三功能电子锁设计报告.doc

1、三功能电子锁设计报告目录一、设计任务和要求02（一）三功能电子锁功能简要说明02（二）任务和要求02二、设计方案的简介与论证03（一） 三功能电子锁设计总体方案介绍03（二）三功能电子锁方案详细论证04（）优先编码模块04（）密码寄存模块06（）密码比较模块08（）密码防破解模块09（）门铃按钮延迟模块11三、电路总体设计介绍与仿真结果分析12（一）电路总体设计介绍12（二）仿真结果以及分析14四、个人总结与心得体会17五、主要芯片介绍18（一）优先编码器 74LS147 介绍18（二）集成芯片 74HC175 介绍19（三）计数器 74ALS160 介绍20（四）5 55 定 时 器 介 绍

2、 21六、主要参考文献22一、设计任务和要求（一）三功能电子锁功能简要说明电子锁保密性强，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，既方便又可避免因丢失钥匙带来的麻烦和损失。若密码泄露，主人可以方便地设计新的开锁密码，不会造成损失。此外，三功能电子锁将电子门铃、防盗报警器和电子锁合为一体，实现一物多用。（二）任务和要求1、十个按钮作为输入元件。其中一个供门铃专用，另外九个为编码按钮 19。2、用蜂鸣片作为电声元件。当人的手指触及门铃按钮时，蜂鸣器发出间歇式声响。手碰一次门铃按钮，蜂鸣器断续响约三秒钟后自动停止。3、用发光二极管作为输出指示灯，它的亮与暗代表锁“开”与“不开

3、” 。4、自己规定开锁编码，并按此编码设计电路。新编码为四位，每位数字不超过 9。例如，若将开锁编码设为 3 5 9 6 ，那么当人的手指依次先后触及 3 号，5 号，9 号，6 号按钮后，发光二级管由暗变亮，便是电子锁打开。如果触及的按钮的号码和开锁编码不符，或者顺序不对，则发光二极管不会有暗变亮，即打不开锁。5、设计电路时，不仅应想方设法使不知道开锁密码的人打不开电子锁，而且应当使电子锁具有防盗报警功能，例如开锁者的手触及按钮的号码与开锁编码不符或顺序不对时，蜂鸣器发出两种频率交替的“滴嘟、滴嘟”的声响。6、如果主人开锁发生错误操作，则只要用手碰一下门铃按钮，便可以将已经输入的所有信息清除

4、。二、设计方案的简介与论证（一） 三功能电子锁设计总体方案介绍三功能电子锁系统主要包括六部分：优先编码模块、输入密码寄存模块、设置密码寄存模块，密码比较模块、密码防破解模块、门铃按钮延迟模块。其流程图大致如下：优先编码模块输入密码寄存模块 设置密码寄存模块密码比较模块密码防破解模块(即计数器 )门铃按钮延迟模块开 锁 不开锁与 门密码设置开关清零接受脉冲清 零方案采用优先编码器将 19 九个数字进行二进制编码，编成四位二进制数，当密码设置开关打开时，输入密码寄存模块和设置密码寄存模块同时接受输入信号，进行移位寄存，当存入四位密码后，输入密码寄存模块和设置寄存模块密码一致，锁打开；关闭密码设置开

5、关，按一下门铃按钮，输入密码寄存模块置零，输入密码寄存模块和设置寄存模块密码不一致，电子锁进入锁定状态；当连续十二次输入错误密码时（即输入三组密码） ，密码防破解模块也就是计数器将接收到十二次脉冲，输出高电平，通过蜂鸣器报警；当输入正确密码时，输入密码寄存模块和设置寄存模块密码一致，锁打开，同时对计数器清零；当按下门铃按钮时，门铃响约三秒钟，同时对输入密码寄存模块置零。（二）三功能电子锁方案详细论证（1）优先编码模块优先编码模块主要采用 74LS147 优先编码器组成，输入采用按钮式开关，74LS147 优先编码器的输入和输出都是低电平有效，所以按钮式开关连线如图所示，当按下开关时，输入有效电

6、平低电平；如果同时按下多个按钮时，74LS147 优先编码器只对较大的数字进行编码；当按钮没有被按下时，74LS147 优先编码器接收到的都是无效电平高电平，此时不编码，输出仍为无效电平高电平。在下图所示的电路图中，当按下号按钮，其四位二进制码为，但由于 74LS147 优先编码器输出低电平有效，故为，电压表显示如下：U574LS147NA 9B 7C 6D 14313 4152212 11185 7463910V25 V XMM2XMM3XMM4XMM511121314J1Key = Space0J2Key = SpaceJ3Key = SpaceJ4Key = SpaceJ5Key = S

