电子锁及门铃电路设计

摘要

本设计利用74194做移位寄存器，实现8位二进制码串行输入。利用7485比较器对预设置好的密码与输入的密码进行比较。若密码正确则开锁电路实现开锁功能；若密码不正确，则报警。利用74161芯片设计十八进制计数器，控制报警时间为15s，停3s之后循环；同时该报警系统可兼作门铃使用，利用74LS290设计十进制计数器来控制门铃的响铃时间为10s。数字15、3、10分别通过3个数码显示管显示出来。

关键字：电子锁、门铃、移位寄存器、计数器

目录

摘要.............................................................. I 目录............................................................. I I 绪论.. (1)

第1章系统总体方案设计 (2)

1.1设计要求 (2)

1.2系统框图 (2)

1.3工作原理 (3)

第2章各单元电路设计 (4)

2.1原始密码电路 (4)

2.1.1 串行输入密码 (4)

2.27485比较器电路 (7)

2.3开锁电路 (8)

2.3.1 晶体管 (8)

2.3.2 继电器 (8)

2.4报警电路部分 (10)

2.4.1 74161计数器 (10)

2.4.2 555定时器 (11)

2.4.3 数码管 (11)

2.4.4报警电路 (12)

2.5门铃电路的设计 (13)

2.5.1 扬声器 (13)

2.5.2 74ls04 (14)

2.5.3 74ls32 (14)

第三章调试 (16)

总结 (17)

参考文献 (19)

附录 (20)

附录表元器件清单 (20)

绪论

密码锁是锁的一种，通常分为机械锁和电子锁。均为在输入端输入一系列的数字或符号作为密码。当输入信号与预设信号相符时开锁系统工作。密码锁的密码通常都只是排列而非真正的组合。

有些门锁上有一个数字键盘使用电子控制，开启时按序键入一个数字系列。这种锁是常见于办工室内。优点是只要告诉开锁者密码便可，无须复制钥匙。不过，如果有人把密码告诉外人，这锁便形同虚设。因此这类密码锁的密码需要经常更换才可以。

事实上，在传统的工业中，也能够找到比所谓的新经济更保险利润却毫不逊色的投资方向。密码锁并不是一种频繁操作使用的产品，可以说是一种半静态的产品，采用机械方式更实用一些。但电子方式的密码量大，人们主观感觉会安全一些。本设计的密码量接近电子密码锁，操作又比传统机械密码锁快得多，简单实用，有望在实际生活中得到应用。

第1章系统总体方案设计

1.1 设计要求

①设计一个电子锁，其密码为8位二进制代码开锁指令串行输入码。

②用8个拨码开关设置原密码，然后用一个拨码开关以单步脉冲方式输入。

③密码至74194移位寄存器中，使之在比较器中与原密码进行比较。

④当开锁输入码与密码一致时，锁被打开。

⑤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秒后再重复出现。

⑥报警器可以兼作门铃使用，门铃时间为10秒。

⑦所有的时间数据用数码管显示出来。

⑧报警器与门铃的响应频率通过不同频率的振荡电路实现。

1.2系统框图

1、各模块功能：

原始密码部分：使用8位数码开关，可以实现重新设置密码的功能。

串行输入模块：利用移位寄存器右移的功能实现8位密码的串行输入。

比较模块：将密码输入后，与原始密码进行比较，如一致则Fa=b端输出高电平，表示密码正确，锁被打开。若密码不正确则Fa=b端输出低电平，送入声响模块和计时模块中进行报警，比较模块中接入一个开关作为密码输入后的确认键。

