数字电子课程设计-《电子锁及门铃电路设计与Multisim电路仿真和ALtium-Designer绘制电路原理图》

1设计目的利用数字电路的理论和知识进行设计， 设计一个电子锁，密码为8位二进制代码，当开锁输入码与密码一致时，锁被打开，当开锁输入码与密码不一致时，则报警。

1.1设计内容及要求1.1.1设计指标·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。

·开锁输入码与密码一致时，锁被打开。

·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秒后再出现。

·报警器可以兼作门铃使用，门铃时间为10秒。

·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。

1.1.2原理框图图1 原理框图串行输入模块比 较 模块原始 密码扬声器扫描 电路数码管计时 模块声响 模块2系统具体设计及参数计算2.1设计思路1、数据比较模块。

数据比较模块是电子锁的核心部分。

由于是八位数据比较，所以采用两片7485（四位数字比较器）级联方式。

用高4位的芯片的输出端（YA=YB,YA<YB,YA>YB）控制门铃和报警电路。

2、原始密码输入模块。

由八个波段开关构成，表示每一位的数据，分别接到高位7485和低位7485上。

另一端接5V电源，当按键接通时表示“1”，当案件未接通时，表示“0”。

3、串行密码输入模块。

采用两片74194（四位双向通用移位寄存器）级联成八位数据输入模块，分别接到数据比较模块的高四位和低四位。

具体输入电路见下文分析。

4、时钟模块。

计时模块用来产生标准的秒脉冲给电路提供时序。

可采用555定时器构成多谐振荡器，也可以使用8051单片机定时器产生标准方波。

在电路仿真时采用软件自带的电压信号产生器。

5、计时模块。

采用两片74290（二\五分频十进制计数器）级联方式构成十进制、可显示0-99计时模块。

芯片输出BCD码，由7448（BCD-7段译码器\内部上拉输出驱动）驱动两个数码管（共阴极）。

6、显示模块。

时间显示采用两个7段共阴极数码管。

7、门铃模块。

采用单稳态触发器。

可以用555定时器构成，也可以用集成芯片构成。

我采用集成芯片74123（单稳态多谐振荡器）。

8、报警模块。

采用多谐振荡器，周期18秒，占空比63%。

由555定时器构成。

9、声响模块。

采用直流驱动蜂鸣器。

由门铃模块和报警模块驱动。

10、复位开关。

若各模块的芯片有清零端\使能端，则接到一起，设计一个复位开关控制。

若没有，则将其接地端串联到一个复位开关。

11、按键去抖。

采用美信公司的MAX6818开关去抖器。

2.2各模块详细设计2.2.1数据比较和原始密码输入模块器件选择采用两片7485（四位数字比较器）级联方式。

用高4位的芯片的输出（YA=YB,YA<YB,YA>YB）控制门铃和报警电路。

其引脚图和功能表如图2和表1所示。

图2 7485引脚图表1 7485功能表图3 数据比较模和原始密码输入模块电路图如图3所示两片7485级联成八位数据比较模块，左边为低四位，右边为高四位。

P 口由5V VCC 经编码开关接入，设定原始密码。

Q 口由串行数据输入模块接入。

高位芯片5、6、7引脚输出电平表示开锁密码是否正确。

若正确，则6脚为高，另两脚为低。

若不正确，则5脚或7脚为高，六脚为低。

5、7脚通过或门电路（7432）接报警模块。

6脚接门铃模块。

2.2.2串行输入模块器件选择采用两片74194（四位双向通用移位寄存器）级联成八位数据输入模块。

其引脚图和功能表如图4和表2所示图4 74194引脚图 表2 74194功能表C R ______S1 S0 cp 功能 0 × × × 清零 1 0 0 × 保持 1 0 1 ↑ 右移 1 1 0 ↑ 左移 111↑并行输入图5 串行输入模块电路图如图5所示，两片7449构成八位串行输入并行输出模块，左侧为低位，右侧为高位。

