平。平时该端开路或接VCC。Vc是控制电压端（5脚），平时输出 作为比较器A1的参考电平，当5脚外接一个输入电压，即改变了比较器的参考电平，从而实现对输出的另一种控制，在不接外加电压时，通常接一个0.01uf的电容器到地，起滤波作用，以消除外来的干扰，以确保参考电平的稳定。T为放电管，当T导通时，将给接于脚7的电容器提供低阻放电电路。2.2 编码电路的设计本系统的设计可使电子锁具有可编程多功能，它具有大于151200个(1098765)代码的编码。电路图如图2-4所示。由图可知，每来1个输入时钟，编码电路的相应状态向前前进一步。在操作过程中，按照规定的代码顺序，按动编码按键，编码电路的输出就跟随这个代码的信息。正确输入编码按键的数字，控制电路通过整形电路供给编码电路时钟，一直按规定编码顺序操作完，则驱动开锁电路把锁打开。2.4 解码电路的设计此电子锁预设的解码顺序S2,S6,S8,S9。按键S2(KEY=2)、S6(KEY=6)、S8(KEY=8)、S9(KEY=9)分别接在触发器U7A、U8B、U8A、U7B的CLK端, U7A的D=1,后面3个触发器的D端分别接在前面触发器的输出端Q上,此时满足DN+1=QN,所以四个D触发器组成一个右移位电路。当依次按下S2、S6、S8时,即给U7A、U8B、U8A触发信号时,其输出端Q依次为1。最后，当S9键被按下时，通过电阻R5与电源相接为高电平，S9键由低电平变为高电平，使得U7B产生上升沿通过限流电阻R4加到发光二极管LED1，发光二极管LED1发光(解锁成功)。而当按下其它的键时会引入低电平加到U6A，U6A输出高电平到U1D，U1D输出低电平到U7A、U8B、U8A、U7B进行清零并死锁。或虽是按下S2,S6,S8,S9但顺序不对时,因不能使U7A、U8B、U8A、U7B的输出端依次为1,也不能解锁。其电路图如图2-6所示。2.5 门铃及报警电路的设计如图2-7，由555定时器和外接元件R1、R2、C构成多谐振荡器，脚2与脚6直接相连。电路没有稳态，仅存在两个暂稳态，电路亦不需要外接触发信号，利用电源通过R1、R2向C充电，以及C通过R2向放电端 放电，使电路产生振荡。电容C在 和 之间充电和放电，从而在输出端得到一系列的矩形波，对应的波形如图2-8所示。门铃电路由555定时器连成的多谐振荡器构成，当按下门铃时电路接通电源产生约500Hz的振荡信号，同时按下清零/门铃按钮使74LS00和74LS74两个芯片置零实现清零的功能。报警电路也是由555定时器构成，报警时产生1KHz的信号，当输入密码后与寄存器连接的与门输出如果为高电平，则经过反相器后变为低电平，报警电路不产生振荡，如果与门输出为低电平，经过反相器后变为高电平，报警电路开始工作产生报警信号。按下清零/门铃按钮后可以实现对报警的解除，因为此时一个低电平信号与来自判断输出端的高电平信号相与否，为低电平信号，报警电路不工作。门铃及报警电路如图2-9所示。2.6 编码电子锁总电路设计编码电子锁总电路如图2-10所示。编码电子锁的工作原理：本编码电子锁电路设计由清零部分、解码部分、振荡部分、蜂鸣器输出部分组成，清零部分由74LS00D、74LS74D 等组成，当S10合上时，清零部分将四组74LSD的清零端CLR提供高电平，电路进入清零状态，当S10打开时，电路进入编码输入状态。第一个触发器D1接高电平，四个触发器CLK分别接按键S2、S6、S8、S9，形成BFHI编码。当按下S2时，U7A的CLK电平由高变低，松手后，电平由低变高，形成上升沿触发。D1输出端Q1=1，依次按S6、S8、S9，会使D2=Q1=1，D3=Q2=1，D4=Q3=1，Q4=1，将锁打开。若顺序不对，锁打不开的。U6A有三个输入端，一个通过S10接地，第二个与按键S1，S3，S4，S5，S7相连，这些按键若有一个按下，都将使D1-D4四个触发器置零，第三个经U2A，U2B及延时网络R1，C2与U1A相连，锁打开后，延时触发器复位。