带报警器的电子密码锁.docx
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带报警器的电子密码锁
高等专科学校
毕业论文(设计)
带报警器的电子密码锁
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应用电子技术
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摘要
本文的电子密码锁利用数字逻辑电路,实现对门的电子控制,并且有各种附加电路保证电路能够安全工作,有较高的安全系数。
本设计共设了10个用户输入键,其中只有4个是有效的密码按键,其它的都是干扰按键,若按下干扰键,键盘输入电路自动清零,原先输入的密码无效,需要重新输入;如果用户输入密码的次数超过3次(一般情况下,用户会不超过3次,若用户觉得不便,还可以修改)电路将报警。
【关键词】电子密码锁,555单稳态电路,74LS160触发器,74LS02或非门
Abstract
Thisarticleelectroniccombinationlockusedigitallogicelectriccircuit,realizestheelectroniccontrolwhichfaceseachother,andhaseachkindofstand-bycircuitguaranteecircuittobeablethetrouble-freeservice,hastheextremelyhighsafetycoefficient.
Thisdesignhasaltogethersupposed10userinputkey,onlythen4aretheeffectivepasswordpressedkeys,otherdisturbsthepressedkey,ifpressesdowndisturbsthekey,thekeyboardentryelectriccircuitresetsautomatically,inputsoriginallythepasswordisinvalid,needstheresumeload;Iftheuserinputabovethreetimes(inordinarycircumstances,userwillnotabovethreetimes,ifuserwillthinkinconveniently,butmayalsorevision)theelectriccircuitreporttothepolice.
【Keyword】Electroniccombinationlock555monostablecircuit74LS160trigge
and74LS02ANDORGATEINVERTER。
第1章绪论
1.1国内外现状
目前,最常用的锁是20世纪50年代意大利人设计的机械锁,其机构简单、使用方便、价格便宜。
但在使用中暴露了很多缺点:
一是机械锁是靠金属制成的钥匙上的不同齿形与锁芯的配合来工作的。
据统计,每4000把锁中就有两把锁的钥匙齿牙相同或类似,故安全性低。
二是钥匙一旦丢失,无论谁捡到都可以将锁打开。
三是机械锁的材料大多为黄铜,质地较软,容易损坏。
四是机械锁钥匙易于复制,不适于诸如宾馆等公共场所使用。
由于人们对锁的安全性,方便性等性能有更高的要求,许多智能锁(如指纹辨别、IC卡识别)也相继问世,但这类产品的特点是针对特定指纹或有效卡,但能适用于保密要求高且仅供个别人使用的箱、柜、房间,其成本一般较高,在一定程度上限制了这类产品的普及和推广。
随着人们生活水平的提高,电子密码防盗锁作为防盗卫士的作用日趋重要。
电子密码防盗锁用密码代替钥匙,不但省去了佩戴钥匙的烦恼,也从根本上解决了普通门锁保密性差的缺点。
根据国外的统计资料显示,装有电子防盗装置的商业区或居民区盗窃犯罪率平均下降30%左右。
目前西方发达国家已经大量地应用这种智能门禁系统,但在我国的应用还不广泛,成本还很高。
1.2设计目标
①.超级密码设置(组合键+8位密码),此密码只有管理员使用;
②.用户密码4位:
密码通过键盘输入,输入两次有效,输出锁死信号;
③.开锁:
输入密码正确,确认后,输出开锁信号;
