基于数字电路的设计

电子锁及门铃电路

1．引言

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。

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。

而在这次实训中我们的是设计要求较基础，不过原理一样的，一般的功能都能实现。

2、摘要

用门电路和一些计数芯片，555时基电路及数码显示器，蜂鸣器等元件通过MULTISIM仿真软件进行软件设计。再付诸硬件设计。主要实现密码锁和门铃电路的功能，并且可控制蜂鸣器时间用数码管显示。运用已学的数电模电知识及硬件电路知识对市面上已有的功能的一种模仿和简化。

基于数字电路的设计

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3、硬件设计

3.1、设计要求

（1）设计一个电子锁，其密码为8位二进制代码，开锁指令为串行输入码。 （2）开锁输入码与密码一致时，锁被打开。

（3）当开锁输入码与密码不一致时，则报警。报警时间持续15秒，停3秒后再重复出现

（4）报警器可以兼作门铃使用，门铃时间为10秒。

（5）设置一个系统复位开关，所有的时间数据用数码管显示出来。

3.2设计思路

（1）用8个数码开关作为8位二进制密码输入，开关闭合为1，打开为0。 （2）用2个与门和2个或非门与输入密码进行比较，输出比较结果。并设置密码为11001100。

（3）输出结果为1表示密码正确，按下确认键后二极管发光。输出结果为0表示密码错误，按下确认键后蜂鸣器响15秒停3秒并重复出现。 （4）门铃按键按下时蜂鸣器响10秒后停止。 （5）计数器控制蜂鸣器响的时间和数码管的显示。

3.3原理方框图

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4、软件设计

4.1、密码模块仿真图

仅用简单的2个与门和2个或非门构成8位2进制密码的输入比较端，逻辑功能简单，不易出错。但有不能改密码的限制，此电路的密码为11001100，开关合上为1打开为0。当密码输入正确即如图所示的开关状态并合上确认键时，最后一个与门输出的为高电平。从而实现密码锁功能。

4.2脉冲模块仿真图

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用555时基电路结合电阻、电容构成脉冲发生器。调节电容电阻使得OUT端输出周期为1S 的脉冲。这样的脉冲发生器简单而又实用，可以很精确地控制脉冲频率，振幅。

4.3计数模块仿真图

由于题目要求控制报警器响15S停3S，并重复出现。这么长的时间是振荡器无法达到的。于是用计数器可以准确地控制时间。如上图所示，用与门、非门、或门等可以巧妙地实现某些逻辑功能。当计数器到达15时输出一个脉冲信号使得与蜂鸣器相接端变为低电平从而达到响15秒的效果。而此时计数器继续计数，当到18秒时又输出一个脉冲使蜂鸣器响同时计数器被置零并重新开始计时。从而达到蜂鸣器响15S停3S并重复出现的功能。

而对于门铃电路，用同样的方法使得计数器在到达10秒时输出一个脉冲使得计数器清零，同时用锁存器保持这个脉冲即让计数器不再计数。实现了门铃响10秒便不再响。

计数器的输出端与数码管显示电路相连，因要求用数码管显示，而所有数据均是用计数器控制，因此直接用计数器控制数码管显示是最便捷的方式了。 由于用到较少的集成芯片，且使用简单的门电路，使得电路看起来较为凌乱，但成功地实现了实训所要求的功能。

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4.4显示模块仿真图

显示这一块相对比较简单，只需要用到7448译码器、电阻和数码管。只要了解了他们的功能并正确接线即可得到所需功能。但由于在较小空间里有很多的线。在连接时需要特别细心，否则一旦错误开始检查将是很费时的工程。

在我们的实训设计中，译码器的输入端由计数器控制，只需将两片十进制计数器芯片的8个输出端与译码器的8个输入端一一连接即可达到用计数器控制数码管显示的功能。

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4.5完整功能模块仿真图

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综合以上仿真图所得结果如下：

（1）输入8位正确密码，按下确认键后，二极管发光，并发出提示音。 （2）输入8为错误密码，按下确认键后，二极管不发光，数码管显示时间。

0-15秒之间蜂鸣器响，15-18秒之间蜂鸣器停。数码管在18秒瞬间跳变为0蜂鸣器响并重新计时。

（3）按下门铃按键，数码管从0开始计时，蜂鸣器响，跳至10秒瞬间跳变

为0，蜂鸣器停止响，并不再重复。

（4）按下复位键后，数码管从任意状态跳变为0，蜂鸣器停响。 即完整地实现了实训所要的密码锁及门铃电路的所有功能。

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4.6、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。

我们在制作PCB中用的是双面板。布线的方式有两种：自动布线和手工布线。先进行自动布线，再进行手工布线，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。

4.7、扩展部分——设计一个八位十进制的密码锁

二进制密码不是相当实用，故又设计了8位十进制密码电路。涉及了编码器，移位寄存器，比较器，延时器等。在密码比较结果输出后的部分完全沿用8位二进制的电路。十进制密码锁的实物仿真图：

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5、总结

通过两周的实训，我们的电子密码锁和门铃报警电路，经过多次修改和整理，基本完成了各项要求的功能实现。整个电路基本是我们组自行设计并未参照网上已有的电路，使得设计过程完全是一个摸索阶段。一 次一次地测试元件功能，一级一级地查找错误。将脑中的想法付诸于时间，这需要大量的时间和精力的付出。不得不痛苦的将以前课本上复杂的知识点重新拾起来，认真研读，达到了然心中，比如74LS160使能端如何实现作用， 555时基电路的调谐震荡基本原理，产生脉冲的原理和周期计算，数码管显示时的电阻匹配等等问题。最终整个电路在multisim软件上仿真能完整运行的时候，觉得努力是值得的！

但由于理论知识水平有限，整个电路还存在很多可改进的地方，如用开关74LS112来产生CLK的单脉冲不是很稳定，脉冲延时采用很多与、或、非门来实现，使得电路看起来相当臃肿，以及密码只可顺序按下且不可更改等等。

在实践中检验所学并收获所得：首先，通过学习使自己对课本知识可以运用于实践，有很强的成就感从而加强自己学习和动手的动力; 同时，促进自己的自我学习和应用的主观能动性：充分利用图书馆的数据库资料，查阅相关的书籍和电子材料;再者，对软件multisim有相当程度的了解，对其仿真时出现的一般常规问题也可以自行排除，算是运用与动手能力的一个提升！

最后，老师的意见与忠告，同学的交流与互动都是我收获的宝贵经验，将在我以后的学习和工作中有很好的借鉴作用！

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6、参考文献

[1] 朱强主编．数字逻辑电路．北京：机械工业出版社，1994.

[2] 胡宴如主编．模拟电子技术．北京：高等教育出版社，2000.

[3] 康华光主编．电子技术基础（数字部分）．北京：高等教育出版社，1999. [4] 中国期刊全文数据库.

[5] 《数字电路与逻辑设计》 清华大学出版社

[6] 阎石.数字电子技术基础.第五版.北京：高等教育出版社，2005年. [7] 张健华.数字电子技术.北京：机械工业出版社，1999