比較

塊模塊原理框圖聲響模塊計時電路揚聲器掃描數碼管

比較

塊模塊原理框圖聲響模塊計時電路揚聲器掃描數碼管

利用數字電路的理論和知識進行設計，設計一個電子鎖，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。1.1設計內容及要求

1.1.1設計指標

·設計一個電子鎖，其密碼為8位二進制代碼，開鎖指令為串行輸入碼。·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15秒，停3秒后再出現。·報警器可以兼作門鈴使用，門鈴時間為10秒。·設置一個系統復位開關，所有的時間數據用數碼管顯示出來。

1.1.2原理框圖

原始密碼

模串行輸入模塊

圖1

-1-

2系統具體設計及參數計算

2.1設計思路

1、數據比較模塊。數據比較模塊是電子鎖的核心部分。由于是八位數據比較，所以采用兩片7485（四位數字比較器）級聯方式。用高4位的芯片的輸出端（YA=YB,YA<YB,YA>YB）控制門鈴和報警電路。2、原始密碼輸入模塊。由八個波段開關構成，表示每一位的數據，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”。3、串行密碼輸入模塊。采用兩片74194（四位雙向通用移位寄存器）級聯成八位數據輸入模塊，分別接到數據比較模塊的高四位和低四位。具體輸入電路見下文分析。4、時鐘模塊。計時模塊用來產生標準的秒脈沖給電路提供時序。可采用555定時器構成多諧振蕩器，也可以使用8051單片機定時器產生標準方波。在電路仿真時采用軟件自帶的電壓信號產生器。5、計時模塊。采用兩片74290（二\五分頻十進制計數器）級聯方式構成十進制、可顯示0-99計時模塊。芯片輸出BCD碼，由7448（BCD-7段譯碼器\內部上拉輸出驅動）驅動兩個數碼管（共陰極）。6、顯示模塊。時間顯示采用兩個7段共陰極數碼管。7、門鈴模塊。采用單穩態觸發器。可以用555定時器構成，也可以用集成芯片構成。我采用集成芯片74123（單穩態多諧振蕩器）。8、報警模塊。采用多諧振蕩器，周期18秒，占空比63%。由555定時器構成。9、聲響模塊。采用直流驅動蜂鳴器。由門鈴模塊和報警模塊驅動。10、復位開關。若各模塊的芯片有清零端\使能端，則接到一起，設計一個復位開關控制。若沒有，則將其接地端串聯到一個復位開關。11、按鍵去抖。采用美信公司的MAX6818開關去抖器。

2.2各模塊詳細設計

2.2.1數據比較和原始密碼輸入模塊

器件選擇

采用兩片7485（四位數字比較器）級聯方式。用高4位的芯片的輸出（YA=YB,YA<YB,YA>YB）控制門鈴和報警電路。其引腳圖和功能表如圖2和表1所示。

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7485引腳圖7485功能表

7485引腳圖7485功能表

表1

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S1×001174194引腳圖S0×0101表2cp××↑↑↑74194功能表功能清零保持右移S1×001174194引腳圖S0×0101表2cp××↑↑↑74194功能表功能清零保持右移左移并行輸入

圖3數據比較模和原始密碼輸入模塊電路圖

如圖3所示兩片7485級聯成八位數據比較模塊，左邊為低四位，右邊為高四位。P口由5VVCC經編碼開關接入，設定原始密碼。Q口由串行數據輸入模塊接入。高位芯片5、6、7引腳輸出電平表示開鎖密碼是否正確。若正確，則6腳為高，另兩腳為低。若不正確，則5腳或7腳為高，六腳為低。5、7腳通過或門電路（7432）接報警模塊。6腳接門鈴模塊。

