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2017年6月30日
一、用途
数字电子锁死一种通过密码输入控制电路或者芯片工作,从而控制机械开关的打开或者闭合,完成开锁、闭锁任务的电子产品。
由于保密性好,方便快捷的特点,广泛应用于超市、住家、办公场合。
二、主要技术指标
一个8位串行数字密码锁,该锁只有当依次收到的8位串行码与预定的二进制数码一致时,才能被打开。
三、设计步骤
3.1电路设计原理图
图3.1电子密码锁原理图
本次项目设计的电子密码锁由电子密码输入电路、编码电路、密码存储电路、密码输出电路、密码比较电路和开锁控制电路组成,仿真主要针对输入电路、编码、存储和比较电路。
原理图见图3.1。
3.2电路实现
本次的实际仿真电路如图3.2所示,仿真平台基于Proteus。
在实现基本的密码锁功能的前提下,本项目对锁的功能进行了提升。
电子锁密码可实时更换,并且操作简单;
设置有清零键,便于输入错误时重新输入;
电子锁本身依靠按键动作产生脉冲信号,简单可靠,鲁棒性相对较强;
电路结构简洁,使用中等规模的集成电路,使得设计、实现性更强。
电路使用的集成电路有74LS138、74LS148、74LS163、74LS194、74LS85等。
图3.2仿真电路图
3.2.1数字按键电路
键位设置见图3.3。
电子锁的按键设置为11位,其中芯片U1设置6位密码位,U2设置2位密码位,按键按下代表密码位为0,弹起代表1,以此表示8位二进制密码;
其余两位:
U2的1端口用作*位键来确认密码设定完毕,U2的7端口用作清零键来覆盖输入密码时可能出现的错误。
图3.3密码锁键位设置
3.2.2编码电路
输入电路的核心是用两片线8线-3线编码器74LS148组成的一个16线-4线编码器,芯片的输入端对应11个键位,编码器输出Z3、Z2、Z1、Z04位二进制编码,两片74LS148的Z2、Z1、Z0经过与非门后分别对应着8片74LS194的D2、D1、D0,U1的EO端作为输出端Z3,Z3经过非门后对应8片74LS194的D3端。
图3.474LS148功能表
图3.574LS148引脚图
由其功能可知,该电路中两片74LS148交替处于工作状态,由于
于是可以利用两芯片的GS端经异或门后输出为CP脉冲信号。
并且在无输入的情况下CP为0,当有键位被按下,就会产生输入信号使得CP为1,这样就构成了CP单次脉冲,该脉冲信号是74LS148、74LS194和74LS136的时钟信号,来控制信号的串行输入。
U5~U8和U13~U16作为数据传输电路,U5~U8在设置密码的过程中起到将密码编码传送给密码存储电路的作用;
设置密码完成后,U13~U16将经过转换后的串行信号Z3、Z2、Z1、Z0传输到比较电路的B3、B2、B1、B0端参与密码比对。
传输电路的核心是双向位移寄存器74LS194,这里主要使用其数据传送的功能,具体芯片功能及引脚分布见图3.6。
图3.674LS194的功能表
数据输入的主要控制电路的核心是74LS163实现的置数法4进制加计数器以及一个74LS138译码器。
前者控制密码中的有效编码为4位,后者决定数据传输电路中工作的芯片,以实现对4位有效编码的分时、串行的传输和存储。
电路部分见图3.9。
由其功能表不难看出,当输入为三线时(本电路中A2
,输入信号实则为A0、A1控制)74138经过输出端的反相,使得输出信号按照Y0、Y1、Y2、Y3的顺序依次为高电平,就实现了4片74194按顺序依次发挥数据传输的作用
图3.874LS138的功能表
图3.9数据的主要控制电路
3.2.3密码存储电路
密码的设置需要将4个单刀双掷开关都置于非地端,一次按下一位密码按键,在8位密码键中选输4位有效新密码,当74LS163输出端ABC=000时,第一片74LS194置数;
当输出端ABC=001时,第二片74LS194置数;
当输出端ABC=010时,第三片74LS194置数;
当输出端ABC=011时,第四篇74LS194置数。
图3.10密码储存电路的主要部分
设置完成后要先将4个单刀双掷开关全部置于地端,再连续按下4次*号键(对应U2的1端口),密码设置成功。
在这个过程中,4位二进制编码在数据控制电路的第一轮工作周期中会依次传送给U5~U8的B3、B2、B1、B0端口并传输给各自的Q端口,即相当于将编码传送给与其相连的74LS85的A3、A2、A1、A0端口;
在第二轮工作周期中,4片74LS194(U5~U8)的S0、S1都为0,此时的四片74LS194(U5~U8)都处于保持状态,而7485的A端保持着74194传输的编码(电位),至此密码存储完成。
