數(shù)字電路課程設(shè)計-電子鎖的設(shè)計及數(shù)字式紅外測速儀課程設(shè)計

PAGEPAGE17課程設(shè)計（說明書）電子鎖電路的設(shè)計班級/學號學生姓名指導教師

沈陽航空航天大學課程設(shè)計任務(wù)書課程名稱數(shù)字邏輯課程設(shè)計課程設(shè)計題目電子鎖電路的設(shè)計課程設(shè)計的內(nèi)容及要求：一、設(shè)計說明與技術(shù)指標設(shè)計一個電子鎖電路，其密碼為8位二進制代碼，開鎖指令為串行輸入碼。1、當開鎖輸入碼與密碼一致時，鎖被打開；2、當開鎖輸入碼與密碼不一致時，則報警，報警時間持續(xù)15秒，停3秒后再重復出現(xiàn)；3、設(shè)置一個系統(tǒng)復位開關(guān)，所有的時間數(shù)據(jù)均用數(shù)碼管顯示出來。二、設(shè)計原理本設(shè)計可以用8個數(shù)碼開關(guān)設(shè)置密碼，密碼輸入為串行輸入，每次用撥碼開關(guān)輸入1位密碼，按單步脈沖把這個密碼輸入。輸入8次后才與原始密碼相比較。密碼的串行輸入可以由移位寄存器的左移或右移功能來實現(xiàn)。另外單步脈沖需要進行消抖處理。三、原理框圖聲響聲響模塊揚聲器原始密碼數(shù)碼管串行輸入模塊比較模塊計時模塊掃描電路四、設(shè)計要求1．在選擇器件時，應(yīng)考慮成本。2．根據(jù)技術(shù)指標，通過分析計算確定電路和元器件參數(shù)。3．畫出電路原理圖（元器件標準化，電路圖規(guī)范化）。五、實驗要求1．根據(jù)技術(shù)指標制定實驗方案；驗證所設(shè)計的電路，用軟件仿真。2．進行實驗數(shù)據(jù)處理和分析。六、推薦參考資料1.童詩白，華成英主編．模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)．[M]北京：高等教育出版社，2006年七、按照要求撰寫課程設(shè)計報告成績指導教師日期一、概述電子密碼鎖是一種通過密碼輸入來控制電路或是芯片工作，從而控制機械開關(guān)的閉合，完成開鎖、閉鎖任務(wù)的電子產(chǎn)品。它的種類很多，有簡易的電路產(chǎn)品，也有基于芯片的性價比較高的產(chǎn)品?，F(xiàn)在應(yīng)用較廣的電子密碼鎖是以芯片為核心，通過編程來實現(xiàn)的。其性能和安全性已大大超過了機械鎖。其特點如下：保密性好，編碼量多，遠遠大于彈子鎖。隨機開鎖成功率幾乎為零；密碼可變，用戶可以隨時更改密碼，防止密碼被盜，同時也可以避免因人員的更替而使鎖的密級下降；誤碼輸入保護，當輸入密碼多次錯誤時，報警系統(tǒng)自動啟動；無活動零件，不會磨損，壽命長；使用靈活性好，不像機械鎖必須佩帶鑰匙才能開鎖；電子密碼鎖操作簡單易行，一學即會。該電子鎖利用數(shù)字電路的理論和知識進行設(shè)計，密碼為8位二進制代碼，當開鎖輸入碼與密碼一致時，鎖被打開，當開鎖輸入碼與密碼不一致時，則報警。整體思路是：先用開關(guān)預(yù)置密碼，當開關(guān)閉合時表示輸入高電平，即本位對應(yīng)的密碼是1，否則對應(yīng)的密碼是0；然后利用串行密碼輸入模塊進行輸入，接著用密碼比較模塊進行原始密碼與輸入密碼進行比較，若密碼輸入與預(yù)置密碼相同（兩次相等），則鎖被打開，并驅(qū)動門鈴產(chǎn)生響聲；若輸入密碼與預(yù)置密碼不相同（大于或小于），則報警，并驅(qū)動報警系統(tǒng)產(chǎn)生響聲，該響聲響15秒，停3秒，并重復進行此動作。