声响模块，扬声器：若比较模块送入信号，则声响确认送入扬声器中，开始报警。

计时模块：比较模块同时将信号送入计时开始计时并将信号送入扫描电路

中。

扫描电路，数码管：扫描电路接收信号，与计数器同步工作，连接数码管显示时间。

2、工作过程：

首先设置一个原始密码，设置结束。将密码串行输入，若密码一致，则锁被打开。

若密码输入有误，则发生报警，报警时间为15秒，停3秒后重复。数码管同步显示时间。

密码锁的报警系统同时可以用作门铃，输入脉冲信号就进行响铃，响铃时间为10秒。

系统有复位开关，复位开关闭合则电路重置。密码输入均以单步脉冲进行输入控制。

1.3 工作原理

设计74194的级联问题，将拨码开关接入级联好后的74194中，用VCC供电，再接入消抖后的单步脉冲信号，串行输入8位密码。

7485比较器级联后，输入密码部分连入7485输入的A中4个引脚，拨码开关连入B中4个引脚，检查引脚连接是否有误，检查后，经比较器对输入密码进行测试，若输入正确密码则开锁；若输入错误密码则报警。调试后电路若可以正常运行，则密码输入与比较部分工作结束。

报警部分用74161计数器级联设计后用来控制循环报警时间，并通过7449译码管译码和数码显示管显示所用时间。同时并连一个555定时振荡电路及扬声器用作报警，通过各种门电路来控制实现计数器与该555时基电路同时工作。

门铃部分用一个555单稳态触发电路及扬声器来实现。门铃响应时间10s 通过计数器74161来实现，且通过译码管及数码显示管将之显示出来。

第2章 各单元电路设计

2.1 原始密码电路

图2.1 8位数码开关

原始密码用一个8位数码开关设置。开关连接8个上拉电阻与一个VCC 提供电源。开关白色部分在下表示“0”，在上表示“1”。开关可以自行任意设置密码 2.1.1 串行输入密码

（1）单步脉冲及消抖

要求每次用拨码开关输入一位密码，且按单步脉冲把这个密码输入移位寄存器74194中，当输入完8次后，移位寄存器并行将之输出。但是，当手动产生单步脉冲时，出现的并不是理想的脉冲，而是出现如图2

有毛刺的脉冲。为了使结果更加精确，本设计采用基本RS 触发器消抖，原理如图3所示，当单刀双掷开关从k2打到k1时，out 端由低电平到高电平，产生一个理想的上升沿驱动密码右移至移位寄存器中，实现串行输入密码的功能。

图2.2 带毛刺的单步脉冲

图2.3 基本RS触发器消抖电路图

（2）移位寄存器74LS194

图2.4 74LS194功能引脚图

74LS194:4位双向通用移位寄存器，功能引脚如图4，功能表见表1。A，B，C，D为并行数据输入端，QA，QB，QC，QD为并行数据输出端。VCC 接高电平，GND接地，CLR为清零端（低电平有效），S1,S0与右行输入SR，

左行输入SL 共同实现串行输入。本设计中接SR ，S0接高电平，S1接低电平，实现密码右行穿行输入功能，将第一级74194的QD 端接到第二级74194的SR 端，实现8位存储功能。74194初始密码为0，输入数据便锁存。因此在输出端应加一个确认开关，当密码输入完毕后，闭合开关，数据送入比较器中。

表2.1 74LS194真值表

图2.5 8位二进制码串行输入电路原理图

图2.5实现8位二进制码串行输入，Z为脉冲开关，Space—拨码开关，A 为密码重置开关，若密码输入错误，可以将A断开再闭合重新输入

2.27485比较器电路

7485比较器：4位幅值比较器. 数值比较器——对两个位数相同的二进制整数进行数值比较并判定其大小关系。利用多片四位数值比较器的比较输入，ia ＞b，ia=b和ia＜b，可以很方便地连接成更多位的数值比较器，只要将低位芯片的输出作为高位数值比较器的比较输入即可。图6是用两片7485实现8位数值比较器逻辑电路图，表2为1位数值比较器真值表。当高4位数值比较器输入相等

a7a6a5a4=b7b6b5b4时，8位数值比较器的输出由低4位数值比较器输出决定。当高4位数值比较器输入不相等时，8位数值比较器的输出与低4位数值比较器输出无关。按图示级联方式，可以组成更多位数值比较器。

图2.6为实现数码开关与输入密码后比较器的原理图。图中，J为密码输入确认开关，X1为开锁电路，确认密码正确后开锁电路中小电动机驱动开锁。当开锁密码正确时，与门驱动报警。