2.2.2串行輸入模塊

器件選擇

采用兩片74194（四位雙向通用移位寄存器）級聯成八位數據輸入模塊。其引腳圖和功能表如圖4和表2所示

______CR

01111

圖4

-4-

時鐘模塊電路圖

電路設計時鐘模塊電路圖

圖5串行輸入模塊電路圖

如圖5所示，兩片7449構成八位串行輸入并行輸出模塊，左側為低位，右側為高位。采用功能表第三行（右移）模式。輸入密碼時，按下[START]按鍵，使模塊由清零進入工作狀態。單刀雙擲開關決定模塊輸入“1”或“0”。按下[PUTIN]輕觸開關時，兩芯片獲得同步脈沖，此時所有數據向高位移動一位。低位的輸出端QD連接高位的輸入端SR，完成由低位向高位的數據傳送。兩芯片的輸出端分別接到數據比較模塊的低位和高位。

【注】由于實際應用中開關存在抖動現象，這里僅做原理闡述，并沒有加入去抖電路，加入去抖電路后的電路見總電路圖。

2.2.3時鐘模塊

電路設計

圖6

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74290引腳圖74290功能表圖87448引腳圖

如圖6所示，由74290引腳圖74290功能表圖87448引腳圖產生秒脈沖。該電路產生周期為1Hz，占空比為53%的波形。計算公式為：高電平持續時間T1=0.7(R1+R2)C1。低電平持續時間T2=0.7R2C1。

2.2.4計時模塊

器件選擇

采用兩片74290（二\五分頻十進制計數器）級聯方式構成十進制、可顯示0-99計時模塊。芯片輸出BCD碼，由7448（BCD-7段譯碼器\內部上拉輸出驅動）驅動兩個數碼管（共陰極）。74290引腳圖如圖7所示，7448引腳圖如圖8所示，74290功能表如表3所示。

圖7

表3

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電路設計

圖9計時模塊電路圖

如圖9所示，該電路為十進制、0~99顯示電路。左側為十位，右側為個位。74290A端為脈沖輸入，低位的QD接到高位的A，完成十進制進位。輸出BCD碼進入7448數碼管譯碼器。7448為內部上拉高效譯碼輸出，用來驅動共陰極數碼管。使用時需要串聯保護電阻，經Multisim軟件仿真，阻值大約280Ω。數碼管K端接地。

2.2.5門鈴模塊

當輸入密碼一致時，系統開鎖，并觸發門鈴模塊。門鈴模塊采用由555電路構成的單穩態觸發器。穩態時間計算公式：T=RC

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報警模塊電路圖

電路設計報警模塊電路圖

圖10門鈴模塊電路圖

如圖所示，由555定時器構成單穩態觸發器。OUT為輸出端，驅動門鈴（蜂鳴器）。暫穩態持續時間約為10秒。隨后電路回到穩定狀態。由于555定時器的性質，觸發端TRIG是下降沿觸發，而不是低電平觸發。若TRIG端低電平持續時間大于暫穩態時間，則系統進入到不穩定狀態。所以在觸發端TRIG之前加入RC電路和反相器。整個系統由高電平驅動，當觸發電平由低變高時，TRIG端收到一個下降沿，隨后電容充電完畢，TRIG回到高電平，整個過程持續時間小于暫穩態持續時間。

2.2.6報警模塊

圖11

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聲響模塊電路圖MAX6818引腳圖

如圖11所示，報警電路由555定時器構成多諧振蕩器RST聲響模塊電路圖MAX6818引腳圖電平觸發。OUT為輸出端，產生15秒高、3秒低的波形，觸發蜂鳴器。經計算，該電路構成頻率0.056Hz，占空比83%的波形輸出。計算公式見上文時鐘模塊設計。

2.2.7聲響模塊

根據題目要求，門鈴和報警模塊公用一個蜂鳴器。因擔心驅動能力不夠，所以采用三極管放大電路。門鈴和報警模塊輸出端通過反相器接到8550PNP三極管基極。當基極接收到低電平時，三極管導通,驅動蜂鳴器。電路圖如圖12所示