二、方案論證設(shè)計一個電子鎖電路，其密碼為8位二進制代碼，開鎖指令為串行輸入碼，滿足一下要求當開鎖輸入碼與密碼一致時，鎖被打開；當開鎖輸入碼與密碼不一致時，則報警，報警時間持續(xù)15秒，停3秒后再重復出現(xiàn)；設(shè)置一個系統(tǒng)復位開關(guān)，所有的時間數(shù)據(jù)均用數(shù)碼管顯示出來。方案一：采用兩片7485（四位數(shù)字比較器）級聯(lián)方式構(gòu)成八位數(shù)據(jù)比較，即為數(shù)據(jù)比較模塊；采用兩片74194（四位雙向通用移位寄存器）級聯(lián)成八位數(shù)據(jù)輸入模塊，即為串行輸入模塊；用八個波段開關(guān)構(gòu)成密碼輸入模塊；另外采用555定時器構(gòu)成的多諧震蕩器產(chǎn)生15秒高電平3秒低電平并驅(qū)動蜂鳴器發(fā)聲的報警模塊，用555定時器構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器構(gòu)成開鎖門鈴模塊；用74160和數(shù)碼管構(gòu)成時間顯示模塊。最后將各個模塊連接到一起構(gòu)成電子鎖電路。原理框圖如下圖1所示。計時系統(tǒng)計時系統(tǒng)數(shù)據(jù)比較模塊數(shù)據(jù)比較模塊報警系統(tǒng)開鎖門鈴系統(tǒng)輸入密碼預(yù)置密碼圖1電子鎖電路的原理框圖方案二：采用以單片機為核心的控制方案，一般來說在選取單片機時從下面幾個方面考慮：性能、存儲器、運行速度、I/O口、定時/計數(shù)器、串行接口、模擬電路功能、工作電壓、功耗、封裝形式、抗干擾性、保密性?；谝陨弦蛩赜脝纹瑱CAT89S51作為本設(shè)計的核心元件，利用單片機靈活的編程設(shè)計和豐富的I/O端口，及其控制的準確性，實現(xiàn)基本的密碼鎖功能。在單片機的外圍電路外接輸入鍵盤用于密碼的輸入和一些功能的控制，外接AT24C02芯片用于密碼的存儲，外接LCD1602顯示器用于顯示作用。密碼輸完后按下確認鍵，如果密碼輸入正確則開鎖，密碼不正確則發(fā)出報警。本設(shè)計采用的是方案一，利用74系列芯片和555定時器以及數(shù)碼管作為本次設(shè)計的主要電子元器件構(gòu)成密碼輸入模塊、串行輸入模塊、數(shù)據(jù)比較模塊、報警模塊、開鎖門鈴模塊和計時模塊等。三、電路設(shè)計預(yù)置密碼模塊如圖2所示，預(yù)置密碼模塊由八個波段開關(guān)構(gòu)成，表示每一位的數(shù)據(jù)，分別接到高位7485和低位7485上。另一端接5V電源，當按鍵接通時表示“1”，當案件未接通時，表示“0”。串行輸入模塊如圖3所示，串行輸入模塊采用兩片74194（四位雙向通用移位寄存器）級聯(lián)成八位數(shù)據(jù)輸入模塊，開關(guān)J1控制密碼輸入，J4接5V表示高電平即為1，J4接地表示低電平即為0，然后按一下輕觸開關(guān)，將密碼傳入比較模塊中。 圖2預(yù)置密碼模塊圖下圖為串行輸入模塊： 圖3串行輸入模塊圖數(shù)據(jù)比較模塊如圖4所示，數(shù)據(jù)比較模塊采用兩片7485（四位數(shù)字比較器）級聯(lián)成八位數(shù)據(jù)比較，用高4位的芯片的輸出端（YA=YB,YA<YB,YA>YB）控制開鎖門鈴和報警電路。圖4數(shù)據(jù)比較模塊圖時鐘模塊如圖5所示，時鐘模塊用來產(chǎn)生標準的秒脈沖給電路提供時序，用555定時器構(gòu)成多諧震蕩器，產(chǎn)生1Hz,占空比為53%的波形。