41

42

43

图2.6 比较器原理图

2.3 开锁电路

2.3.1 晶体管

晶体管（transistor）是一种固体半导体器件，可以用于检波、整流、放大、开关、稳压、信号调制和许多其它功能。晶体管作为一种可变开关，基于输入的电压，控制流出的电流，因此晶体管可做为电流的开关，和一般机械开关（如Relay、switch）不同处在于晶体管是利用电讯号来控制，而且开关速度可以非常之快，在实验室中的切换速度可达100GHz以上。严格意义上讲，晶体管泛指一切以半导体材料为基础的单一元件，包括各种半导体材料制成的二极管、三极管、场效应管、可控硅等。晶体管有时多指晶体三极管。晶体管因为有三种极性，所以也有三种的使用方式，分别是发射极接地（又称共射放大、CE组态）、基极接地（又称共基放大、CB组态）和集电极接地（又称共集放大、CC组态、发射极随隅器）。

2.3.2 继电器

继电器是我们生活中常用的一种控制设备，通俗的意义上来说就是开关，在

条件满足的情况下关闭或者开启。继电器的开关特性在很多的控制系统尤其是离散的控制系统中得到广泛的应用。从另一个角度来说，由于为某一个用途设计使用的电子电路，最终或多或少都需要和某一些机械设备相交互，所以继电器也起到电子设备和机械设备的接口作用。除了传统的继电器之外，继电器的技术还应用在其他的方面，比如说电机智能保护器是根据三相交流电动机的工作原理，分析导致电动机损坏的主要原因研制的，它是一种设计独特，工作可靠的多功能保护器，在故障出现时，能及时切断电源，便于实现电机的检修与维护，该产品具有缺相保护，短路、过载保护功能，适用于各类交流电动机，开关柜，配电箱等电器设备的安全保护和限电控制，是各类电器设备设计安装的优选配套产品。该技术安装尺寸、接线方式、电流调整与同型号的双金属片式热继电器相同。是直接代替双金属片式热继电器的更新换代的先进电子产品。而其真正的原理还是继电器技术。继电器技术发展到现在，已经和计算机技术结合起来，产生了可编程控制器的技术。可编程控制器简称作PLC。它是将微电脑技术直接用于自动控制的先进装置。它具有可靠性高，抗干扰性强，软件直接、简单，维护方便，外形美观等优点；以往继电器控制的电梯有几百个触点控制电梯的运行。有一个触点接触不良，就会引起故障，维修也相当麻烦，而PLC控制器内部有几百个固态继电器，几十个定时器/计数器，具备停电记忆功能，输入输出采用光电隔离，控制系统故障仅为继电器控制方式的10%。正因为如此，国家有关部门已明文规定从97年起新产电梯不得使用继电

开锁电路原理图见图2.7。当端口1处为高电平时晶体管饱和导通，继电器吸合，驱动电动小马达运作，电子锁打开；反之，端口1处为低电平时，晶体管截止，继电器不能吸合，马达不运作。

图2.7 开锁电路原理图

Vcc RCO QA QB QC QD ET LD

R D GND

2.4 报警电路部分

由于要求报警系统的报警时间为15s ，该时间需用数码管显示出来，并且要求停3s 后循环报警，所以利用两片74161芯片采用异步清零法设计成十八进制计数器，计数器的脉冲由555定时器制成的秒脉冲来驱动。 2.4.1 74161计数器

74161的功能：74161是4位二进制同步加计数器。表2.3、图2.8分别是它的逻辑功能表和引脚图，其中R D 是异步清零端，LD 是预置数控制端,A 、B 、C 、D 是预置数据输入端,EP 和ET 是计数使能端，RCO =ET ?Q A ?Q B ?Q C ?Q D 是进位输出端，它的设置为多片集成计数器的级联提供了方便。

2.4.2 555定时器

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如图2.9、图2.10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 C1 的同相输入端的电压为 2VCC /3，C2 的反相输入端的电压为VCC /3。若触发输入端 TR 的电压小于VCC /3，则比较器 C2 的输出为 0，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 C1 的输出为 0，C2 的输出为 1，可将 RS 触发器置 0，使输出为 0 电平。