④.现场报警功能:
密码输入连续错误3次,给出声音报警。
1.3课程设计内容
设计一个电子密码锁控制电路,当按密码的规定的顺序按下按钮时,输出端为高电平,电子锁动作。
若不按此顺序或其他按钮时,输出端为低电平,电子锁不动作。
此外,若操作时间超过一定时间,电路输出报警信号。
若在此时间内完成,报警信号关闭。
1.4课程设计要求
密码可自行设置的串行电子密码锁,开锁代码为4位二进制数。
以灯泡作为指示灯,当输入密码的与密码锁内的密码一致时,指示灯亮,电子密码锁打开。
当输入的密码与锁内的密码不一致时另一个灯泡亮,不能开锁,系统进入“错误”状态,并发出报警信号,直到按下复位开关,警报才停止。
第2章设计框图
设计框图如图2-1所示
图2-1设计框图
2.1键盘输入
可根据电源接电阻,可利用开关设置以及非门来取得高低电平,实现下一步的要求。
2.2密码检验电路
根据用户输出的4位2进制数,利用高低电平的转换,通过利用与门之间的联系,如果开锁正确,则开锁灯泡发光。
2.3密码修改
利用几个非门的结合,用户有16种密码设置,在密码的修改中,用户可将密码自行设置。
2.4限时报警电路
首先利用555定时器接成一个多谢振荡器,根据所需要求接成用户所需要的频率。
利用一个计数器计数,用户可自行选择,比如选用一个74LS160,可记录10进制的数。
2.5开锁电路
用户输入密码正确情况下,电路中的正确的灯亮;
如果用户密码输入错误或者在一定时间范围内未能解开电路,电路将发生报警信号,在一段时间内未解锁可利用D触发器还原进入再次开锁状态,输入密码重新开锁。
第3章元器件的选择及其作用
3.1总体电路图设计
图3-1带报警器的密码锁电路图
3.2元器件选择
表3-1:
LM555
1块
74LS74
1块
74LS160
1块
DCD_HEX
1块
7408
3块
7404
2块
74LS02
1块
50kΩ
2块
10kΩ
5块
100nF
1块
150nF
1块
4V∕0.5W灯泡
2块
单掷开关
5块
3.2.1DCD-HEX的功能介绍
DCD_HEX是七段数码显像管,以数字形式输出结果。
3.2.2555定时器的介绍与应用
555定时器是一种模拟和数字功能相结合的中规模集成器件。
一般用双极性工艺制作的称为555,用CMOS工艺制作的称为7555,除单定时器外,还有对应的双定时器556/7556。
555定时器的电源电压范围宽,可在4.5V~16V工作,7555可在3~18V工作,输出驱动电流约为200mA,因而其输出可与TTL、CMOS或者模拟电路电平兼容。
555定时器成本低,性能可靠,只需要外接几个电阻、电容,就可以实现多谐振荡器、单稳态触发器及施密特触发器等脉冲产生与变换电路。
它也常作为定时器广泛应用于仪器仪表、家用电器、电子测量及自动控制等方面。
555定时器的内部电路框图和外引脚排列图分别如图4所示。
它内部包括两个电压比较器,三个等值串联电阻,一个RS触发器,一个放电管T及功率输出级。
它提供两个基准电压VCC/3和2VCC/3。
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A1的反相输入端的电压为2VCC/3,A2的同相输入端的电压为VCC/3。
若触发输入端TR的电压小于VCC/3,则比较器A2的输出为1,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A1的输出为1,A2的输出为0,可将RS触发器置0,使输出为0电平。
555定时是美国Signetics公司1972年研制的用于取代机械式定时器的中规模集成电路,因输入端设计有三个5kΩ的电阻而得名。
此电路后来竟风靡世界。
目前,流行的产品主要有4个:
BJT两个:
555,556(含有两个555);CMOS两个:
7555,7556(含有两个7555)。
555定时器可以说是模拟电路与数字电路结合的典范。
两个比较器C1和C2各有一个输入端连接到三个电阻R组成的分压器上,比较器的输出接到RS触发器上。
此外还有输出级和放电管。
输出级的驱动电流可达200mA。
比较器C1和C2的参考电压分别为UA和UB,根据C1和C2的另一个输入端——触发输入和阈值输入,可判断出RS触发器的输出状态。
