数字式电子锁的设计与制作.docx

《数字电子技术基础》课程设计任务书

学生姓名： 专业班级：
指导教师： 工作单位：
题 目: 数字式电子锁的设计与实现
初始条件：
本设计既可以使用集成电路和必要的元器件等，也可以使用单片机系统构建数字密码电子锁。自行设计所需工作电源。电路组成原理框图如图1，数字密码锁的实际锁体一般由电磁线圈、锁栓、弹簧和锁柜构成。当线圈有电流时，产生磁力，吸动锁栓，即可开锁。反之则不开锁。
图1 数字式电子锁原理框图
要求完成的主要任务:
（包括课程设计工作量及技术要求，以及说明书撰写等具体要求）
1、课程设计工作量：1周。
2、技术要求：
1）课程设计中，锁体用LED代替（如“绿灯亮”表示开锁，“红灯亮”表示闭锁）。
2）其密码为4位二进制代码，密码可以通过密码设定电路自行设定。
3）开锁指令为串行输入码，当开锁密码与存储密码一致时，锁被打开。当开锁密码与存储密码不一致时，可重复进行，若连续三次未将锁打开，电路则报警并实现自锁。（报警动作为响1分钟，停10秒）
4）选择电路方案，完成对确定方案电路的设计。计算电路元件参数与元件选择、并画出总体电路原理图，阐述基本原理。安装调试设计电路。
3、查阅至少5篇参考文献。按《武汉理工大学课程设计工作规范》要求撰写设计报告书。全文用A4纸打印，图纸应符合绘图规范。
时间安排：
1、 年 月 日，布置课设具体实施计划与课程设计报告格式的要求说明。
2、 年 月 日至 年 月 日，方案选择和电路设计。
3、 年 月 日至 年 月 日，电路调试和设计说明书撰写。
4、 年 月 日，上交课程设计成果及报告，同时进行答辩。
指导教师签名： 年 月 日
系主任（或责任教师）签名： 年 月 日
数字式电子锁的设计与实现
摘要
本数字式电子锁设计由74芯片构成，由密码输入部分、密码设定部分、开锁部分和报警部分组成。本设计电路简单，并能实现要求中的所有功能。在实际生活中也有运用。
关键词：数字式电子锁 74芯片

目录
1 绪论 1
数字式密码锁简介 1
2 方案设计 1
3 芯片介绍 2
3.1 74ls194 2
3.2 74ls175 3
3.3 74ls161 4
3.4 74ls85 5
3.5 74ls00 6
3.6 74ls08 7
3.7 NE555 7
3.7.1 NE555引脚图 7
3.7.2 NE555相关应用 8
4 电路设计 10
4.1 密码输入电路 10
4.2 密码预置电路和开锁电路 10
4.3 报警电路 11
4.4 自锁电路 12
4.5 总电路图 13
5 仿真与调试 14
5.1 密码预置与输入的仿真 14
5.2 报警电路的仿真 15
5.3 蜂鸣器工作时间的仿真 15
6 实物图 16
7 小结与体会 16
8 参考文献 17

