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，锁被翻开，当开锁输入码与密码不一致时，那么报警。设计内容及要求设计指标·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，锁被翻开。 ·当开锁输入码与密码不一致时，那么报警。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。原理框图串行输入模块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图1原理框图2系统具体设计及参数计算设计思路1、数据比拟模块。数据比拟模块是电子锁的核心局部。由于是八位数据比拟，所以采用两片7485〔四位数字比拟器〕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〔四位双向通用移位存放器〕级联成八位数据输入模块，分别接到数据比拟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。假设各模块的芯片有清零端\使能端，那么接到一起，设计一个复位开关控制。假设没有，那么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。各模块详细设计数据比拟和原始密码输入模块器件选择采用两片7485〔四位数字比拟器〕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27485引脚图表17485功能表电路设计图3数据比拟模和原始密码输入模块电路图如图3所示两片7485级联成八位数据比拟模块，左边为低四位，右边为高四位。P口由5VVCC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。假设正确，那么6脚为高，另两脚为低。假设不正确，那么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。串行输入模块器件选择S1S0cp功能0×××清零100×保持101↑右移110↑左移111↑并行输入采用两片74194〔四位双向通用移位存放器〕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474194引脚图表274194功能表电路设计图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[PUTIN]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拟模块的低位和高位。【注】由于实际应用中开关存在抖动现象，这里仅做原理阐述，并没有参加去抖电路，参加去抖电路后的电路见总电路图。时钟模块电路设计图6时钟模块电路图图6时钟模块电路图如图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T22C1。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774290引脚图图87448引脚图表374290功能表表374290功能表电路设计图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。74290A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。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电路设计图10门铃模块电路图如下图，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。假设TRIG端低电平持续时间大于暂稳态时间，那么系统进入到不稳定状态。所以在触发端TRIG之前参加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。报警模块图11报警模块电路图图11报警模块电路图如图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，占空比83%的波形输出。计算公式见上文时钟模块设计。声响模块根据题目要求，门铃和报警模块公用一个蜂鸣器。因担忧驱动能力不够，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声响模块电路图按键去抖模块图13MAX6818引脚图采用美信公司的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13MAX6818引脚图系统复位电路 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。总电路图图14总电路图元器件清单元器件标号封装型号数量电阻器R0－R19Res220电容器C1－C7Cap7二极管D1,D2DO-41Diode1N40012数码管DS1,DS2LEDDIP-10DpyRed-CC2蜂鸣器LS1PIN2Bell1消抖器P1SSOPMAX68181三极管Q1TO-92A85501波段开关S1DIP_SW_8WAY_SMDSWDIP-81按键开关S2,S3SPST-2SW-SPST2单刀双掷开关S4TL36WW15050SW-SPDT1轻触开关S5SPST-2SW-PB1BCD译码器U1,U2DIP16SN74LS48N2十进制计数器U3,U4DIP14SN74LS290N2时基电路U5,U7,U13DIP10LM555CN3反相器U6DIP2074AC11204N1数据比拟器U8,U9DIP20SN74LS85N2或门电路U10DIP20SN74LS32D1串入并出存放器U11,U12DIP16SN74LS194AD2表4元器件清单3仿真Multisim是美国国家仪器〔NI〕推出的以Windows为根底的仿真工具，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Multisim10进行仿真。密码输入模块仿真图15串行密码输入和数据比拟模块仿真电路图 如图15所示为串行密码输入模块和数据比拟模块仿真电路图。当输入密码与预先编码一致时，中间LED亮起，假设不一致，左侧或右侧LED亮起。经观察，仿真结果和电路设计一致。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。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。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。总仿真电路图图22总仿真电路图4总结工作进程：接到设计题目，着手准备设计，去图书馆借阅相关书籍。：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，这一局部耽误了很长时间，但是也收获了很多知识。：画总电路图，绘制CAD图纸，写设计报告。1.13：设计完成。心得体会通过本次数字电子课程设计，使我更加熟悉和掌握了电子电路设计的知识和技巧，对数字电子技术有了更深层次的理解。同时，更加全面的解了74系列芯片的功能和型号，对今后的工作和学习由很大帮助。在电路仿真过程中，也遇到了很多问题。比方，Multisim软件仿真时，需要进行仿真时间步长设置。如果设置步长过小，现实中过去一分钟，软件中可能只运行几秒。通过请教指导老师和自己摸索，进行了正确而的设置，解决了问题。再如，555定时器构成单稳态触发器时，触发端下降沿有效，但是低电平时间不能大于暂稳态时间。当我正在为这个问题纠结时，突然想起了单片机上电复位的电路，于是我尝试将单片机上电复位电路应用到单稳态触发器的触发电路，问题迎刃而解。在设计过程中，由于有些细小的问题没有注意到，导致了电路仿真不好使。这些的知识老师课上都讲过，只是当时没有注意到。以后上课要多注意听讲，看书要仔细，细节决定成败。由于芯片生产厂家大多数是外国企业，很多技术资料都是全英文的，经过翻译的资料也不保证准确性。所以我们自动化专业的学生更应该掌握好英文能力，对待英语学习应该重视起来。本次数字电子课程设计，东北电力大学自动化工程学院黄俊峰、刘寅东老师不遗余力的进行了指导和答疑，并提出了很多珍贵的意见和建议。在此深表感谢！对我们而言，知识上的收获很重要，精神上的丰收更加可喜。挫折是一份财富，经历是一份拥有。这次实习必将成为我人生旅途上一个非常美好的回忆！希望以后还能够有像这次一样自己动手的时机。5参考文献[1]王义军.数字电子技术根底.北京：中国电力出版社，2007[2]韩学军.模拟电子技术根底.北京：中国电力出版社，2021[3]孙育才.MCS-51单片微型计算机及其应用.南京：东南大学出版社，2004[4]郭锁利.基于Multisim9的电子系统设计仿真与综合应用.北京：人民邮电出版社，2021[5]史久贵.基于AltiumDesigner的原理图与PCB设计.北京：机械工业出版社，2021目录1设计目的 1设计内容及要求 1设计指标 1原理框图 12系统具体设计及参数计算 2设计思路 2各模块详细设计 2数据比拟和原始密码输入模块 2串行输入模块 4时钟模块 5计时模块 6门铃模块 7报警模块 8声响模块 9按键去抖模块 9系统复位电路 10总电路图 10HYPERLINK\l"_