它的各个引脚功能如下：

1脚：外接电源负端VSS或接地，一般情况下接地。

8脚：外接电源VCC，双极型时基电路VCC的范围是4.5 ~ 16V，CMOS型时基电路VCC的范围为3 ~ 18V。一般用5V。

3脚：输出端Vo

2脚：低触发端

6脚：TH高触发端

4脚：是直接清零端。当此端接低电平，则时基电路不工作，此时不论TR、TH处于何电平，时基电路输出为“0”，该端不用时应接高电平。

5脚：VC为控制电压端。若此端外接电压，则可改变内部两个比较器的基准电压，当该端不用时，应将该端串入一只0.01μF电容接地，以防引入干扰。

7脚：放电端。该端与放电管集电极相连，用做定时器时电容的放电。

2.4.3 数码管

七段数字显示器原理：七段数字显示器就是将七个发光二极管（加小数点为

八个）按一定的方式排列起来，七段a 、b 、c 、d 、e 、f 、g （小数点DP ）各对应一个发光二极管，利用不同发光段的组合，显示不同的阿拉伯数字。

图2.9 七段数字显示器原理

图2.10 为数码显示部分电路图

其中，CLK 脉冲输入端提供一个1HZ ，电压为5V 的脉冲方波。2片74161级联作为数码显示的15秒脉冲，再连入1片74161做3秒脉冲。再用与门，或门，非门连接入CLK 做循环。3秒脉冲74161的QA 端与第一级74161的QA 端并联送入信号给报警电路，使报警电路与数码管同步工。 2.4.4报警电路

利用555定时器设计周期为1s 的振荡电路来驱动扬声器，电路原理图见图2.11，并且4端用一个可由计数器控制的与门控制，使得报警时间为15s 。

d

c DP

C O M

e O M

图2.11扬声器电路原理图

2.5 门铃电路的设计

2.5.1 扬声器

扬声器是一种能将电信号转换为声音信号的电声器件。俗称喇叭。在电路中通常用ＢＬ来表示。

（１）用万用表的Ｒ×１档将两表棒分别接扬声器的两根引线，此时测得的为扬声器音圈的直流电阻。如此值为无穷大表明音圈断路，扬声器不能使用。如测得的阻值小于标称阻值时（一般都标在外壳的商标上），表明扬声器良好。

（２）用万用表的Ｒ×１档，一支表棒与扬声器的一根引线相接，另一支表棒断续触碰扬声器的另一根引线，此时扬声器若发出“喀喀”声，且万用表指针作相应摆动，则表明扬声器是好的。如没有声音，万用表指针也不摆动，则表明扬声器有故障。

（３）正负极的判别一般情况下，正负极都标注在引脚旁边。注意使用时正极接高电位，负极接低电位。

2.5.2 74ls04

功能引脚图2.12如下：

图2.12 74ls04功能

2.5.3 74ls32

74LS32是四2输入或门，常用在各种数字电路以及单片机系统中。

表达式为：Y=A+B

引脚排列图管脚功能：左下1--1A，2--1B，

3--1Y；4--2A，5--2B，6--2Y；7--GND；

右起：右上8--3Y，9--3A，10--3B；11--4Y，12--4A，

13--4B；14--VCC

如图2.13，表2.4所示：其中A，B为输入端，Y为输出端，GND为电源负极，VCC 为电源正极。

图2.13 74ls32引脚图

表2.4 74ls32真值表

A B 0

-----------------------

0 0 0

0 1 1

1 0 1

1 1 1

门铃部分原理与报警部分类似，M为脉冲开关，原理图如图2.14

图2.14 脉冲开关原理图

第三章调试

首先要保证连线正确，掌握连线顺序。通常是先短线，后长线，或先连不易连接的线，使已经连接好的线不影响下一步的布线。特别注意连好各集成器件的地线和电源线，否则会损坏器件。因此在实验板上接好各器件的地线和电源线，并用万用表测量，以保证电源的地线和电源线畅通无阻。