17 / 20
1 绪论
数字式密码锁简介
电子密码锁是一种通过密码输入来控制电路或是芯片工作，从而控制机械开关的闭合，完成开锁、闭锁任务的电子产品。它的种类很多，有简易的电路产品，也有基于芯片的性价比较高的产品。现在有的电子密码锁是以芯片为核心，通过连接电路来实现的，也有的是以单片机为核心以编程来实现的。不管是哪一种，其性能和安全性已大大超过了机械锁。其特点如下：
1) 保密性好，编码量多，远远大于弹子锁。随机开锁成功率几乎为零。
2) 密码可变，用户可以随时更改密码，防止密码被盗，同时也可以避免因人员的更替而使锁的密级下降。
3) 误码输入保护，当输入密码多次错误时，报警系统自动启动。
4) 无活动零件，不会磨损，寿命长。
5) 使用灵活性好，不像机械锁必须佩带钥匙才能开锁。
6) 电子密码锁操作简单易行，一学即会。
2 方案设计
方案一：由两片74HC151八选一数据选择器连接成十六选一数据选择器，数据选择器的通道信号由人工预置，数据选择器的输入端接寄存器的4个输出端，从而由数据选择器的输出端判断是否输入的密码和预置的密码相同。
方案二：用74ls85数据比较器。数据比较器的A0到A3连接寄存器的4个输出，B0到B3由人工预置。根据A0到A3和B0到B3的数值比较输出端来判断输入的密码和预置的密码是否相同。
方案一用到了两块74HC151芯片，跟方案二相比较，用的芯片较多，方案二较为简洁，故选择方案二。
3 芯片介绍
3.1 74ls194
194为4位双向移位寄存器，其逻辑图如下：
图3.1.1 74ls194逻辑图
引出端符号
CLOCK 时钟输入端
CLEAR 清除端（低电平有效）
A－D 并行数据输入端
DSL 左移串行数据输入端
DSR 右移串行数据输入端
S0、S1 工作方式控制端
QA－QD输出端
当清除端（CLEAR）为低电平时，输出端（QA－QD） 均为低电平。
当工作方式控制端（S0、S1）均为高电平时，在时钟（CLOCK）上升沿作用下，并行数据（A－D）被送入相应的输出端QA－QD。此时串行数据（DSR、DSL）被禁止。
当S0为高电平、S1为低电平时，在CLOCK上升沿作用下进行右移操作，数据由DSR送入。
当S0为低电平、S1为高电平时，在CLOCK上升沿作用下进行左移操作，数据由DSL送入。
当S0和S1均为低电平时，CLOCK被禁止。只有当CLOCK为高电平时S0和S1才可改变。
其真值表如下：
图3.1.2 74ls194真值表
3.2 74ls175
74ls175是用维持阻塞触发器组成的4位寄存器，其引脚图如下：
图3.2.1 74ls175引脚图
其功能表如下
清零
时钟
输入
输出
工作模式
RD
CP
Q0
Q1
Q2
Q3
Q0
Q1
Q2
Q3
0
×
×
×
×
×
0
0
0
0
异步清零
1
↑
Q0
Q1
Q2
Q3
Q0
Q1
Q2
Q3
数码保存
1
1
×
×
×
×
保持
数据保持
1
0
×
×
×
×
保持
数据保持
图3.2.2 74ls175功能表
3.3 74ls161
74LS161是常用的四位二进制可预置的同步加法计数器，他可以灵活的运用在各种数字电路，以及单片机系统种实现分频器等很多重要的功能，其引脚图如下：
图3.3.1 74LS161引脚图
管脚图介绍：
时钟CP和四个数据输入端P0~P3
清零/MR
使能CEP，CET
置数PE
数据输出端Q0~Q3 以及进位输出TC. (TC=Q0·Q1·Q2·Q3·CET)
其功能表如下：
图3.3.2 74LS161功能表
从74LS161功能表功能表中可以知道，当清零端CR=“0”，计数器输出Q3、Q2、Q1、Q0立即为全“0”，这个时候为异步复位功能。当CR=“1”且LD=“0”时，在CP信号上升沿作用后74LS161输出端Q3、Q2、Q1、Q0的状态分别与并行数据输入端D3，D2，D1，D0的状态一样，为同步置数功能。而只有当CR=LD=EP=ET=“1”、CP脉冲上升沿作用后，计数器加1。74LS161还有一个进位输出端CO，其逻辑关系是CO= Q0·Q1·Q2·Q3·CET。合理应用计数器的清零功能和置数功能，一片74LS161可以组成16进制以下的任意进制分频器。
3.4 74ls85
74ls85为4位数值比较器，引脚图如下：
图3.4.1 74ls85引脚图
85可进行二进制码和BCD码的比较，对两个4位字的比较结果由三个输出端（FA＞B，FA＝B，FA＜B＝输出。 将若干85级联可比较较长的字，此时低级位的FA＞B，FA＝B，FA＜B连接到高位级相应的输入A＞B、A＝B、A＜B，并使低位级的A＝B为高电平。
引出端符号
A0－A3 字A输入端
B0－B3 字B输入端
A＞B A＞B级联输入端
A＝B A＝B级联输入端
A＜B A＜B级联输入端
FA=B A等于B输出端
FA>B A大于B输出端
FAs00 为四组 2 输入端与非门（正逻辑），其逻辑图如下：
图3.5.1 74ls00逻辑图
引出端符号：
1A－4A，1B－4B 输入端
1Y－4Y 输出端
其真值表如下：
输入A
输入B
输出
H
H
L
H
L
H
L
H
H
L
L
H
图3.5.2 74ls00真值表
3.6 74ls08
74ls08 为四组 2 输入端与门（正逻辑），其逻辑图如下：
图3.6.1 74ls08逻辑图
引出端符号：
1A－4A，1B－4B 输入端
1Y－4Y 输出端
其真值表如下：
输入A
输入B
输出
H
H
H
H
L
L
L
H
L
L
L
L
图3.6.2 74ls08真值表
3.7 NE555
3.7.1 NE555引脚图

