編碼電子鎖的設(shè)計與制作論文.doc

編碼電子鎖的設(shè)計與制作論文隨著社會物質(zhì)財富的日益增長，安全防盜已成為社會問題。而鎖自古以來就是把守門戶的鐵將軍，人們對它要求甚高，既要安全可靠地防盜，又要使用方便，這也是制鎖者長期以來研制的主題。目前國內(nèi)，大部分人使用的還是傳統(tǒng)的機(jī)械鎖。然而，眼下假冒偽劣的機(jī)械鎖泛濫成災(zāi)，互開率非常之高。所謂互開率，是各種鎖具的一個技術(shù)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，也就是1把鑰匙能開幾把鎖的比率。經(jīng)國家工商局、國家內(nèi)貿(mào)局、中國消協(xié)等部門對鎖具市場的調(diào)查，發(fā)現(xiàn)個別產(chǎn)品的互開率居然超標(biāo)26倍。彈子鎖質(zhì)量好壞主要取決于彈子數(shù)量的多少以及彈子的大小，而彈子的多少和大小受一定條件的限制。此外，即使是一把質(zhì)量過關(guān)的機(jī)械鎖，通過急開鎖，甚至可以在不損壞鎖的前提下將鎖打開，提供了發(fā)展的空間。電子鎖是第三代計算機(jī)防盜報警器的核心組成部分，用于識別用戶身份的合法性。它有不少優(yōu)點(diǎn)。例如保密性強(qiáng)，防盜性能好可以不需要鑰匙，只要記住開鎖的密碼和方法，便可開鎖,即方便又可避免因丟失鑰匙帶來的煩惱和損失。如果密碼泄露,主人可以比較方便地設(shè)置新的開鎖密碼，不會造成損失，此外,編碼電子鎖將電子門鈴和防盜報警與電子鎖合為一體，實現(xiàn)了一物多用。由于以上諸多優(yōu)點(diǎn)，編碼電子鎖能夠廣泛地應(yīng)用于超市、住家、辦公單位等許多場所。1 系統(tǒng)方案選擇本次設(shè)計中分析了兩種方案，一種是中規(guī)模集成電路控制的方案，另一種是單片機(jī)控制的方案。兩中方案各有各的優(yōu)缺點(diǎn)，通過以下兩個方案的比較選擇設(shè)計了其中一個方案。11 中規(guī)模集成電路控制方案一：采用集成電路控制。編碼電子鎖電路分為編碼電路、控制電路、復(fù)位電路、解碼電路、防盜報警電路、門鈴電路。電子鎖主要由輸入元件、電路(包括電源)以及鎖體三部分組成，后者包括電磁線圈、鎖拴、彈簧和鎖柜等。當(dāng)電磁線圈中有一定的電流通過時，磁力吸動鎖栓，鎖便打開。用發(fā)光二極管代表電磁線圈，當(dāng)發(fā)光二極管為亮狀態(tài)時，代表電子鎖被打開。每來1個輸入時鐘，編碼電路的相應(yīng)狀態(tài)就向前前進(jìn)一步。在這個操作過程中，如果按照規(guī)定的代碼順序按動編碼按鍵，編碼電路的輸出就跟隨這個代碼的信息。正確輸入編碼按鍵的數(shù)字，控制電路通過整形供給編碼電路時鐘。一直按規(guī)定的編碼順序操作完，則解碼電路驅(qū)動開鎖電路把鎖打開。在操作過程中，如果沒有按照規(guī)定代碼順序按下數(shù)字鍵或按動了其他鍵，控制電路將驅(qū)動防盜報警電路產(chǎn)生報警信號。方案二：采用一種是用以at89s51為核心的單片機(jī)控制方案。利用單片機(jī)靈活的編程設(shè)計和豐富的io端口，及其控制的準(zhǔn)確性，不但能實現(xiàn)基本的密碼鎖功能，還能添加調(diào)電存儲、聲光提示甚至添加遙控控制功能。電子密碼的硬件以單片機(jī)AT89C51 為核心。