圖5時鐘模塊圖計時模塊如圖6所示，計時模塊用來顯示當報警聲音響起后，記錄響的時間（15秒）已經(jīng)暫停的時間（3秒）。該計時模塊開始計時的信號來源于報警模塊產(chǎn)生的信號。 圖6計時模塊圖報警模塊如圖7所示，當輸入密碼與預(yù)置密碼不一致時，報警模塊開始報警。該模塊采用555定時器構(gòu)成多諧震蕩器，產(chǎn)生15秒的高電平，3秒的低電平，經(jīng)計算得周期為18秒，占空比為83%，波形如圖8所示。 圖7報警模塊圖 圖8報警信號波形圖開鎖門鈴模塊如圖9所示，采用555定時器構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，當輸入密碼與預(yù)置密碼一致時，觸發(fā)開鎖門鈴模塊開始工作。 圖9開鎖門鈴模塊圖四、性能的測試1.密碼輸入模塊仿真如圖10所示，串行密碼輸入模塊和數(shù)據(jù)比較模塊仿真電路圖。當輸入密碼與預(yù)先編碼一致時，中間LED亮起，若不一致，右側(cè)LED亮起。經(jīng)觀察，仿真結(jié)果和電路設(shè)計一致。 圖10密碼輸入仿真圖2.報警模塊仿真如圖7和圖8所示，為報警模塊仿真電路圖，開關(guān)模擬報警信號輸入，高電平觸發(fā)。LED和蜂鳴器表示鈴響。圖19為多諧振蕩器輸出端波形圖。經(jīng)觀察，仿真結(jié)果和電路設(shè)計一致。3.計時模塊仿真如圖6所示，為計時模塊仿真電路，產(chǎn)生的波形如圖11所示。 圖11計時模塊輸出波形圖4.總仿真電路模塊如圖12所示，為本次設(shè)計的總仿真電路。 圖12總仿真電路圖五、結(jié)論由測試結(jié)果可以看出，該電子鎖已經(jīng)具備了密碼預(yù)置、密碼輸入、密碼判斷功能，若輸入密碼與預(yù)置的密碼相同，則驅(qū)動開鎖門鈴模塊進行工作，LED顯示燈發(fā)光，并且產(chǎn)生門鈴響聲；若輸入密碼與預(yù)置的密碼不相同，則驅(qū)動報警模塊進行工作，LED顯示燈發(fā)光，并且產(chǎn)生報警響聲。該電子鎖電路設(shè)計符合設(shè)計要求各項性能和參數(shù)滿足要求。六、性價比該電子鎖電路設(shè)計需要的電子元器件種類較少，且較為常見，價格便宜，該電子鎖可應(yīng)用于實際生產(chǎn)和生活當中，原理簡單，操作方便，密碼破譯難度較大，保密性好，編碼量多，遠遠大于彈子鎖。隨機開鎖成功率幾乎為零；密碼可變，用戶可以隨時更改密碼，防止密碼被盜，同時也可以避免因人員的更替而使鎖的密級下降；誤碼輸入保護，當輸入密碼多次錯誤時，報警系統(tǒng)自動啟動；無活動零件，不會磨損，壽命長；使用靈活性好，不像機械鎖必須佩帶鑰匙才能開鎖；電子密碼鎖操作簡單易行，一學即會。七、課設(shè)體會及合理化建議通過本次數(shù)字電子課程設(shè)計，使我更加熟悉和掌握了電子電路設(shè)計的知識和技巧，對數(shù)字電子技術(shù)有了更深層次的理解。同時，更加全面的解了74系列芯片的功能和型號，對今后的工作和學習由很大幫助。在電路仿真過程中，也遇到了很多問題。比如，Multisim軟件仿真時，需要進行仿真時間步長設(shè)置。如果設(shè)置步長過小，現(xiàn)實中過去一分鐘，軟件中可能只運行幾秒。通過請教指導老師和自己摸索，進行了正確而的設(shè)置，解決了問題。再如,報警模塊中需要報警聲音響15秒停3秒，然后重復這一動作，這個問題我遇到了麻煩，通過指導教師認真的分析與講解，我明白了可以設(shè)計兩個計時電路，一個記的是15進制，即響聲的持續(xù)時間，另一個是3進制，用來表示暫停的時間。