图3.7.1 NE555引脚图
Pin 1 -地线(或共同接地) ，通常被连接到电路共同接地。
Pin 2 -这个脚位是触发NE555使其启动它的时间周期。触发信号上缘电压须大于2/3 VCC，下缘须低于1/3 VCC 。
Pin 3 -当时间周期开始555的输出脚位，移至比电源电压少1.7伏的高电位。周期的结束输出回到O伏左右的低电位。于高电位时的最大输出电流大约200 mA 。
Pin 4 -一个低逻辑电位送至这个脚位时会重置定时器和使输出回到一个低电位。它通常被接到正电源或忽略不用。
Pin 5 -这个接脚准许由外部电压改变触发和闸限电压。当计时器经营在稳定或振荡的运作方式下,这输入能用来改变或调整输出频率。
Pin 6 - Pin 6重置锁定并使输出呈低态。当这个接脚的电压从1/3 VCC电压以下移至2/3 VCC以上时启动这个动作。
Pin 7 -这个接脚和主要的输出接脚有相同的电流输出能力，当输出为ON时为LOW，对地为低阻抗，当输出为OFF时为HIGH，对地为高阻抗。
Pin 8 -这是555个计时器IC的正电源电压端。供应电压的范围是+4.5伏特(最小值)至+16伏特(最大值)。
3.7.2 NE555相关应用
3.7.2.1 多谐振荡器
电阻R1、R2和电容C1构成定时电路。定时电容C1上的电压UC作为高触发端TH（6脚）和低触发端TL（2脚）的外触发电压。放电端D（7脚）接在R1和R2之间。电压控制端K（5脚）不外接控制电压而接入高频干扰旁路电容C2（0.01uF）。直接复位端R（4脚）接高电平，使NE555处于非复位状态。
多谐振荡器的放电时间常数分别为
tPH≈0.693×（R1+R2）×C1
tPL≈0.693×R2×C1
振荡周期T和振荡频率f分别为
T=tPH+tPL≈0.693×（R1+2R2）×C1
f=1/T≈1/[0.693×（R1+2R2）×C1]
图3.7.2.1 多谐振荡器
3.7.2.2 单稳态触发器
NE555的高触发端TH（6脚）和放电端D（7脚）接RC定时电路，低触发端TL（2脚）外接触发信号。
单稳态触发器的定时时间就是输出脉冲的宽度Tw。
Tw≈1.11×R1×C1
图3.7.2.2 单稳态触发器
3.7.2.3 RS触发器
当6脚（相当于R端）电压高于（2/3）VCC时，输出为低电平。当2脚（相当于/S端）电压低于（1/3）VCC时，输出为高电平。
图3.7.2.3 RS触发器
4 电路设计
4.1 密码输入电路
密码输入电路由74ls194、74ls175、74ls00组成，我们采用74ls194移位寄存器进行串行输入，74ls175寄存器进行输出，如图所示：
图4.1 密码输入电路
74ls194我们采用右移方式，在SR引脚处接了一个单刀双掷开关进行高低电平的选择，KEY1为输入按键，每当KEY1按下，就产生了一个脉冲clk1,SR的值就输入到移位寄存器中。
74ls194的输出接了一个74ls175寄存器。寄存器由KEY2提供脉冲clk2，没有脉冲时，寄存器不工作，74ls194的输出不能通过寄存器输入到电子锁中，即输入的密码不能输出；当按下KEY2时，74ls194的4个输出就通过寄存器输入到电子锁中，从而达到4位密码同时输入的作用，所以KEY2为确定输入开关。
4.2 密码预置电路和开锁电路