7、paceJ6Key = SpaceJ7Key = SpaceJ8Key = SpaceJ9Key = Space1987654231000（）密码寄存模块输入密码寄存模块和设置密码寄存模块原理一致，都采用四片 74HC175 集成芯片组成。74HC175 集成芯片有四片 D 触发器，四个 D 触发器的 CLK 和清零 R 各连在一起。四片 74HC175 集成芯片按下图连接线路，组成了四个四位的移位寄存器。U474HC175D_4V1D4CLK91Q 2CLR12D5 3D124D131Q 32Q 63Q 103Q 112Q 74Q 154Q 14U174HC175D_4V1D4CLK91Q

8、2CLR12D5 3D124D131Q 32Q 63Q 103Q 112Q 74Q 154Q 14V15 V U274HC175D_4V1D4CLK91Q 2CLR12D5 3D124D131Q 32Q 63Q 103Q 112Q 74Q 154Q 14U374HC175D_4V1D4CLK91Q 2CLR12D5 3D124D131Q 32Q 63Q 103Q 112Q 74Q 154Q 14U6A74LS20DXMM2XMM3 XMM4XMM5C11F由于第二个 D 触发器的输入接在第一个 D 触发器的Q端，所以第二个 D 触发器的输出总与第一个 D 触发器的上一个状态相反。因为输入的九个

9、数字 19 的二进制编码总含有 0，当没有输入的时候，优先编码器的输出为高电平，所以当输入密码时，四输入的与非门 74LS20D 会产生一个脉冲，作为移位寄存器的 CLK 信号。在如上所示的电路图中，若输入、四个密码后，四个电压表的输出如下：输入密码寄存模块和设置密码寄存模块的区别：输入密码寄存模块和设置密码寄存模块的电路的输入端并联在一起，输入密码寄存模块直接接受四输入的与非门 74LS20D 的脉冲信号，而设置密码寄存模块的 CLK通过与门 74AS08N 连接到 74LS20D 上，从而实现对设置密码寄存模块的控制，同时将设置密码寄存模块的置零端 R 也通过开关接到电源上，当密码丢失时可

10、以通过次开关对密码密码进行清零操作。电路图如下所示。当两个开关都拨到上边时，两个模块都对输入的密码进行移位寄存；当第一个开关拨到下边，第二个开关拨到上边时，设置密码寄存模块进入锁定状态；当第二个开关拨到下边时，对寄存的密码进行清零操作。U474HC175D_4V1D4CLK91Q2CLR12D5 3D124D13 1Q32Q63Q103Q12Q74Q154Q14U174HC175D_4V1D4CLK91Q2CLR12D5 3D124D13 1Q32Q63Q103Q12Q74Q154Q14V14 V U274HC175D_4V1D4CLK91Q2CLR12D5 3D124D13 1Q32Q63Q

11、103Q12Q74Q154Q14U374HC175D_4V1D4CLK91Q2CLR12D5 3D124D13 1Q32Q63Q103Q12Q74Q154Q14123 4 5678 910112017U6A74LS20DXM2XM3 XM4XM50 00 0141516R11kC11uF3U774HC175D_4V1D4CLK91Q2CLR12D5 3D124D13 1Q32Q63Q103Q12Q74Q154Q14U874HC175D_4V1D4CLK91Q2CLR12D5 3D124D13 1Q32Q63Q103Q12Q74Q154Q14V35 V U974HC175D_4V1D4CLK91

12、Q2CLR12D5 3D124D13 1Q32Q63Q103Q12Q74Q154Q14U1074HC175D_4V1D4CLK91Q2CLR12D5 3D124D13 1Q32Q63Q103Q12Q74Q154Q14XM6XM7 XM8XM953 5251 500000045443424140393837363534U574LS147NA9B7C6D1431341 52 2121185 74 63910V25 V J1Key = SpaceJ2Key = SpaceJ3Key = SpaceJ4Key = SpaceJ5Key = SpaceJ6Key = SpaceJ7Key = Space

