实验报告双钮电子锁.doc

数字电路课程设计报告

学校：华南师范大学
院系：信息光电子科技学院
班级：10级信息工程1班
姓名：
学号：

目 录
1.设计任务………………………………………………………………………03
1.1设计题目…………………………………………………………………03
1.2设计要求…………………………………………………………………03
2设计思路………………………………………………………………………03
2.1分模块设计思路…………………………………………………………03
2.2各模块名称及功能描述…………………………………………………04
2.3电路总系统框图…………………………………………………………05
3. 设计步骤………………………………………………………………………05
3.1 输入电路…………………………………………………………………05
3.2 密码数值比较电路………………………………………………………06
3.3 密码位数统计电路………………………………………………………08
3.4 密码正确性判别电路……………………………………………………09
3.5 输出电路…………………………………………………………………11
3.6 闭锁的路…………………………………………………………………12
4. 心得体会………………………………………………………………………13
5. 电路资料………………………………………………………………………14
5.1 仿真电路图………………………………………………………………14
5.2 硬件图……………………………………………………………………15
5.3 电路原件…………………………………………………………………16

数字电路课程设计:双钮电子锁
一、 设计任务
1.1 设计题目
双钮电子锁
1.2 设计要求
① 有两个按钮A和B，开锁密码可自设，如（3、5、7、9）；
② 若按B钮，则门铃响；（滴、嗒…）；
③ 开锁过程：按3下A，按一下B，则3579中的“3”即被输入；接着按5下A，按一下B，则输入“5”；依此类推，直到输入完“9”，按B，则锁被打开——用发光管KS表示；
④ 报警：在输入3、5、6、9过程后，如果输入与密码不同，则报警；用发光管BJ表示，同时发出“嘟、嘟……的报警声音；
⑤ 用一个开关表示关门（即闭锁）。

二、 设计思路
2.1 分模块设计思路
① 双钮的构成
根据要求，首先必须给电路设置一个信号输入端，该输入端包括两个按键，分别是用于输入密码信号的按键“A”，用于启动门铃以及密码输入确认的按键“B”。由A和B构成双钮。
② 闭锁的表示
输入端的另一个部分。用一个微触开关表述关门（即闭锁），让电路返回初态。
③ 密码的预设与判别
为电路预设一个开锁密码，用于与输入密码进行比较。
设置恰当的密码判别电路用于判别输入密码的正确与否，由于预设密码是唯一的，所以电路的判别依据必须包括两个方面，分别是密码的数值校验和密码位数统计。
③ 输出电路
输出电路用来输出系统作用的结果。有三个主要部分，分别是开锁（密码正确时）、报警（密码错误时）和响铃（门铃电路启动时）。

2.2 各模块名称及功能描述
本电路设计主要分为五大模块，各模块名称及功能简要概括如下表：
模块名称
模块功能
输入端
双钮输入电路，用于输入密码或启动门铃；清零按键C用于闭锁的表示。其结果输出至相应的模块作为输入信号。
密码数值校验端
用于检验输入密码的数值与预置密码是否一致，并将检验结果输出至密码判别端。
密码位数统计端
用于统计输入密码的位数与预置密码是否一致，并将计数结果输出至密码判别端。
密码正确性判别端
通过密码数值校验及位数计数结果判别密码的正确性。做出相应的输出，并把结果送至输出端。
输出端
包括门铃电路，报警电路和开锁指示电路。接收到输入端按铃信号则启动门铃，接收到密码判别端的正确信号则开锁，错误则报警。
表1 双钮电子锁电路各模块名称及功能
2.3 电路总系统框图
系统框图如（图1）所示：

图1 双钮电子锁电路总系统框图
三、 设计步骤
3.1 输入电路
本电路所选用的微触开关具有抖动特性，经过测试，可知未经过任何消抖动处理的开关在触发时，一般会产生6~10个抖动波形。而本电路对开关的触发特效有着严格的要求，稍有抖动都将使计数器产生错误的输出，所以设计输入电路必须是消除抖动的。
通过555定时器搭设的单稳态电路可以实现消除开关抖动。经过实际原件测试，当单稳态维持时间达到0.2s以上时，有良好的在抖动效果。
原件参数选择根据555定时器搭设单稳态的脉宽计算公式：
Tw = 1.1RC
可取R2=22KΩ，C2=10uF，则脉冲宽度：
Tw = 1.1*22* 10*0.001 = 0.242 s
其他参数 C1 = 0.01uF
输入电路的单稳态电路如下图：