還有就是，在進行最后的設(shè)計時，報警模塊與門鈴模塊分別用一個開關(guān)來接入，這樣就出現(xiàn)了矛盾，即首先需要知道輸入的是否是正確的密碼，這顯然與實際情況不相符合，在老師的指導下，我意識到了可以將這兩個模塊的電源公用為一個電源，并且接入一個總開關(guān)來控制，這樣就解決了原來出現(xiàn)的問題。在設(shè)計過程中，由于有些細小的問題沒有注意到，導致了電路仿真不好使。這些的知識老師課上都講過，只是當時沒有注意到。以后上課要多注意聽講，看書要仔細，細節(jié)決定成敗。對我們而言，知識上的收獲很重要，精神上的豐收更加可喜。挫折是一份財富，經(jīng)歷是一份擁有。這次實習必將成為我人生旅途上一個非常美好的回憶！希望以后還能夠有像這次一樣自己動手的機會。另外，非常感謝我的指導老師給予我的很多的幫助，是老師的幫助，讓我學到了更多的知識，我會繼續(xù)以一種謙虛謹慎的學習態(tài)度來面對未來的學習和生活。參考文獻[1]王義軍.數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ).北京：中國電力出版社，2007[2]韓學軍.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ).北京：中國電力出版社，2008[3]孫育才.MCS-51單片微型計算機及其應(yīng)用.南京：東南大學出版社，2004[4]郭鎖利.基于Multisim9的電子系統(tǒng)設(shè)計仿真與綜合應(yīng)用.北京：人民郵電出版社，2008[5]閻石主編.數(shù)字電子技術(shù).[M]北京：高等教育出版社，2006年[6]陳振官等編著.新穎高效聲光報警器.[M]北京：國防工業(yè)出版社，2005年附錄I總電路圖如圖13和圖14所示，為總仿真電路。圖13總電路圖1圖14總電路圖2附錄II元器件清單如表1所示，為本實驗元器件的清單元器件標號封裝型號數(shù)量電阻器R0－R19AXIAL-0.4Res220電容器C1－C7RAD-0.3Cap7二極管D1,D2DO-41Diode1N40012數(shù)碼管DS1,DS2LEDDIP-10DpyRed-CC2蜂鳴器LS1PIN2Bell1消抖器P1SSOPMAX68181三極管Q1TO-92A85501波段開關(guān)S1DIP_SW_8WAY_SMDSWDIP-81按鍵開關(guān)S2,S3SPST-2SW-SPST2單刀雙擲開關(guān)S4TL36WW15050SW-SPDT1輕觸開關(guān)S5SPST-2SW-PB1BCD譯碼器U1,U2DIP16SN74LS48N2十進制計數(shù)器U3,U4DIP14SN74LS290N2時基電路U5,U7,U13DIP10LM555CN3反相器U6DIP2074AC11204N1數(shù)據(jù)比較器U8,U9DIP20SN74LS85N2或門電路U10DIP20SN74LS32D1串入并出寄存器U11,U12DIP16SN74LS194AD2表1元器件清單課程設(shè)計電氣與信息工程學院學院自動化專業(yè)題目：數(shù)字式紅外測速儀姓名：學號：指導教師：時間：數(shù)字式紅外測速儀一、設(shè)計技術(shù)指標與要求1、用紅外發(fā)光二極管、光敏三極管作為速度轉(zhuǎn)換裝置。2、測速范圍：10–990轉(zhuǎn)/分。3、三位數(shù)字顯示，顯示不允許閃爍。