密码预置电路和开锁电路由74ls85、74ls08和74ls00组成，如图所示：
图4.2 密码预置电路和开锁电路
74ls85数据比较器的A0到A3输入连接的是寄存器的输出，即输入的密码，而74ls85数据比较器的B0到B3连接的是4个单刀双掷开关，我们可以通过拨动这些开关使得B0到B3输入不同的高低电平，之后和A0到A3的数值进行比较，进行输出，比较结果相同绿灯亮，比较结果不同，红灯亮，所以四个单刀双掷开关的作用是进行密码预置，数据比较器的作用就是进行密码对比然后输出比较的结果。
4.3 报警电路
报警电路由74ls161、74ls08和NE555组成，如图所示，图中NE555连接成了多谐振荡器。
图4.3 报警电路
74ls161计数器的输入脉冲为clk2，而clk2由密码输入电路的KEY2产生，KEY2每按一次，产生一个clk2脉冲，计数器计数一次，当计数器输出Q1Q0为11时（KEY2按下三次），密码输入三次，与门输出为1NE555开始工作，NE555的3脚输出高电平，三极管导通，蜂鸣器开始工作，响的时间和停止的时间根据多谐振荡器接的电阻和电容来取值。
4.4 自锁电路
本设计中自锁电路分为两部分，一个是三次密码错误后自锁并让蜂鸣器工作，另一个是输入密码正确之后自锁，如图4.4.1、图4.4.2、图4.4.3所示：
图4.4.1 图4.4.2
图4.4.1中74ls161计数器的1脚连接的是数据比较器输出端的与门，图4.4.2中74ls194的9脚S0连接的也是数据比较器输出端的与门。当密码输入正确时，与门输出为0,74ls161的1脚输入为0，处于清零状态，74ls161的输出一直为0，NE555不能工作，同时74ls194的9脚输入为0，74ls194为保持状态，不能再输入密码，整个电子锁无法工作，起到了自锁的作用。
图4.4.3中在报警电路的与门输出端接了一个三极管，当密码输入三次错误时，报警电路工作，与门输出为1，三极管导通，KEY2确定输入密码按键无法工作，时钟脉冲消失，取代的是一个高电平，没有脉冲74ls175无法工作，也起到了锁的作用 。
图4.4.3
4.5 总电路图
图4.5 总电路图

5 仿真与调试
5.1 密码预置与输入的仿真
我们设定密码为1100，则输入1111时，输入错误，红灯亮，如图5.1.1；输入1100时，输入正确，绿灯亮，如图5.1.2。

图5.1.1 输入错误

图5.1.2 输入正确

5.2 报警电路的仿真
输入三次错的密码时，报警电路启动蜂鸣器工作，如图5.2。
图5.2 报警电路的仿真
5.3 蜂鸣器工作时间的仿真
经过仿真，蜂鸣器工作时间为59秒，停顿时间为6秒，和要求有一些误差，
不过是在误差允许的范围内的。

6 实物图

7 小结与体会
本次设计的数字式电子锁与其他的电子锁原理是一致的，设计出的电子锁价格低廉，密码设定和输入简单方便，
通过本次电路设计和数字式电子锁设计论文的书写使自己对课本知识可以应用于实际，使得理论与实际相结合，加深了对课本知识的理解，也加深了对数字电子电路的理解，并利用去图书馆查阅资料，增加了许多课本以外的知识。
8 参考文献
[1]《新型集成电路的应用―电子技术基础课程设计》，梁宗善主编，华中科技大学出版社。
[2]《电子技术基础课程设计》，孙梅生等编著，高等教育出版社
[3]《数字电子电路与逻辑设计》，刘可文，科学出版社
[4]《电子线路设计·实验·测试》第三版，谢自美 主编，华中科技大学出版社
[5]《proteus教程》，百度文库