图2 555定时器构成的单稳态电路

3.2 密码数值校验电路
3.2.1 单位密码的校验
单位密码校验的功能为：
① 接收按键A输入的1位密码；
② 接收控制信号产生的判别密码；
③ 将以上两者比较输出。
利用74HC161计数器将输入密码的数值转为二进制数输出，如何输出端分为两路，一路直接接入模拟开关cd4053，一路通过74HC04非门再接入cd4053。
这样，只需要将实现预置的密码作为模拟开关cd4053的控制信号来控制161计数器的四个输出结果哪些通过要非门哪些不通过，再将cd4053的另一端用74hc08相与即可将正确的密码判别出来。这一过程利用proteus7.5进行仿真，为使结果清晰，这里省略消除抖动电路和161计数器Q3端的接入，结果如下：

图3 单位密码校验模块
假设单位密码是3，这里控制信号可设为0011，当A键键入三次，再B键键入一下（确认）时，仿真模块最终的输出结果为1，当A键键入其他次数，按B键确认时，仿真模块最终的结果输出为0。
利用逻辑分析仪分析，A0表示按键A，A1表示按键B，A3表示判断结果，见图四。

图4 单位密码校验分析

3.2.2 多位密码的校验
多位密码校验的功能是：
① 产生控制信号；
② 储存每一位密码的判别结果；
③ 清零单位密码校验模块。
这里的控制信号是指能控制图3中cd4053模拟开关的信号。
显然，多位密码的校验是通过控制信号实现的。其实所谓的控制信号即为预设密码。设计要求电子锁带四位密码，每一位密码分别可一个二进制码组构成的控制信号表示。
所以，可以通过设计同步时序逻辑电路来实现。电路的形式是由预置密码决定的，可通过状态化简，状态分配，触发器选择确定状态方程，从而最终确定电路的形式，这里便不再累述。
同步时序逻辑电路完成后，按A键输入密码，由按键B作为触发脉冲，将单位密码判别模块对所输入的这一位密码的判别结果送至74hc194移位寄存器，同时转而进行下一密码的校验以及清零单位密码校验模块。
假设所预置的密码为1 3 5 7，由于此密码的具体特性，这里也可以通过161计数器代替触发器实现，从而极大地简化电路。记密码数值校验模块输出为check，具体电路如下。

图5 多位密码校验模块
当依次输入密码1 3 5 7时，仿真结果Check都为1，否则会出现0。
3.3 密码位数统计电路
此模块作用是统计输入密码的位数，并与预置密码的位数（4位）进行比较，将比较的结果输出，此模块可用161计数器实现，利用按键C清零计数器后，每按键B一次则计数一次，最终结果用计数器输出端Q2直接表示。
此部分的电路虽然简单，但却是至关重要的，它直接影响这输出能否实现，所以必须单独把它当做一个独立的模块看待。记模块输出为Count电路如下图：

图6 密码位数统计模块

3.4 密码正确性判别电路
此模块是密码校验的终端，也是输出模块的前端。它通过逻辑门电路将3.2的结果Check(四个数值)和3.3的结果Count进行整合，只有的密码数值和位数都正确时，该端最终的判决结果才为正确，并将结送至输出端的Unlock使之开锁，否则判断为错误，将结果送至输出端的Alert，启动报警电路。
设计的思路是利用密码校验结果来控制输出是开锁还是报警，利用密码位数统计结果触发输出。电路具体接法为：
① 利用74hc194移位寄存器输出Check的结果，Check作为cd4053模拟开关的控制信号；
② 利用74hc161计数器输出Count的结果，Count作为输出电路的控制信号；
③ 利用cd4053进行Alert，Unlock的判别。
该部分的电路图如下：