13、J8Key = SpaceJ9Key = Space605958575655449471820212013U12B74AS08N2425V55 V J1919230462648（）密码比较模块在上图中，当对应的输出端电位一致时开锁，只要有一个不一致就不能开锁，所以其电路图如下所示，由于在元件库中同或门比较少，所以采用异或门74LS86D，当对应输出端一致时，异或门 74LS86D 输出为零。再通过或非门 74LS02D 将异或门 74LS86D 的输出连在一起，此时或非门 74LS02D 的输出为。最后通过八输入的与非门 74ALS30 将所有的或非门 74LS02D 的输出连在一起，此时与非

14、门 74ALS30 的输出应为零。即当上下密码一致时，输出为零;不一致时，输出为高电平。U16A74LS86DU17A74LS86DU1A74LS86DU19A74LS86DU20A74LS86DU21A74LS86DU22A74LS86DU23A74LS86DU24A74LS86DU25A74LS86DU26A74LS86DU27A74LS86DU28A74LS86DU29A74LS86DU30A74LS86DU32A74LS86DU34A74LS02DU36A74LS02DU37A74LS02DU39A74LS02DU40A74LS02DU41A74LS02DU42A74LS02DU43A

15、74LS02DU4474ALS30AM（4）密码防破解模块密码防破解模块主要有计数器组成，芯片采用 74160N。连线如图所示，74160N 输入接地，在其输出端采用与门将第一片的 B 输出端与第二片的 A 输出端连到一起，当接收到十二个脉冲时，与门输出高点，通过非门变成低电平，再通过将输入的 CLK 信号锁住，从而使计数器停止计数，锁定在此状态，同时蜂鸣器接收到高电平，发出响声。当把清零开关拨到低电平时，对计数器清零，响声停止。当接收十二个脉冲时图中所示示波器的图像如下，当 B通道接收 12 个脉冲后，A 通道变成高电平，同时蜂鸣器发出声音，当按下置零开关时，A 通道变成低电平，蜂鸣器响声停

16、止。U1574160NQA 14QB 13QC 12QD 11RCO 15A3 B4C5 D6ENP7 ENT10LOAD9 CLR1CLK2V25 V U4574160NQA 14QB 13QC 12QD 11RCO 15A3 B4C5 D6ENP7 ENT10LOAD9 CLR1CLK2U46B74AS08NU31BUZZER3000 Hz U33B74AS08NU35A74LS04NJ1Key = A J2Key = SpaceXSC1A BExt Trig+_ + _（5）门铃按钮延迟模块门铃按钮延迟模块主要是由 555 定时器组成的单稳态触发电路，其连线如下图所示：VCCOUTU15

17、55_TIMER_RATEDGNDDISRSTTHRCONTRIC10.0001uF R127.8kC21uF V112 V 1420V25 V U2BUZZER3200 Hz 0XSC1A B C DGTJ1Key = Space5306单稳态触发电路接受的为负脉冲，所以其开关连线如上所示，常态下触发端为高电平，档案一下按钮时，触发端接收到一个负脉冲，555 定时器的 OUT 输出端输出一个宽度为 t 的正脉冲，同时蜂鸣器鸣响约 t 秒钟。输出脉冲的宽度 t 等于暂稳态的持续时间，而暂稳态的持续时间取决于外接电阻 R 和电容 C 的大小。其计算公式如下：t=RCln3=1.1RC在上图所示的

18、 R=27.8k， C=1uF。所以 t=0.03 秒。（说明：在总电路中需要将 R 扩大 100 倍，才能使 t=3 秒，满足课程设计要求。 ）当按下按钮开关后，示波器的波形如下：三、电路总体设计介绍与仿真结果分析（一）电路总体设计介绍将前面各个模块进行连接和调试后，得到电路图总体设计图如下图所示。、通过与门控制设置密码移位寄存模块的 CLK 信号，从而实现任意设置密码的功能。、将开锁信号引入计数器的清零端，如图所示，当锁打开时，对计时器进行一次清零；当输入十二个错误密码号，计数器接收到十二个脉冲信号，输出高电平，发U474HC175D_4V1D4CLK91Q2CLR12D53D124D13