AT89C51 是一種帶4k 字節(jié)閃爍可編程、可擦除只讀，存儲器FPEROM（Falsh Programmable and ErasableRead Only Memory）的低電壓、高性能CMOS 8 位微處理器。其外接12 個按鈕組成的34 鍵盤，通過4511 和7406（或7407）等驅(qū)動電路與單片機(jī)相連，以實現(xiàn)密碼等的顯示功能;利用串行EPROM 存儲器AT93C46 實現(xiàn)密碼有效的永久保存。電子密碼鎖由鍵盤輸入的識別、4位LED的顯示、密碼的比較、修改、存儲、AT93C46 的讀取與寫入、報警和開鎖控制電平的輸出。根據(jù)框圖，結(jié)合硬件結(jié)構(gòu)，可以將鍵盤輸入的識別用來作為系統(tǒng)的監(jiān)控程序（主程序），用顯示程序來延時，不斷查詢鍵盤。如果有鍵按下，就得到相應(yīng)的鍵值。結(jié)合當(dāng)前系統(tǒng)所處的狀態(tài)，調(diào)用不同的操作模塊，實現(xiàn)相應(yīng)的功能。而執(zhí)行模塊主要有數(shù)字輸入模塊、確定鍵模塊、修改鍵模塊及顯示模塊。1.3 方案比較設(shè)計本課題時構(gòu)思了兩種方案：方案一是用鎖存器74LS74、74LS00、74LS20和555基集成塊構(gòu)成的數(shù)字邏輯電路控制；方案二是用以AT89C51為核心的單片機(jī)控制?？紤]到編碼電子鎖制作成本低，設(shè)計要求少，易實現(xiàn)控制要求，而單片機(jī)方案原理的復(fù)雜，調(diào)試較為繁瑣，本人對數(shù)字電路基礎(chǔ)較熟悉，有利于研究該課題。所以采用了方案一。2 編碼電子鎖各模塊電路的設(shè)計2.1 基本芯片的分析本電路主要采用了二輸入與非門74LS00，四輸入與非門74LS20，雙上升沿D觸發(fā)器74LS74，555時基集成塊電路。 其74LS00的邏輯功能是有0出1，無0出0。真值表如表2-1所示。74LS74的邏輯功能是當(dāng)預(yù)置端PR、輸入端D、清零端CLR均為高電平時，時鐘端CLK有上升沿到來時，均會觸發(fā)Q端輸出高電平。真值表如表2-2所示。根據(jù)圖2-1可知74ls20芯片的功能簡單，包含兩個4輸入與非門，內(nèi)含兩組4與非門 第一組：1,2,4,5輸入6輸出。 第2組：9,10,12,13輸入8輸出。其邏輯功能是有0出1，無0出0，真值表如表2-3所示。555定時器是一種模擬-數(shù)字混合式集成定時器，有復(fù)位、置位和保持功能，555 定時器成本低，性能可靠，只需要外接幾個電阻、電容，就可以實現(xiàn)多諧振蕩器、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器等脈沖產(chǎn)生與變換電路。在工業(yè)控制等諸多方面有很廣泛的應(yīng)用。利用時基集成塊NE555組成了脈沖振蕩電路。555引腳圖如圖2-2所示。555的引腳功能為：6腳為THR，觸發(fā)器輸入端，低電平有效；2腳為TRI，閥值輸入端，高電平有效；4腳為RST，總復(fù)位端，低電平有效；7腳為DIS，放電端；5腳為CON，控制端；1腳接地，8腳接電源；3腳為輸出端；TD為內(nèi)部三極管。555時鐘電路可以構(gòu)成多諧振蕩器，其功能表如表2-4所示。555的內(nèi)部結(jié)構(gòu)可等效成23個晶體三極管、17個電阻、兩個二極管、組成了比較器，RS觸發(fā)器等多組單元電路。