当复位端为低电平时,RS触发器被强制复位。
若无需复位操作,复位端应接高电平。
555的应用:
(1)构成施密特触发器,用于TTL系统的接口,整形电路或脉冲鉴幅等;
(2)构成多谐振荡器,组成信号产生电路;
(3)构成单稳态触发器,用于定时延时整形及一些定时开关中。
555应用电路采用这3种方式中的1种或多种组合起来可以组成各种实用的电子电路,如定时器、分频器、脉冲信号发生器、元件参数和电路检测电路、玩具游戏机电路、音响告警电路、电源交换电路、频率变换电路、自动控制电路等
555定时器的集成电路外形、引脚、内部结构,如图3-2所示,特性如表2所示,以及本设计的电路如图3-3所示:
图3-2外引线排列
图3-3内部结构图
GND:
接地端
:
低触发端OUT:
输出端
:
复位端
CO:
控制电压端TH:
高触发端D:
放电端VCC:
电源端
表3-2特性表
CO
UTH
UTR
UOUT
T的状态
0
0
X
X
UOL
导通
1
0
UOL
导通
不变
不变
X
UOH
截止
1
>VCO
UOL
导通
UOL 不变 X 不变 截止 图3-4设计的555多谐振荡器 振荡周期为: 振荡频率为: 3.2.374LS02的介绍 四组2输入端或非门(正逻辑) 功能: 实现2输入或非门功能,常用于各种数字电路中。 3.2.474LS160的介绍 74LS160的管脚图如图3-5所示,真值表如表3所示: 逻辑图如图3-6所示: 图3-574LS160管脚图 表3-374LS160真值表 输入 输出 CL K CL R LO AD EP ET A B C D QA QB QC QD X 0 X X X X X X X 0 0 0 0 ⇧ 1 0 X X A B C D A B C D X 1 1 0 X X X X X 保持 X 1 1 X 0 X X X X 保持 ⇧ 1 1 1 1 X X X X 加法计数 ⇧ 1 0 X X 0 0 0 0 0 0 0 0 图3-674LS160的逻辑图 简要说明: 74LS160为可预置的十进制计数器,共有74160和54/74LS160两种线路结构型式,其主要电器特性的典型值如表(不同厂家具体值有差别): 上表是74LS160的主要电器特性异步清零端CR为低电平时,不管时钟端CP信号状态如何,都可以完成清零功能。 160的预置是同步的。 当置入控制器DE为低电平时,在CP上升沿作用下,输出端Q0-Q3与数据输入端D0-D3一致。 对于74160,当CP由低至高跳变或跳变前,如果计数器控制端EP、ET为高电平,则DE应避免由低至高电平的跳变,而74LS160无此种限制。 160的计数是同步的,靠CP同时加在四个触发器上而实现的。 当EP、ET均为高电平时,在CP上升沿作用下Q0-Q3同时变化,从而消除了异步计数器中出现的计数尖峰。 对于4LS160的EP、ET跳变与CP无关。 160有超前进位功能。 当计数溢出时,进位输出端(TC)输出一个高电平脉冲,其宽度为Q0的高电平部分。 在不外加门电路的情况下,可级联成N位同步计数器。 对于74LS160,在CP出现前,即使EP、ET、CR发生变化,电路的功能也不受影响。 3.2.574LS74的作用与应用 负跳沿触发的主从触发器工作时,必须在正跳沿前加入输入信号。 如果在CP高电平期间输入端出现干扰信号,那么就有可能使触发器的状态出错。 而边沿触发器允许在CP触发沿来到前一瞬间加入输入信号。 这样,输入端受干扰的时间大大缩短,受干扰的可能性就降低了。 边沿D触发器也称为维持-阻塞边沿D触发器。 电路结构: 该触发器由6个与非门组成,其中G1和G2构成基本RS触发器。 工作原理: SD和RD接至基本RS触发器的输入端,它们分别是预置和清零端,低电平有效。 当SD=0且RD=1时,不论输入端D为何种状态,都会使Q=1,Q=0,即触发器置1;当SD=1且RD=0时,触发器的状态为0,SD和RD通常又称为直接置1和置0端。 我们设它们均已加入了高电平,不影响电路的工作。 工作过程如下: 1.CP=0时,与非门G3和G4封锁,其输出Q3=Q4=1,触发器的状态不变。 同时,由于Q3至Q5和Q4至Q6的反馈信号将这两个门打开,因此可接收输入信号D,Q5=D非,Q6=Q5非=D。 