圖12

2.2.8按鍵去抖模塊

采用美信公司的MAX6818按鍵消消抖器。其引腳圖如圖13所示，具體連接方式見總電路圖。

圖13

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總電路圖

2.2.9系統復位電路總電路圖

采用開關復位設計。即系統電源開關就是系統復位開關。設計圖略。

2.3總電路圖

圖14

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標號R0－R19C1－C7D1,D2DS1,DS2LS1P1Q1S1S2,S3S4S5U1,U2U3,U4U5,U7,U13U6U8,U9U10U11,U12標號R0－R19C1－C7D1,D2DS1,DS2LS1P1Q1S1S2,S3S4S5U1,U2U3,U4U5,U7,U13U6U8,U9U10U11,U12元器件清單封裝AXIAL-0.4RAD-0.3DO-41LEDDIP-10PIN2SSOPTO-92ADIP_SW_8WAY_SMDSPST-2TL36WW15050SPST-2DIP16DIP14DIP10DIP20DIP20DIP20DIP16型號Res2CapDiode1N4001DpyRed-CCBellMAX68188550SWDIP-8SW-SPSTSW-SPDTSW-PBSN74LS48NSN74LS290NLM555CN74AC11204NSN74LS85NSN74LS32DSN74LS194AD數量2072211112112231212

元器件電阻器電容器二極管數碼管蜂鳴器消抖器三極管波段開關按鍵開關單刀雙擲開關輕觸開關BCD譯碼器十進制計數器時基電路反相器數據比較器或門電路串入并出寄存器表43仿真

Multisim是美國國家儀器（NI）有限公司推出的以Windows為基礎的仿真工具，適用于板級的模擬/數字電路板的設計工作。它包含了電路原理圖的圖形輸入、電路硬件描述語言輸入方式，具有豐富的仿真分析能力。本次設計采用Multisim10進行仿真。

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0V21U11A37S14U37485NOOABTBBB3315VVSSVSS10114246782.5V5V210174194N17門鈴模塊仿真電路圖3356720OAOAO1A1B0B

2111223291516U23startSLS0110V圖17單穩態觸發器輸出波形BBBGTEQLTAQA0

1110995V4SRS1~CLR74194NU47485NAGAEA432VDD5A5低CLK36LTA3A2B2

151131428B6VDD5VVSSVSS0V21U11A37S14U37485NOOABTBBB3315VVSSVSS10114246782.5V5V210174194N17門鈴模塊仿真電路圖3356720OAOAO1A1B0B

2111223291516U23startSLS0110V圖17單穩態觸發器輸出波形BBBGTEQLTAQA0

1110995V4SRS1~CLR74194NU47485NAGAEA432VDD5A5低CLK36LTA3A2B2

151131428B6VDD5VVSSVSS3B1211927QAC911A0B

01261415QBD1011TBQBTB1A04321314QCS0~CLRBAGAEALVDD313QDS1CLK412A5VDDB67QAC215QBDSL14QCSR13QD12

VSS

VSS

32

34357432N

Key=Space

567

TBQBETBAGALO

低3A2A2B

151141918VDD

23VDD0V25

X230

U11

1

7

9

31VSS

VSS0V

22

X3

2.5V圖15串行密碼輸入和數據比較模塊仿真電路圖

如圖15所示為串行密碼輸入模塊和數據比較模塊仿真電路圖。當輸入密碼與預先編碼一致時，中間LED亮起，若不一致，左側或右側LED亮起。經觀察，仿真結果和電路設計一致。

3.2門鈴模塊仿真

圖16

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XSC3642Rl310nFCf報警模塊仿真電路圖多諧振蕩器輸出波形圖計時模塊仿真電路圖100Ω15sec/3secTimer280Ω圖19LED5SONALERT400Hz多諧振蕩器輸出波形圖U15

如圖16XSC3642Rl310nFCf報警模塊仿真電路圖多諧振蕩器輸出波形圖計時模塊仿真電路圖100Ω15sec/3secTimer280Ω圖19LED5SONALERT400Hz多諧振蕩器輸出波形圖U15右側LED和蜂鳴器表示門鈴響起。當開關閉合式，觸發單穩態觸發器，同時由于RC電路影響，555定時器觸發端一段時間后回到高電平，保證了輸入信號長時間保持高電平時，電路的穩定。圖17為單穩態觸發器波形圖。仿真結果與電路設計一致。