特別是由三只精度較高5k電阻構(gòu)成了一個電阻分壓器。為上，下比較器提供基準(zhǔn)電壓，所以稱之為555。555電路的內(nèi)部電路方框圖如圖2-3所示。它含有兩個電壓比較器，一個基本RS觸發(fā)器，一個放電開關(guān)T，比較器的參考電壓由三只5K的電阻器構(gòu)成分壓，它們分別使高電平比較器A1同相比較端和低電平比較器A2的反相輸入端的參考電平為 和 。A1和A2的輸出端控制RS觸發(fā)器狀態(tài)和放電管開關(guān)狀態(tài)。當(dāng)輸入信號輸入并超過 時，觸發(fā)器復(fù)位，555的輸出端3腳輸出低電平，同時放電，開關(guān)管導(dǎo)通；當(dāng)輸入信號自2腳輸入并低于 時，觸發(fā)器置位，555的3腳輸出高電平，同時放電，開關(guān)管截止。是復(fù)位端，當(dāng)其為0時，555輸出低電平。平時該端開路或接VCC。Vc是控制電壓端（5腳），平時輸出 作為比較器A1的參考電平，當(dāng)5腳外接一個輸入電壓，即改變了比較器的參考電平，從而實現(xiàn)對輸出的另一種控制，在不接外加電壓時，通常接一個0.01uf的電容器到地，起濾波作用，以消除外來的干擾，以確保參考電平的穩(wěn)定。T為放電管，當(dāng)T導(dǎo)通時，將給接于腳7的電容器提供低阻放電電路。2.2 編碼電路的設(shè)計本系統(tǒng)的設(shè)計可使電子鎖具有可編程多功能，它具有大于151200個(1098765)代碼的編碼。電路圖如圖2-4所示。由圖可知，每來1個輸入時鐘，編碼電路的相應(yīng)狀態(tài)向前前進(jìn)一步。在操作過程中，按照規(guī)定的代碼順序，按動編碼按鍵，編碼電路的輸出就跟隨這個代碼的信息。正確輸入編碼按鍵的數(shù)字，控制電路通過整形電路供給編碼電路時鐘，一直按規(guī)定編碼順序操作完，則驅(qū)動開鎖電路把鎖打開。2.4 解碼電路的設(shè)計此電子鎖預(yù)設(shè)的解碼順序S2,S6,S8,S9。按鍵S2(KEY=2)、S6(KEY=6)、S8(KEY=8)、S9(KEY=9)分別接在觸發(fā)器U7A、U8B、U8A、U7B的CLK端, U7A的D=1,后面3個觸發(fā)器的D端分別接在前面觸發(fā)器的輸出端Q上,此時滿足DN+1=QN,所以四個D觸發(fā)器組成一個右移位電路。當(dāng)依次按下S2、S6、S8時,即給U7A、U8B、U8A觸發(fā)信號時,其輸出端Q依次為1。最后，當(dāng)S9鍵被按下時，通過電阻R5與電源相接為高電平，S9鍵由低電平變?yōu)楦唠娖?，使得U7B產(chǎn)生上升沿通過限流電阻R4加到發(fā)光二極管LED1，發(fā)光二極管LED1發(fā)光(解鎖成功)。而當(dāng)按下其它的鍵時會引入低電平加到U6A，U6A輸出高電平到U1D，U1D輸出低電平到U7A、U8B、U8A、U7B進(jìn)行清零并死鎖。或雖是按下S2,S6,S8,S9但順序不對時,因不能使U7A、U8B、U8A、U7B的輸出端依次為1,也不能解鎖。其電路圖如圖2-6所示。2.5 門鈴及報警電路的設(shè)計如圖2-7，由555定時器和外接元件R1、R2、C構(gòu)成多諧振蕩器，腳2與腳6直接相連。電路沒有穩(wěn)態(tài)，僅存在兩個暫穩(wěn)態(tài)，電路亦不需要外接觸發(fā)信號，利用電源通過R1、R2向C充電，以及C通過R2向放電端 放電，使電路產(chǎn)生振蕩。