最终,密码相当于以4个电位高低的形式存储在数据比较器74LS85的A3、A2、A1、A0端口。
3.2.4密码比较电路
锁在使用时,要依次输入4位有效密码按键相当于二进制编码中的0电位,其余编码位为1电位。
每按一次按键,就会一个单次脉冲产生,使得74163构成的计数器开始工作,当74LS163的输出端ABC=000时,第一片74LS194置数;
当输出端ABC=001时,第二片74LS19置数;
当输出端ABC=011时,第四片74LS194置数。
如果输入有误,可以按下清除键(对应U1的7端口的按键),此时74LS163的计时从A1A0=00开始一个新的工作周期,依次重新输入即可覆盖原来输入的编码(即达到抽象意义上的“清零”)。
由于密码存储电路中74LS194的输出端连接到比较器74LS85的A输入端,密码输出电路中74LS194的输出端接到74LS85的B输入端。
每次按键输入完成后,输入的4个有效编码信号会依次经不同的74194并行传输给7485(U17~U20)的B端口,而后每片74LS85的A=B端分别接到一片74LS194的输入端,该74LS194的S0、S1接1,使74LS194处于置数状态,又有外加的方波信号保证A与B端口实时比较,74LS194的输出端又通过一个4输入的与门相连,最后连接一个LED灯,只有当每片74LS85的A=B都为高电平时,灯才亮。
如果输入的密码和设置的密码相同时,LED灯变亮,反之LED灯不亮,分别表示锁开和锁不开两种状态。
图3.11密码比较电路与开锁电路
四、电路仿真
4.1脉冲产生调试
借用电压探针显示某时刻电路节点的电压大小,高电位为逻辑1,零电位为逻辑0,由仿真结果可知,当有任意按键按下时,U3:
D的显示电压为“SHI”(高电平),当没有电键按下时,显示“SLO”(低电平)。
说明脉冲信号产生正常。
图4.1脉冲调试
4.2数据传输调试
验证数据控制电路的功能,实现按一次键产生一次脉冲,74163四进制加计数器加一次,74138输出高电平换一个端口,实现对74194的逐个数据并行传输使能,借用电压探针显示电路的电位变化。
由三次按键测试可知,每次任意按下一个按键,74138的四个输出中仅有一个为“SHI”高电平,其它为“SLO”低电平,而这四个输出端连接74194的S1S0,由其功能表可知当S1S0=11时就会使74194进入并行数据传输的状态,因此可知,74138与74163实现了在74194之间的选择,使得多个74194可以工作于串行状态下,为密码的串行输入、存储、比较提供了基础。
图4.2数据传输控制与选择调试
4.3密码锁功能调试
按照要求设置八位二进制密码,其中有效密码编码为四位。
图4.3是锁未打开的时候的状态,借用电压探针显示各端口的电压状态,当四次输入的信号都要不满足四位密码编码的情况时,得到了QA=B端口都是“SLO”低电平,使得二极管一端的电压为0V,即灯不亮,锁未打开。
图4.3电子锁功能测试1
在按照设定的密码依次按下按键,这时可以得到下图的结果,显然灯是亮着的情况,此时锁是打开的状态。
、
图4.4电子锁功能测试2
清零端的功能测试。
在输入真确编码的时候,输入错误一个按键,由于是串行编码的电子锁,所以使用“清零”功能,多次按下U2的7引脚对应的清零按键,重新开始输入。
多次按下按键后74163的输出一直为ABC=000(三个输出端的电压显示为“SLO”)。
证明清零功能正常。
图4.5清零功能测试
五、小结
5.1仿真平台真的很重要。
课程项目花的时间最多的在搭建平台上,仿真软件使用不熟练,原理搞懂在面对实际问题的时候也是捉襟见肘,看书跟做项目真的是两回事儿,实际中的问题远比题目的设定要复杂和无规律的多,因此项目很有必要多仿真几遍,软件没用熟的苦苦熬了几天也逐渐有眉目,搭建电路、实时分析网络功能的速度也有点起色。
关键查的书多,练习也足够了!
5.2最难还在电路的调试。
就算是按照样例把电路搭好了也不一定能达到自己想要的输出结果,原理没有问题,可是元件的参数就是搞不准确,效果也保证不了,参考书也不是很靠谱,翻阅的书要不就是大同小异,要不就会错误明显,有价值、优秀的书百里挑一,这时最伤脑筋的。
然而跳出依赖参考书的误区,必须得自己思考、验算,不能抱着省事儿的想法去找本书来抄,而是应该本着学习更扎实的方向去查阅,在不断修正和参考过程逐渐就提高了自己能力,所以几小时搞定一款仿真软件入门还是可以的。
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