延时时间长短取决于R1，C2的大小。NE555与R10，R11，C2，C3等组成脉冲波发生器，通过U8B，U8A给蜂鸣器输出脉冲信号，以便发声。3 编码电子锁的制作3.1 PCB的设计从原理图到PCB的设计流程:建立元件参数输入原理网表-设计参数设置-手工布局-手工布线-验证设计复查-CAM输出。在PCB设计中,布线是完成产品设计的重要步骤,可以说前面的准备工作都是为它而做的,在整个PCB中,以布线的设计过程限定最高,技巧最细、工作量最大。我们在制作PCB中用的是单面板。布线的方式有两种：自动布线和手工布线，一般先进行自动布线，再进行手工布线。输入端与输出端的边线应避免相邻平行，以免产生反射干扰。必要时应加地线隔离，两相邻层的布线要互相垂直，平行容易产生寄生耦合。自动布线的布通率，依赖于良好的布局，布线规则可以预先设定，包括走线的弯曲次数、导通孔的数目、步进的数目等。一般先进行探索式布经线，快速地把短线连通， 然后进行迷宫式布线，先把要布的连线进行全局的布线路径优化，它可以根据需要断开已布的线。并试着重新再布线，以改进总体效果。参数设置相邻导线间距必须能满足电气安全要求,而且为了便于操作和生产,间距也应尽量宽些。最小间距至少要能适合承受的电压,在布线密度较低时,信号线的间距可适当地加大,对高、低电平悬殊的信号线应尽可能地短且加大间距,一般情况下将走线间距设为8mil。焊盘内孔边缘到印制板边的距离要大于1mm,这样可以避免加工时导致焊盘缺损。当与焊盘连接的走线较细时,要将焊盘与走线之间的连接设计成水滴状,这样的好处是焊盘不容易起皮,而是走线与焊盘不易断开。元器件布局实践证明,即使电路原理图设计正确,印制电路板设计不当,也会对电子设备的可靠性产生不利影响。例如,如果印制板两条细平行线靠得很近,则会形成信号波形的延迟,在传输线的终端形成反射噪声;由于电源、地线的考虑不周到而引起的干扰,会使产品的性能下降,因此,在设计印制电路板的时候,应注意采用正确的方法。3.2 编码电子锁元件清单编码电子锁元件清单如表3-1所示： 3.3 电路的焊接随着电子元器件的封装更新换代加快，电子发展已朝向小型化、微型化发展，手工焊接难度也随之增加，在焊接当中稍有不慎就会损伤元器件，或引起焊接不良，所以必须对焊接原理，焊接过程，焊接方法，焊接质量的评定，及电子基础有一定的了解。 焊接的步骤及方法:（1）从烙铁架上拿出电烙铁，以45度靠紧焊接面进行预热，将焊锡丝同时伸向被焊的组件脚及焊盘，一起接触被焊处； （2）焊锡丝熔化，向焊接处推入焊锡丝，使焊锡润湿焊盘与组件脚，当焊点上的焊锡成圆锥形时即抽离焊锡丝（应控制焊锡丝的熔化量不能过多，以免造成浪费）； （3）在焊锡完全熔化后，移去烙铁头。如焊锡过多，可把烙铁头上的焊锡甩干净，然后不用焊锡丝或极少量的焊锡丝重焊一遍，移去时正好吸去多余的焊锡， 如果焊点有连焊，也应将焊锡线与烙铁头一起接触在连焊的焊点之间，待焊锡丝与助焊剂一起熔化后，移去焊锡丝，再将烙铁头侧放着向下移走，吸去多余的焊锡； （4）如果要用电烙铁去除焊盘孔中的锡（ 即挑孔），应该将印制板拿高，把烙铁头置于比印制板低的位置，将烙铁头在焊盘孔上擦几下，可以将焊盘孔中的焊锡吸流到烙铁头上去；（5）将烙铁头上的多余焊锡甩在废锡盒中，再将电烙铁插入烙铁筒中。 在实际生产中，最容易出现的一种违反操作步骤的做法就是烙铁头不是先与被焊件接触，而是先与焊锡丝接触，熔化的焊锡滴落在尚末预热的被焊部位，这样很容易产生焊点虚焊，所以烙铁头必须与被焊件接触，对被焊件进行预热是防止产生虚焊的重要手段。 4 调试4.1 测试仪器万用表一只，示波器一台4.2 测试方法测试方法：在直流稳压电源通电测试之前，必须认真对安装电路进行检查。对电源变压器的绝缘电阻进行检测，以防止变压器漏电，危及人身和设备的安全。一般采用兆欧表测量一、二次绕组之间，各绕组与接地屏