二、設(shè)計目的和要求1、設(shè)計目的本課程設(shè)計是在前導性驗證性認知實驗基礎(chǔ)上，進行更高層次的命題設(shè)計實驗，要求學生在教師指導下獨立查閱資料、設(shè)計、安裝和調(diào)試特定功能的電子電路。培養(yǎng)學生利用模擬、數(shù)字電路知識，解決電子線路中常見實際問題的能力，使學生積累實際電子制作經(jīng)驗，目的在于鞏固基礎(chǔ)、注重設(shè)計、培養(yǎng)技能、追求創(chuàng)新、走向?qū)嵱谩?、設(shè)計要求1.以電子技術(shù)基礎(chǔ)的基本理論為指導，將設(shè)計實驗分為基礎(chǔ)型和系統(tǒng)型兩個層次，基礎(chǔ)型指基本單元電路設(shè)計與調(diào)試，系統(tǒng)型指若干個模擬、數(shù)字基本單元電路組成并完成特定功能的電子電路的設(shè)計、調(diào)試；2.熟悉常用電子儀器操作使用和測試方法；3.學習計算機軟件輔助電路設(shè)計方法，能熟練應(yīng)用電子線路CAD進行電路設(shè)計和印刷電路板的設(shè)計制作；4.學習電子系統(tǒng)電路的安裝調(diào)試技術(shù)；5.拓展電子電路的應(yīng)用領(lǐng)域，能設(shè)計、制作出滿足一定性能指標或特定功能的電子電路設(shè)計任務(wù)。三、實驗原理構(gòu)思1、轉(zhuǎn)速概念轉(zhuǎn)速是旋轉(zhuǎn)物體的轉(zhuǎn)數(shù)與時間之比的物理量,是描述各種旋轉(zhuǎn)機械運轉(zhuǎn)技術(shù)性能的一個重要參量。轉(zhuǎn)速和頻率有共同的量綱,都是單位時間內(nèi)某一量值(脈沖個數(shù)、轉(zhuǎn)數(shù))出現(xiàn)的次數(shù),從理論上講,轉(zhuǎn)速值可以直接和頻率值進行比對。測時計數(shù)是轉(zhuǎn)速計量的基本方法。測定一定單位時間內(nèi)旋轉(zhuǎn)物體轉(zhuǎn)過的圈數(shù)即頻率，可等價為所測旋轉(zhuǎn)物體此時的轉(zhuǎn)速。即轉(zhuǎn)速n=脈沖頻率f*602、光電式紅外測速儀a.采用轉(zhuǎn)速標準裝置,將定向反射紙貼于裝置的測速盤上,由轉(zhuǎn)速標準裝置通過測速盤輸出標準轉(zhuǎn)速,進行檢測。采用脈沖光源測b.速裝置來檢測光電式轉(zhuǎn)速表。這類檢測設(shè)備通常由頻率信號發(fā)生器、頻率計數(shù)器及一個發(fā)光二極管組成。兩種檢測裝置的工作原理有本質(zhì)的差別。脈沖光源測速裝置能否做為標準,在轉(zhuǎn)速界爭議較大。本課程設(shè)計即可采用紅外發(fā)光二極管和光敏三極管作為速度轉(zhuǎn)換裝置來測取旋轉(zhuǎn)物體轉(zhuǎn)速?？蓪⒓t外發(fā)光二極管固定于旋轉(zhuǎn)物體（假設(shè)為汽車車輪）定軸上，在轉(zhuǎn)軸上安裝一遮光板，在遮光板上可打一個小孔，在轉(zhuǎn)輪旋轉(zhuǎn)時，當發(fā)光二極管、小孔、光敏三極管在一條軸線上時小洞才有紅外光通過，其他時間則由于擋板作用，沒有光通過。光敏電阻接收紅外光后轉(zhuǎn)化為一個脈沖，產(chǎn)生一個脈沖則說明轉(zhuǎn)一圈。這樣只需要測量一分鐘內(nèi)光敏三極管輸出脈沖個數(shù)，就可以知道車輪的轉(zhuǎn)速了。