图7 密码正确性判别
当输入密码1 3 5 7时，利用逻辑分析仪分析。A0表示按键A，A1表示按键B，A3到A6分别表示移位寄存器输出的DO到D3，结果见下图：

图8 密码判别分析

3.5 输出电路
输出电路包括三部分：门铃电路，报警电路，开锁电路
3.5.1 门铃电路
通过555定时器搭设多谐振荡器可以实现门铃电路，记为电路Bell。仿真如图9所示。
该电路的工作原理为当按下按钮B，振荡器振荡，振荡频率f1，扬声器发出“叮”的声音。与此同时，电源通过二极管D2给C3充电。放开按钮时，C3便通过电阻R4放电，维持振荡。但由于AN的断开，电阻R3被串入电路，使振荡频率有所改变，计为f2，扬声器发出“咚”的声音。直到C3上电压放到不能维持555振荡为止。“咚”声的余音的长短可通过改变C3的数值来改变。

图9 门铃电路
根据555定时器搭设多谐振荡器的频率计算公式：
f = 1.43÷ [(Rx+2Ry)*C]
取R1 = 20KΩ ，R2 = 20KΩ ,R3 = 30KΩ , C2 = 0.047 uF，则：
f1 = 1.43÷ [(20+40)*0.0473]*1000 = 504 Hz
f2 = 1.43÷ [(30+20+40)*0.0473]*1000 = 335 Hz
为使门铃发声有合适的长度，经测试选C3 = 4.7 uF。
其他参数为：R4 = 47KΩ ，C1 =0.01 uF。
3.5.2 其他输出电路
其他输出电路如图5，包括开锁Unlock部分和报警Alert。这里分别用一个绿色LED灯表示开锁；用一个红色LED灯表示加报警器表示警报。报警器可用555搭设多谢振荡器，555的4脚接在报警电平上，输出接一个有源蜂鸣器。这样当密码错误时，报警电平为高，振荡器工作便可发出嘟嘟嘟的报警声。
,3.6 闭锁电路
当门由开至关转变时，则触发闭锁电路。这里用按键C的触发来表示闭锁，显然，闭锁时就是让整个电路恢复到初始工作状态，等待用户密码的输入。通过按键C将以上所述的IC全部清零即可实现功能。由于电路简单这里不再附图说明。
四、 心得体会
① 设计篇
设计过程中出现的各种问题，基本上都能从自己以前所学过的知识中找到解决方案，这句话的前提是要记得自己以前学过什么。
课本是很好的设计辅助工具，但也是一个束缚思维的牢笼。设计时不要被课本所禁锢，如果恰当选用一些课本未曾提及的IC，可以大幅度地简化电路，降低难度。
多和别人讨论定是极好的，无论是否与自己同一个课题，都会有收获。
同学们总喜欢拿使用IC个数来衡量课题难度，但这是不科学的，同一个课题用不同方案实现同样的功能所选用的IC数目可能相差很大，少者更精。
设计时如果只一味地考虑如何精简IC来实现功能是也不行的，有时候IC是精简了，但购买材料的成本却提高了。机关算尽到最后只能当冤大头。
② 焊接篇
电路版的选择，原件的焊接方式和连接方式直接影响了焊接的难度。要合理选择。
焊接不仅是一个体力活，更是一个脑力活。动手能力强弱是决定成功与否的关键因素。
不能眼高于手，即使你考试考了90分也不一定懂得如何去连接一个最简单的开关。
良好的焊接装备能让自己事半功倍。
③ 检查篇
理论与实际总有一些不同，即使设计无误，仿真无误，焊接无误也未必能得到正确的结果。所以要细心检查，及时发现问题并解决问题。
出现错误的原因很多，每个IC的管脚，每条导线，每条焊缝都掐着整个电路的命门。

五、 电路资料
5.1 仿真电路图

图11 仿真电路

5.2 硬件图

图12 硬件图（正面）

图13 硬件图（背面）
5.3 电路原件
原件名称
型号参数
数量
同步四位二进制计数器
74HC161
2
四位双向通用移位寄存器
74hc194
1
两输入端四与门
74hc08
2
两输入端四非门
74hc04
1
三2通道数字控制模拟开关
Cd4053
1
时基芯片
NE555
6

LED
红
2
绿
1

电容
电解电容10uF
3
电解电容4.7uF
1
瓷片电容0.01uF
3
瓷片电容0.047uF
1

电阻
100Ω
2
1KΩ
6
20KΩ
2
22 KΩ
3
30 KΩ
1
47 KΩ
1
200KΩ可调电阻
2
微触开关
单刀双掷
1
按钮
自动起弹
3
蜂鸣器

2
万用板
13cm×15cm
1
IC座

若干
杜邦线、排阵排母

若干

16