电路连接完成后用万用表检查各个界限是否正确。要防止错线，漏线，接触不良等现象。

对于集成电路中不用的出入端，必须接到一个无效电平上去。各器件的输入端在理论中悬空是表示接高电平，但是实际的逻辑器件如果输入端本该接高电平而没接，可能会导致元件的工作不稳定。在实际联电路时，会出现接触不好等情况。这是由于面包板的质量和连线时线头裸露部分没有完好的接触面包板的铜片造成的。灯不亮，极有可能正负极接反，调整过来。高低电平区分不出，应仔细检查。最后，也存在芯片坏的，那就需要自己判断，比如非门进1出0。完成搭接工作后，做一次系统检查，如果各个部分连线正确，方可接通电源，进行调试，调试时应先对子系统进行调试，子系统调试成功后，在进行子系统之间的连接，然后进行总调试。

总结

(1）工作中遇到的问题：

①问题：输入正确密码并确认后并不能开锁。

解决办法：重新检查74194的级联，输入端口的高低电平接入情况。

②问题：数码显示15秒时间不准确

解决办法：调整方波脉冲

③问题：报警系统不循环工作

解决办法：系统加入TTL门电路组合，使系统构成循环装置

④问题：输入密码时报警器与指示灯同时工作

解决办法：比较器后加一个确认开关，为了更好的使密码锁存不输出。确认键闭合时才输出。

(2）心得体会：

在本次课程设计中，使我充分了解了数字电子在实际中的应用，各元器件的工作原理及过程。让我认识到自己对实践环节知识的缺乏，锻炼了我的实践能力。

所谓“态度决定一切”，于是偶然又必然地收获了诸多，总是概而言之，大约以下几点。

①、温故而知新。课程设计发端之始，思绪全无，举步维艰，对于理论知识学习不够扎实的我深感“书到用时方恨少”，于是想起圣人之言“温故而知新”，便重拾教材与实验手册，对知识系统而全面进行了梳理，遇到难处先是苦思冥想再向同学请教，终于熟练掌握了基本理论知识，而且领悟诸多平时学习难以理解掌握的较难知识，学会了如何思考的思维方式，找到了设计的灵感。

②、思路即出路。当初没有思路，诚如举步维艰，茫茫大地，不见道路。在对理论知识梳理掌握之后，茅塞顿开，柳暗花明，思路如泉涌，高歌“条条大路通罗马”。顿悟，没有思路便无出路，原来思路即出路。

③、实践出真知。时至今日，课程设计基本告成，才切身领悟“实践是检验真理的唯一标准”，才明晓实践出真知。因为在教材上，数字钟不过是由计数器和译码显码器组合而成，也便不以为然搭建电路图，结果电路出现诸多问题，譬如短路开路，EWB中引脚悬空即为低电平，现实中引脚悬空呈现大电阻特性即高电平，不为则不知，无为则无知，实践出真知。

④、创新求发展。“创新”目前在我国已经提升到国家发展战略地位，足见“创新”的举足轻重。因此，我们要从小处着手，顺应时代发展潮流，在课程设计中不忘在小处创新，未必是创新技术，但凡创新思维亦可，未必成功，只要实现创新思维培育和锻炼即可。

在这次毕业设计中也使我们的同学关系更进一步了，同学之间互相帮助，有

什么不懂的大家在一起商量，听听不同的看法对我们更好的理解知识，所以在这里非常感谢帮助我的同学。

我的心得也就这么多了，总之，不管学会的还是学不会的的确觉得困难比较多，真是万事开头难，不知道如何入手。最后终于做完了有种如释重负的感觉。此外，还得出一个结论：知识必须通过应用才能实现其价值!有些东西以为学会了，但真正到用的时候才发现是两回事，所以我认为只有到真正会用的时候才是真的学会了。

综上所述，毕业设计诚然是一门专业课，给我很多专业知识以及专业技能上的提升，同时又是一门讲道课，一门辩思课，给了我许多道，给了我很多思，给了我莫大的空间。