四、設(shè)計方案構(gòu)思1、方案一計數(shù)器LED顯示光電轉(zhuǎn)換裝置譯碼轉(zhuǎn)換被測旋轉(zhuǎn)物體計數(shù)器LED顯示光電轉(zhuǎn)換裝置譯碼轉(zhuǎn)換被測旋轉(zhuǎn)物體圖-1方案一流程圖2方案二555模擬電平輸出計數(shù)器 555模擬電平輸出計數(shù)器60s時鐘電路LED顯示譯碼轉(zhuǎn)換60s時鐘電路LED顯示譯碼轉(zhuǎn)換圖-2方案二流程圖方案二加入了60s時鐘電路，同時具備了時鐘計數(shù)功能，每60s自動清零，停止計數(shù)，三位數(shù)碼顯示管示數(shù)即為所測旋轉(zhuǎn)物體轉(zhuǎn)速。所以本課程設(shè)計采用方案二進行設(shè)計。五、設(shè)計原理及步驟1、數(shù)字式紅外測速儀原理框圖555模擬電平輸出計數(shù)器555模擬電平輸出計數(shù)器60s時鐘電路LED顯示譯碼轉(zhuǎn)換60s時鐘電路LED顯示譯碼轉(zhuǎn)換圖-3數(shù)字式紅外測速儀原理框圖2、光電轉(zhuǎn)換模擬電路圖-4光電轉(zhuǎn)換電路模擬圖用555定時器模擬產(chǎn)生紅外線的高電平輸出信號。通過改變滑動變阻器的阻值來實現(xiàn)轉(zhuǎn)速的變化。3、輸出脈沖模擬計數(shù)可用控制開關(guān)來手動模擬小洞轉(zhuǎn)過一圈時輸出一脈沖并計數(shù)情景，如下圖上面顯示管示數(shù)為2，下面顯示管示數(shù)為3。圖-5輸出脈沖模擬計數(shù)工作原理簡述：原先顯示譯碼器示數(shù)為2，合上開關(guān)A時輸出一脈沖信號給計數(shù)器，斷開時則顯示譯碼器示數(shù)為3，即為一次脈沖一次計數(shù)。如果用手動來合上斷開開關(guān)并計時，而且需要計數(shù)一分鐘在操作中很難實現(xiàn)，因此出現(xiàn)問題。4、脈沖計數(shù)問題解決可用555定時器產(chǎn)生1HZ即1s脈沖信號接入計數(shù)器進行計數(shù)，計數(shù)器采用2個十進制計數(shù)器74LS160D實現(xiàn)2位計數(shù),當計數(shù)到60，停止計數(shù)，實現(xiàn)一分鐘定時功能。5、1s脈沖發(fā)生器電路-555定時器該555定時器產(chǎn)生1s時鐘脈沖，用于下面計數(shù)器計數(shù)。圖-61s脈沖發(fā)生器電路-555定時器6、六十進制計數(shù)器定時計數(shù)電路圖-760s定時計數(shù)電路用555定時器輸出1HZ（1s）脈沖信號接入計數(shù)器進行計數(shù)，計數(shù)器采用2個十進制計數(shù)器74LS160D組成60進制計數(shù)器實現(xiàn)2位計數(shù),當計數(shù)到60，即停止計數(shù)。7、譯碼顯示電路圖-8三位譯碼顯示電路圖采用了3片十進制計數(shù)器74LS160D，可對輸入脈沖信號進行計數(shù)，輸出結(jié)果即為所測轉(zhuǎn)速。而且計數(shù)至990時自動清零，即實現(xiàn)了測速范圍（10~990轉(zhuǎn)/分）。當計數(shù)為990時，給出低電平將三片74LS160D全部清零，以等待下一個脈沖信號重新計數(shù)。六、數(shù)字式紅外測速儀總電路圖圖-9數(shù)字式紅外測速儀總電路圖總電路圖在實際仿真中對原先電路圖進行了一些改進，可自動實現(xiàn)一分鐘計數(shù)功能，而原先總電路還需手動給脈沖信號，人工計時，故減少了工作量。七、所用器件紅外發(fā)光二極管、滑動變阻器、施密特觸發(fā)器一片555定時器兩片74LS78N一片1K電阻、開關(guān)、與非、非門、與非門若干，74LS160D計數(shù)器五片、DCD-HEX型數(shù)碼顯示管各五片，電源