2.当CP由0变1时触发器翻转。 这时G3和G4打开,它们的输入Q3和Q4的状态由G5和G6的输出状态决定。 Q3=Q5非=D,Q4=Q6非=D非。 由基本RS触发器的逻辑功能可知,Q=Q3=D。 3.触发器翻转后,在CP=1时输入信号被封锁。 这是因为G3和G4打开后,它们的输出Q3和Q4的状态是互补的,即必定有一个是0,若Q3为0,则经G3输出至G5输入的反馈线将G5封锁,即封锁了D通往基本RS触发器的路径;该反馈线起到了使触发器维持在0状态和阻止触发器变为1状态的作用,故该反馈线称为置0维持线,置1阻塞线。 Q4为0时,将G3和G6封锁,D端通往基本RS触发器的路径也被封锁。 Q4输出端至G6反馈线起到使触发器维持在1状态的作用,称作置1维持线;Q4输出至G3输入的反馈线起到阻止触发器置0的作用,称为置0阻塞线。 因此,该触发器常称为维持-阻塞触发器。 总之,该触发器是在CP正跳沿前接受输入信号,正跳沿时触发翻转,正跳沿后输入即被封锁,三步都是在正跳沿后完成,所以有边沿触发器之称。 与主从触发器相比,同工艺的边沿触发器有更强的抗干扰能力和更高的工作速度。 74LS74芯片的管脚图如图3-7所示: 图3-774LS74芯片的管脚图 电容根据555电路的要求设计,用户可利用555定时器的多些振荡器周期和频率的计算得到所需的电容以及电阻。 第4章各功能模块及其应用 4.1键盘输入 键盘输入: 可根据电源接电阻,可利用开关设置以及非门来取得高低电平,实现下一步的要求。 密码输入电路如图8给出: 由开关K1-K9及电容C1-C9组成,开关K1-K9是用户的输入密码的键盘,用户可以通过开关输入密码,开关两端的电容是为了提高开关速度,电路先自动将U1A、U1B、U2A、U2B清零,由报警电路或开琐电路送来的清零信号至74LS112的清零端,使U1A、U1B、U2A、U2B实现自动清零。 4.2密码修改电路 密码修改电路也如图4-1给出: 由双刀双掷开关S1-S4组成,它是利用开关切换的原理实现密码的修改。 例如要设定密码为1458,可以拨动开关S1向左,S2向右,S3向左,S4向右,即可实现密码的修改,由于输入的密码要经过S1-S4的选择,也就实现了密码的校验。 利用几个非门的结合,用户有16种密码设置,在密码的修改中,用户可将密码自行设置 图4-1键盘输入、密码修改电路 4.3密码检验电路 根据用户输出的4位二进制数,利用高低电平的转换,通过利用与门之间的联系,如果开锁正确,则开锁灯泡发光。 由两块74LS112(双JK触发器,包含U1A、U1B、U2A、U2B)组成密码检测电路。 由于U1A处于计数状态,当用户按下第一个正确的密码后,CLK端出现 了一个负的下降沿,U1A计数,Q端输出为高电平,用户依次按下有效的密码,U1B、U2A、U2B也依次输出高电平,送入与门U3A,其输出的高电平信号送 往与非门U4A的1脚,使其输出的低电平信号送往U5的2脚,执行电路动作,实现开锁。 密码检测电路可图4-2所示: 图4-2密码检测电路 4.4报警电路 利用555定时器接成一个多谢振荡器,根据所需要求接成用户所需要的频率。 利用一个计数器计数,用户可自行选择,比如选用一个74LS160,可记录10进制的数。 用555定时器绘制出多谐振荡器。 按图接好电路,通过阻值的变化,得到用 户所需的值。 这里R1和R2设置为50kΩ,C1为150nF,C2为100nF。 接示波器观察波形。 在这里,可利用一些公式进行简单的计算得到用户所需的频率和周期,选值也要按照器件本身的价格进行选择。 波形图如图4-3所示: 图4-3用555定时器接成的多些振荡器产生的矩形波 在产生波形后,接十进制74LS160,接显示器译码器使其产生10进制的输出,并在显示器显示,如图4-4、4-5所示。 图4-4接好的10位计数器地路图 图4-5电路显示的的最后一位 然后,设计一个带清零的电路图以及在10秒后计数器停止工作,并有报警灯泡发出报警信号。 利用D触发器的原理,当进位端RCO进位时,给D触发器一个上升沿,Q触发器发生偏转,在输出端Q输出高电平,利用一个或非门将其由1变成0,并使ENP和ENT变成0,74LS160十位计数器处于保持状态,而且由于为能在10秒内开锁,由另一端的报警电路报警信号发出,报警灯泡发光。 