19、 1Q32Q63Q103Q12Q74Q154Q14U174HC175D_4V1D4CLK91Q2CLR12D53D124D13 1Q32Q63Q103Q12Q74Q154Q14U274HC175D_4V1D4CLK91Q2CLR12D53D124D13 1Q32Q63Q103Q12Q74Q154Q14 U374HC175D_4V1D4CLK91Q2CLR12D53D124D13 1Q32Q63Q103Q12Q74Q154Q14U6A74LS20DC11uFU774HC175D_4V1D4CLK91Q2CLR12D53D124D13 1Q32Q63Q103Q12Q74Q154Q14U874HC1

20、75D_4V1D4CLK91Q2CLR12D53D124D13 1Q32Q63Q103Q12Q74Q154Q14U974HC175D_4V1D4CLK91Q2CLR12D53D124D13 1Q32Q63Q103Q12Q74Q154Q14U1074HC175D_4V1D4CLK91Q2CLR12D53D124D13 1Q32Q63Q103Q12Q74Q154Q14U574LS147NA9B7C6D14313415221211857463910V45 V J10Key = SpaceJ1Key = SpaceJ12Key = SpaceJ13Key = SpaceJ14Key = SpaceJ1

21、5Key = SpaceJ16Key = SpaceJ17Key = SpaceJ18Key = SpaceV55 V U12B74AS08NJ19046454434241403937302928272625242322120191854321U16A74LS86DU17A74LS86DU1A74LS86DU19A74LS86DU20A74LS86DU21A74LS86DU2A74LS86DU23A74LS86DU24A74LS86DU25A74LS86DU2A74LS86DU27A74LS86DU28A74LS86DU29A74LS86DU30A74LS86DU32A74LS86D15910

22、112678173234355060616265668697072737476778818082U34A74LS02D64U36A74LS02DU37A74LS02DU39A74LS02D8384858687889 90U40A74LS02DU41A74LS02D919293 94U42A74LS02DU43A74LS02D95969798U474ALS30AM910101102103104105106583647484951U1574160NQA14QB13QC12QD1RCO15A3B4C5D6ENP7ENT10LOAD9CLR1 CLK2V25 V U4574160NQA14QB13QC

23、12QD1RCO15A3B4C5D6ENP7ENT10LOAD9CLR1 CLK2U46B74AS08N054560053138VCOUTU155_TIMER_RATEDGNDDISRSTTHRCONTRIC20.001uF R12.78MC31uF V312 V V65 V J2Key = Space013052109108U14A74LS04N10363717975675914012U31BUZER500 Hz 5357U13BUZER400 Hz 0XM1X1LEDU3B74AS08NU35A74LS04N13107XSC1ABCDGT15140R230k 01116出报警声，通过非门将

24、输入的 CLK 信号锁住，使计数器停止计数，一直发出报警声。只有当输入正确密码后，才能对计数器清零，报警声停止。、将输入密码移位寄存模块的清零端接到门铃按钮延迟模块的开关上，如上图所示，当按一次门铃按钮时，555 定时器组成的单稳态触发器输出宽度秒的矩形波，蜂鸣器响约秒钟。同时按钮开关给输入密码移位寄存模块的清零端加了一个瞬时负脉冲，实现按一次门铃，对输入密码进行一次清零。总之，通过以上功能使电子锁保密性强，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，既方便又可避免因丢失钥匙带来的麻烦和损失。若密码泄露，主人可以方便地设计新的开锁密码，不会造成损失。将电子门铃、防盗报警器和

25、电子锁合为一体，实现一物多用。（二）仿真结果以及分析、在上图所示的电路中，将两个拨动开关都拨到高电平，输入、四个密码后发光二级管变亮，电压表示数不为零，锁为打开状态，将第一个拨动开关拨到低电平，按一下门铃按钮，蜂鸣器响约秒钟，同时，电子锁关闭，电压表示数为零，如下图所示：示波器波形如下：可以看出单稳态输出矩形波宽度秒。、当连续十二次输入错误密码后，报警器发出报警声，按一下门铃按钮，对输入移位寄存模块清零，然后输入正确的四位密码、，报警声停止，发光二极管变亮。示波器的波形如下图所示，从上到下依次为通道、通道、通道。此时电压表示数如下：四、个人总结与心得体会、通过这两周课程设计，加强了我们动手、思