電容C在 和 之間充電和放電，從而在輸出端得到一系列的矩形波，對應(yīng)的波形如圖2-8所示。門鈴電路由555定時器連成的多諧振蕩器構(gòu)成，當(dāng)按下門鈴時電路接通電源產(chǎn)生約500Hz的振蕩信號，同時按下清零/門鈴按鈕使74LS00和74LS74兩個芯片置零實現(xiàn)清零的功能。報警電路也是由555定時器構(gòu)成，報警時產(chǎn)生1KHz的信號，當(dāng)輸入密碼后與寄存器連接的與門輸出如果為高電平，則經(jīng)過反相器后變?yōu)榈碗娖剑瑘缶娐凡划a(chǎn)生振蕩，如果與門輸出為低電平，經(jīng)過反相器后變?yōu)楦唠娖?，報警電路開始工作產(chǎn)生報警信號。按下清零/門鈴按鈕后可以實現(xiàn)對報警的解除，因為此時一個低電平信號與來自判斷輸出端的高電平信號相與否，為低電平信號，報警電路不工作。門鈴及報警電路如圖2-9所示。2.6 編碼電子鎖總電路設(shè)計編碼電子鎖總電路如圖2-10所示。編碼電子鎖的工作原理：本編碼電子鎖電路設(shè)計由清零部分、解碼部分、振蕩部分、蜂鳴器輸出部分組成，清零部分由74LS00D、74LS74D 等組成，當(dāng)S10合上時，清零部分將四組74LSD的清零端CLR提供高電平，電路進(jìn)入清零狀態(tài)，當(dāng)S10打開時，電路進(jìn)入編碼輸入狀態(tài)。第一個觸發(fā)器D1接高電平，四個觸發(fā)器CLK分別接按鍵S2、S6、S8、S9，形成BFHI編碼。當(dāng)按下S2時，U7A的CLK電平由高變低，松手后，電平由低變高，形成上升沿觸發(fā)。D1輸出端Q1=1，依次按S6、S8、S9，會使D2=Q1=1，D3=Q2=1，D4=Q3=1，Q4=1，將鎖打開。若順序不對，鎖打不開的。U6A有三個輸入端，一個通過S10接地，第二個與按鍵S1，S3，S4，S5，S7相連，這些按鍵若有一個按下，都將使D1-D4四個觸發(fā)器置零，第三個經(jīng)U2A，U2B及延時網(wǎng)絡(luò)R1，C2與U1A相連，鎖打開后，延時觸發(fā)器復(fù)位。延時時間長短取決于R1，C2的大小。NE555與R10，R11，C2，C3等組成脈沖波發(fā)生器，通過U8B，U8A給蜂鳴器輸出脈沖信號，以便發(fā)聲。3 編碼電子鎖的制作3.1 PCB的設(shè)計從原理圖到PCB的設(shè)計流程:建立元件參數(shù)輸入原理網(wǎng)表-設(shè)計參數(shù)設(shè)置-手工布局-手工布線-驗證設(shè)計復(fù)查-CAM輸出。在PCB設(shè)計中,布線是完成產(chǎn)品設(shè)計的重要步驟,可以說前面的準(zhǔn)備工作都是為它而做的,在整個PCB中,以布線的設(shè)計過程限定最高,技巧最細(xì)、工作量最大。我們在制作PCB中用的是單面板。布線的方式有兩種：自動布線和手工布線，一般先進(jìn)行自動布線，再進(jìn)行手工布線。輸入端與輸出端的邊線應(yīng)避免相鄰平行，以免產(chǎn)生反射干擾。必要時應(yīng)加地線隔離，兩相鄰層的布線要互相垂直，平行容易產(chǎn)生寄生耦合。自動布線的布通率，依賴于良好的布局，布線規(guī)則可以預(yù)先設(shè)定，包括走線的彎曲次數(shù)、導(dǎo)通孔的數(shù)目、步進(jìn)的數(shù)目等。