当要进行下一次开锁时,可利用开关进行重新开锁。 本模块是密码锁的报警电路的核心,如图4-6、4-7、4-8所示: 图4-6报警电路 图4-7报警电路在10秒后发出报警信号 图4-8摁下开关,报警电路进入下次开锁 最后,设置密码电路,密码电路利用高低电平的转换,这里可以用开关的开与断和非门的变换进行控制高电平和低电平,在经过与门的连接,控制电路,用一个开锁的灯进行检验,如图4-9、4-10所示 图4-9设置密码为1101的电路图 如图4-10密码正确时,正确的灯亮 4.5开锁电路 根据前面的的总体框图,器件选择,功能模块的分析,最后的电路如图4-11所示: 图4-11带报警器的电子密码锁 由图可知,密码设为二进制为1101。 当用户将正确的密码输入后,并在10秒内完成,密码锁开锁。 如图4-12所示: 图4-12正确开锁 当用户未在10秒内开锁或者开锁密码错误时,电路将自动锁定。 用户不能在进行开锁,报警灯将发出报警信号,如图4-13所示 图4-13用户不能正确开锁 当超过时间或进行下一次开锁时,可利用最上面的开关,进行复位。 根据实际的硬件电路图的实际链接,基本可以满足要求。 第5章总结 通过设计带报警器的密码锁,设计要求是4位串行的2进制密码锁,设计中遇到了如何产生方波,如何通过555计时器产生,如何让十进制74LS160计数,并在计数完全后不工作,如何利用其他芯片搭建报警系统,如何构造开锁系统… 设计过程中,计算555计数器的多谐振荡器,算周期和频率,以及如何非门,或非门,与门的结合,都是比较精密的,而且配合使用的一些其他电阻电容都是得计算。 本电路的设计中四位二进制电路稍显有点简单,密码设置也比较简单,而且又是串行,所以解开密码还是比较容易,所以设计中报警电路的时间就应相对设置的时间少点,这样可相对提高密码锁的防盗性。 通过此次设计,我对数字电路的知识有了更深一层的体会和了解,掌握了设计电子电路的方法,使我所学得到了全面的理论综合和实践应用,收益匪浅,酸甜苦辣,应有尽有。 从选题到论文撰写结束,从中得到了来自各方面的帮助,从学校的老师到我的同学,他们都是尽可能的伸出热情之手,从生活、学习、精神等诸多方面给予帮助和支持。 生活上互帮互助;学习上提供材料,帮助讲解,解答疑问;耐心指导,细心纠正;精神上给予大量的支持.通过此次设计,锻炼了我个人的动手能力,我感受到了老师对学生的那种悔人不卷的精神,老师给我们指导,使我们少走弯路,顺利完成设计,请允许我向你们致意崇高的敬意,感谢老师! 参考文献 [1]康华光.电子技术基础模拟部分(第五版).高等教育出版社.2005 [2]康华光.电子技术基础数字部分(第五版).高等教育出版社.2005 [3]胡宴如.耿苏燕.高频电子线路.高等教育出版社.2006 [4]邱关源.电路(第五版).高等教育出版社.2006 [5]李小坚.赵山林.冯小君.龙怀冰.ProtelDXP.电路设计与制版实用教程(第2版).人民邮电出版社.2008 [6]陈有卿.实用555时基电路300例.中国电力出版社.2005 [7]梅开乡.数字逻辑电路.电子工业出版社.2004 [8]沈任元.吴勇.数字电子技术基础.机械工业出版社.2001 [9]蔡惟铮.集成电子技术.北京.高等教育出版社.2004 [10]陈国华.陈红英.应用电子技术专业大型实验的实践[J].实验室研究与探索.1996 致谢 在论文完成之际,我要特别感谢我的指导老师老师的热情关怀和悉心指导。 在我撰写论文的过程中,黄卓冕老师倾注了大量的心血和汗水,无论是在论文的选题、构思和资料的收集方面,还是在论文的研究方法以及成文定稿方面,我都得到了老师悉心细致的教诲和无私的帮助,特别是他广博的学识、深厚的学术素养、严谨的治学精神和一丝不苟的工作作风使我终生受益,在此表示真诚地感谢和深深的谢意。 在论文的写作过程中,也得到了许多同学的宝贵建议,特别是伍远露同学提供技术上的指导,同时还到许多在工作过程中许多同事的支持和帮助,在此一并致以诚挚的谢意。 感谢所有关心、支持、帮助过我的良师益友。 最后,向在百忙中抽出时间对本文进行评审并提出宝贵意见的各位老师表示衷心地感谢!
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