采用功能表第三行（右移）模式。

输入密码时，按下[START]按键，使模块由清零进入工作状态。

单刀双掷开关决定模块输入“1”或“0”。

按下[PUT IN]轻触开关时，两芯片获得同步脉冲，此时所有数据向高位移动一位。

低位的输出端QD连接高位的输入端SR，完成由低位向高位的数据传送。

两芯片的输出端分别接到数据比较模块的低位和高位。

【注】由于实际应用中开关存在抖动现象，这里仅做原理阐述，并没有加入去抖电路，加入去抖电路后的电路见总电路图。

2.2.3时钟模块电路设计如图6所示，由555定时器构成多谐振荡器，OUT为输出端，为计时模块产生秒脉冲。

该电路产生周期为1Hz，占空比为53%的波形。

计算公式为：高电平持续时间T1=0.7(R1+R2)C1。

低电平持续时间T2=0.7R2C1。

2.2.4计时模块器件选择采用两片74290（二\五分频十进制计数器）级联方式构成十进制、可显示0-99计时模块。

芯片输出BCD码，由7448（BCD-7段译码器\内部上拉输出驱动）驱动两个数码管（共阴极）。

74290引脚图如图7所示，7448引脚图如图8所示，74290功能表如表3所示。

图7 74290引脚图图8 7448引脚图图9 计时模块电路图如图9所示，该电路为十进制、0~99显示电路。

左侧为十位，右侧为个位。

74290 A端为脉冲输入，低位的QD接到高位的A，完成十进制进位。

输出BCD 码进入7448数码管译码器。

7448为内部上拉高效译码输出，用来驱动共阴极数码管。

使用时需要串联保护电阻，经Multisim软件仿真，阻值大约280Ω。

数码管K端接地。

2.2.5门铃模块当输入密码一致时，系统开锁，并触发门铃模块。

门铃模块采用由555电路构成的单稳态触发器。

稳态时间计算公式：T=RC图10 门铃模块电路图如图所示，由555定时器构成单稳态触发器。

OUT 为输出端，驱动门铃（蜂鸣器）。

暂稳态持续时间约为10 秒。

随后电路回到稳定状态。

由于555定时器的性质，触发端TRIG是下降沿触发，而不是低电平触发。

若TRIG端低电平持续时间大于暂稳态时间，则系统进入到不稳定状态。

所以在触发端TRIG之前加入RC电路和反相器。

整个系统由高电平驱动，当触发电平由低变高时，TRIG端收到一个下降沿，随后电容充电完毕，TRIG回到高电平，整个过程持续时间小于暂稳态持续时间。

2.2.6报警模块如图11所示，报警电路由555定时器构成多谐振荡器RST当作使能端。

高电平触发。

OUT为输出端，产生15秒高、3秒低的波形，触发蜂鸣器。

经计算，该电路构成频率0.056Hz，占空比83%的波形输出。

计算公式见上文时钟模块设计。

2.2.7声响模块根据题目要求，门铃和报警模块公用一个蜂鸣器。

因担心驱动能力不够，所以采用三极管放大电路。

门铃和报警模块输出端通过反相器接到8550PNP三极管基极。

当基极接收到低电平时，三极管导通,驱动蜂鸣器。

电路图如图12所示图12 声响模块电路图2.2.8按键去抖模块采用美信公司的MAX6818按键消消抖器。

其引脚图如图13所示，具体连接方式见总电路图。

图13 MAX6818引脚图.2.2.9系统复位电路采用开关复位设计。

即系统电源开关就是系统复位开关。

设计图略。

2.3总电路图图14 总电路图2.4元器件清单表4 元器件清单3仿真Multisim是美国国家仪器（NI）有限公司推出的以Windows为基础的仿真工具，适用于板级的模拟/数字电路板的设计工作。

它包含了电路原理图的图形输入、电路硬件描述语言输入方式，具有丰富的仿真分析能力。

本次设计采用Multisim 10进行仿真。

3.1密码输入模块仿真图15 串行密码输入和数据比较模块仿真电路图如图15所示为串行密码输入模块和数据比较模块仿真电路图。

当输入密码与预先编码一致时，中间LED 亮起，若不一致，左侧或右侧LED 亮起。

经观察，仿真结果和电路设计一致。

3.2门铃模块仿真图16 门铃模块仿真电路图 图17单稳态触发器输出波形U174194N A 3B 4C 5D 6SL 7QA 15QB 14QC 13QD12SR 2~CLR 1S09S110CLK11U274194NA 3B 4C 5D 6SL 7QA 15QB 14QC 13QD12SR 2~CLR 1S09S110CLK11U37485NA 213B 214A 112B 111O A G T B 5A 010B 09A 315B 31O A E Q B 6O A L T B7A E QB 3A L T B2A G TB 4U47485NA 213B 214A 112B 111O A G T B 5A 010B 09A 315B 31O A E Q B 6O A L T B7A E QB 3A L T B2A G TB 4低低startX22.5 V15VVDD5V VDD 5VVDD5V VSS 0VVSS 0VVSS0VVSS 0VX3 2.5 VU11A7432NS14Key = Space36373534333222VSSVDDVSS VDDVDD VSS VSS 1303129282726252423212019181716151413121110987654321如图16所示为门铃模块仿真电路图。

左上角开关模拟开锁门铃信号输入。

右侧LED 和蜂鸣器表示门铃响起。

当开关闭合式，触发单稳态触发器，同时由于RC 电路影响，555定时器触发端一段时间后回到高电平，保证了输入信号长时间保持高电平时，电路的稳定 。

图17为单稳态触发器波形图。

仿真结果与电路设计一致。

3.3报警模块仿真图18 报警模块仿真电路图 图19 多谐振荡器输出波形图如图18所示为报警模块仿真电路图，开关模拟报警信号输入，高电平触发。

LED 和蜂鸣器表示铃响。

图19为多谐振荡器输出端波形图。

经观察，仿真结果和电路设计一致。

3.4计时电路仿真图21 多谐振荡器输出波形图图20 计时模块仿真电路图如图20所示为计时模块仿真电路图，由555定时器构成多谐振荡器产生秒脉冲，右侧开关模拟报警和门铃模块信号输入。

数码管显示时间。

图21为秒脉冲输出端波形图。

经观察，仿真结果和电路设计一致。

555_VIRTUAL Timer1.701MΩR1438.1kΩR2100ΩRl10uF C10nF Cf5V VsXSC315sec /3sec U15SONALERT 400 HzLED5R37280 Ω53217643.5总仿真电路图图22 总仿真电路图4总结4.1工作进程1.4：接到设计题目，着手准备设计，去图书馆借阅相关书籍。

1.5-1.6：初步设计电路原理图，画出手稿。

1.7-1.11:电路仿真，熟悉Multisim仿真软件，这一部分耽误了很长时间，但是也收获了很多知识。

1.12：画总电路图，绘制CAD图纸，写设计报告。