一般先進(jìn)行探索式布經(jīng)線，快速地把短線連通， 然后進(jìn)行迷宮式布線，先把要布的連線進(jìn)行全局的布線路徑優(yōu)化，它可以根據(jù)需要斷開已布的線。并試著重新再布線，以改進(jìn)總體效果。參數(shù)設(shè)置相鄰導(dǎo)線間距必須能滿足電氣安全要求,而且為了便于操作和生產(chǎn),間距也應(yīng)盡量寬些。最小間距至少要能適合承受的電壓,在布線密度較低時,信號線的間距可適當(dāng)?shù)丶哟?對高、低電平懸殊的信號線應(yīng)盡可能地短且加大間距,一般情況下將走線間距設(shè)為8mil。焊盤內(nèi)孔邊緣到印制板邊的距離要大于1mm,這樣可以避免加工時導(dǎo)致焊盤缺損。當(dāng)與焊盤連接的走線較細(xì)時,要將焊盤與走線之間的連接設(shè)計成水滴狀,這樣的好處是焊盤不容易起皮,而是走線與焊盤不易斷開。元器件布局實踐證明,即使電路原理圖設(shè)計正確,印制電路板設(shè)計不當(dāng),也會對電子設(shè)備的可靠性產(chǎn)生不利影響。例如,如果印制板兩條細(xì)平行線靠得很近,則會形成信號波形的延遲,在傳輸線的終端形成反射噪聲;由于電源、地線的考慮不周到而引起的干擾,會使產(chǎn)品的性能下降,因此,在設(shè)計印制電路板的時候,應(yīng)注意采用正確的方法。3.2 編碼電子鎖元件清單編碼電子鎖元件清單如表3-1所示： 3.3 電路的焊接隨著電子元器件的封裝更新?lián)Q代加快，電子發(fā)展已朝向小型化、微型化發(fā)展，手工焊接難度也隨之增加，在焊接當(dāng)中稍有不慎就會損傷元器件，或引起焊接不良，所以必須對焊接原理，焊接過程，焊接方法，焊接質(zhì)量的評定，及電子基礎(chǔ)有一定的了解。 焊接的步驟及方法:（1）從烙鐵架上拿出電烙鐵，以45度靠緊焊接面進(jìn)行預(yù)熱，將焊錫絲同時伸向被焊的組件腳及焊盤，一起接觸被焊處； （2）焊錫絲熔化，向焊接處推入焊錫絲，使焊錫潤濕焊盤與組件腳，當(dāng)焊點(diǎn)上的焊錫成圓錐形時即抽離焊錫絲（應(yīng)控制焊錫絲的熔化量不能過多，以免造成浪費(fèi)）； （3）在焊錫完全熔化后，移去烙鐵頭。如焊錫過多，可把烙鐵頭上的焊錫甩干凈，然后不用焊錫絲或極少量的焊錫絲重焊一遍，移去時正好吸去多余的焊錫， 如果焊點(diǎn)有連焊，也應(yīng)將焊錫線與烙鐵頭一起接觸在連焊的焊點(diǎn)之間，待焊錫絲與助焊劑一起熔化后，移去焊錫絲，再將烙鐵頭側(cè)放著向下移走，吸去多余的焊錫； （4）如果要用電烙鐵去除焊盤孔中的錫（ 即挑孔），應(yīng)該將印制板拿高，把烙鐵頭置于比印制板低的位置，將烙鐵頭在焊盤孔上擦幾下，可以將焊盤孔中的焊錫吸流到烙鐵頭上去；（5）將烙鐵頭上的多余焊錫甩在廢錫盒中，再將電烙鐵插入烙鐵筒中。 在實際生產(chǎn)中，最容易出現(xiàn)的一種違反操作步驟的做法就是烙鐵頭不是先與被焊件接觸，而是先與焊錫絲接觸，熔化的焊錫滴落在尚末預(yù)熱的被焊部位，這樣很容易產(chǎn)生焊點(diǎn)虛焊，所以烙鐵頭必須與被焊件接觸，對被焊件進(jìn)行預(yù)熱是防止產(chǎn)生虛焊的重要手段。 4 調(diào)試4.1 測試儀器萬用表一只，示波器一臺4.2 測試方法測試方法：在直流穩(wěn)壓電源通電測試之前，必須認(rèn)真對安裝電路進(jìn)行檢查。對電源變壓器的絕緣電阻進(jìn)行檢測，以防止變壓器漏電，危及人身和設(shè)備的安全。一般采用兆歐表測量一、二次繞組之間，各繞組與接地屏