3.3報警模塊仿真

5VVs7

1.701MΩR11

438.1kΩR25555_VIRTUALR37

10uFC0

圖18

如圖18所示為報警模塊仿真電路圖，開關模擬報警信號輸入，高電平觸發。LED和蜂鳴器表示鈴響。圖19為多諧振蕩器輸出端波形圖。經觀察，仿真結果和電路設計一致。

3.4計時電路仿真

圖21

0圖20

如圖20所示為計時模塊仿真電路圖，由555定時器構成多諧振蕩器產生秒脈沖，右側開關模擬報警和門鈴模塊信號輸入。數碼管顯示時間。圖21為秒脈沖輸出端波形圖。經觀察，仿真結果和電路設計一致。

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總仿真電路圖

3.5總仿真電路圖總仿真電路圖

圖224總結

4.1工作進程

1.4：接到設計題目，著手準備設計，去圖書館借閱相關書籍。1.5-1.6：初步設計電路原理圖，畫出手稿。1.7-1.11:電路仿真，熟悉Multisim仿真軟件，這一部分耽誤了很長時間，但是也收獲了很多知識。1.12：畫總電路圖，繪制CAD圖紙，寫設計報告。1.13：設計完成。

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4.2心得體會

通過本次數字電子課程設計，使我更加熟悉和掌握了電子電路設計的知識和技巧，對數字電子技術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置。如果設置步長過小，現實中過去一分鐘，軟件中可能只運行幾秒。通過請教指導老師和自己摸索，進行了正確而的設置，解決了問題。再如，555定時器構成單穩態觸發器時，觸發端下降沿有效，但是低電平時間不能大于暫穩態時間。當我正在為這個問題糾結時，忽然想起了單片機上電復位的電路，于是我嘗試將單片機上電復位電路應用到單穩態觸發器的觸發電路，問題迎刃而解。在設計過程中，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，細節決定成敗。由于芯片生產廠家大多數是外國企業，很多技術資料都是全英文的，經過翻譯的資料也不保證準確性。所以我們自動化專業的學生更應該掌握好英文能力，對待英語學習應該重視起來。本次數字電子課程設計，東北電力大學自動化工程學院黃俊峰、劉寅東老師不遺余力的進行了指導和答疑，并提出了很多寶貴的意見和建議。在此深表感謝！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。5參考文獻

[1]王義軍.數字電子技術基礎.北京：中國電力出版社，2007[2]韓學軍.模擬電子技術基礎.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用.南京：東南大學出版社，2004[4]郭鎖利.基于Multisim9的電子系統設計仿真與綜合應用.北京：人民郵電出版社，2008[5]史久貴.基于AltiumDesigner的原理圖與PCB設計.北京：機械工業出版社，2010

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目錄

1設計目............................................................................................................................-1-

1.1設計內容及要.............................................................................................................-1-

1.1.1設計指..............................................................................................................-1-

1.1.2原理框..............................................................................................................-1-

2系統具體設計及參數計................................................................................................-2-

2.1設計思路.....................................................................................................................-2-

2.2各模塊詳細設.........................................................................................................-2-

2.2.1數據比較和原始密碼輸入模..........................................................................-2-

2.2.2串行輸入模......................................................................................................-4-

2.2.3時鐘模..............................................................................................................-5-

2.2.4計時模..............................................................................................................-6-

2.2.5門鈴模..............................................................................................................-7-

2.2.6報警模..............................................................................................................-8-

2.2.7聲響模..............................................................................................................-9-

2.2.8按鍵去抖模......................................................................................................-9-

2.2.9系統復位電....................................................................................................-10-

2.3總電路圖...................................................................................................................-10-

2.4元器件清...............................................................................................................-11-

3仿真..................................................................................................................................-11-

3.1密碼輸入模塊仿...............................................................................................-12-

3.2門鈴模塊仿............................