26、考和解决问题的能力。能更加熟练应用 Multisim10.1 和 Protel 99 SE 软件。尤其是 Protel 99 SE 软件，对其电路原理图画法和PCB 印刷版封装有了更深一步体会。、在设计电路过程中，经常会遇到各种各样的问题，理想中的与实际中的电路总是有一定差别。例如，在设计移位寄存器的 CLK 信号时，若不通过电容直接将与非门上的信号引入时，移位寄存器无法工作，只有通过电容才能将脉冲信号正确的引入。、由于平常对课本上的知识理解不够到位，在设计中通常会遇到各种各样问题，通过翻看课本和查阅资料巩固和加强所学知识，并且开阔了眼界。此外，通过和小组成员讨论，有了更多的设计灵感，同时，也

27、注意到了许多以前没有意识到的问题。平时看课本时，有时问题老是弄不懂，做完课程设计，好多问题就迎刃而解了。认识来源于实践，实践是认识的动力和最终目的，实践是检验真理的唯一标准。所以这个期末考试之后的课程设计对我的启发是非常大的。、在制作 PCB 版时，学会了很多元器件的封装，学会了如何将四个与门封装到一起，对布线有了深刻的体会。但自己在制作 PCB 版方面还存在很多问题，今后还要多加练习。、在这次课程设计中，学到了很多课本上学不到的东西，比如独立思考解决问题，出现差错的随机应变，和与人合作共同提高，都使我受益匪浅。在今后学习中，不能只局限与课本，应该多参加课外实践活动，多查阅课外资料，开阔眼界。

28、充分利用每一天时间。、最后，感谢老师的细心指导和同学的无私帮助。五、附录本次课程设计中所用到的主要元器件及其功能介绍如下：（一）优先编码器 74LS147 介绍74LS147 优先编码器具有 9 个低电平有效的输入端，4个低电平有效的输出端。无 0 输入端。即当 9 个输入均无效的时候，既是对 0 进行编码。通过一片 74LS147，将输入的19 个输入信号转换成低电平有效的 BCD 编码输出。下表为此芯片的真值表：输入 输出1 2 3 4 5 6 7 8 9 D C B A1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1X X X X X X X X 0 0 1 1 0X X X X X

29、X X 0 1 0 1 1 1X X X X X X 0 1 1 1 0 0 0X X X X X 0 1 1 1 1 0 0 1X X X X 0 1 1 1 1 1 0 1 0X X X 0 1 1 1 1 1 1 0 1 1X X 0 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0X 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 10 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0优先编码器 74LS147 的真值表优先编码器 74LS147 其管脚图如下：U 57 4 L S 1 4 7 NA 9B 7C 6D 143134152212111857463910（二）集成芯片 74HC175 介绍

30、74HC175 集成芯片的内部电路结构如下图所示：（三）计数器 74ALS160 介绍集成芯片 74ALS160 是可预置数的十进制同步计数器，其管脚图如下所示：:进位输出端，计数满9的时候为1，其余状态为0。RCO、 :计数控制端，二者均为1是，正常计数；只ENTP要有一个为0时，计数器工作在保持状态。CLK:时钟输入端，上升沿有效。:同步并行置数控制端，低电平有效。LAD：异步清零输入端，低电平有效。CR74ALS160具有超前进位功能，当计数溢出时，进位输出端 输出一个高电平脉冲，宽度为 的高电平部OAQ分。74ALS160加上各种门电路可以构成任意的N为计数器。其功能表如下表所示：CL

31、KRLDENPT工作状态X 0 X X X 清零上升沿 1 0 X X 预置数X 1 1 0 1 保持X 1 1 X 0 保持（输 出0）上升沿 1 1 1 1 计数（四）5 55 定 时 器 介 绍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 C1 的 同 相 输 入 端 的 电 压 为 2VCC /3， C2 的反 相 输 入 端 的 电 压 为 VCC /3。 若 触

32、发 输 入 端 TR 的电 压 小 于 VCC /3， 则 比 较 器 C2 的 输 出 为 0， 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 C1 的 输 出 为 0， C2 的 输 出 为 1， 可 将 RS 触 发 器 置 0， 使 输 出 为 0 电 平 。 其 原 理 图 如 下 ：555 定时器的真值表如下：RST THR TRI OUT TD 状态0 X X 0 导通1 23vcc 13vcc 0 导通1 13vcc 不变 不变1 23vcc 13vcc 1 截止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。六、主要参考文献1、阎石数字电子技术基础.北京：高等教育出版社，20062、薛鹏骞 梁秀荣.电子设计自动化技术实用教程.徐州：中国矿业大学出版社，20073、郭海文.电气实验技术.徐州：中国矿业大学出版社，2008