利用双D触发器设计一个电子密码开关(1)00
课程设计说明书 第 I页
利用双D触发器设计一个电子密码开关
摘 要
随着人们生活水平的提高，如何实现家庭防盗这一问题也变的尤其的突出，传统的机械锁由于其构造的简单，被撬的事件屡见不鲜，电子锁由于其保密性高，使用灵活性好，安全系数高，备受广大用户的欢迎。因而，随着社会物质财富的日益增长，安全防盗已成为全社会问题。人们对锁的要求越来越高，既要安全可靠地防盗，又要使用方便。弹子锁由于结构上的局限已难以满足当前社会管理和防盗要求，特别是在人员经常变动的公共场所，如办公室、宾馆等地方。电子密码锁由于其自身的优势，越来越受到人们的青睐，但是目前使用的电子密码锁大部分是基于单片机用分离元件实现的，其成本较高且可靠性得不到保证。本文介绍一种利用双D触发器设计的电子密码开关，设计了一种新型的电子密码锁。它体积小、功耗低、价格便宜、安全可靠，维护和升级十分方便，具有较好的应用前景。
关键词:安全防盗，电子密码锁，双D触发器，电子密码开关
课程设计说明书 第 II页
目 录
1 绪论 ................................................................................................................................... 1
1.1 课题描述 ..................................................................................................................... 1 1.2 基本工作原理及框图 .................................................................................................. 1 2 相关芯片及硬件电路设计 ............................................................. 错误～未定义书签。1
2.1 CD4017芯片 ............................................................................ 错误～未定义书签。1
2.1.1 CD4017的引脚图....................................................................................................1
2.1.2 CD4017的功能介绍 ........................................................................................... 3
2.1.3 CD4017的定时波形图 ...................................................................................... 3 2.2 CD4013芯片 ............................................................................................................... 3
2.2.1 CD4013的引脚功能和真值表 ............................................................................. 3
2.2.2 CD4013的连线和波形图..................................................................................... 4 2.3
单向晶闸管 ................................................................................................................. 5
2.3.1 单向晶闸管的结构和符号 ............................................... 错误～未定义书签。5
2.3.2 单向晶闸管的伏安特性................................................... 错误～未定义书签。5
2.4 555多谐振荡器 .......................................................................................................... 7
2.4.1 多谐振荡器的引脚功能图 .................................................................................... 7
2.4.2 多谐振荡器的工作原理 ....................................................................................... 7 2.5 模拟声响电路 ............................................................................................................... 9
2.5.1 模拟声响电路图及原理 ....................................................................................... 9 2.6 完整密码开关电路............................................................................................................9
2.6.1 密码开关电路图及原理............................................................................................9
3总 结 ............................................................................................................................ 11
4致 谢 ............................................................................................................................ 12
5参考文献 .......................................................................................................................... 13
课程设计说明书 第1页 1 绪论
1.1 课题描述
随着社会物质财富的日益增长，安全防盗已成为全社会问题。人们对锁的要求越来越高，既要安全可靠地防盗，又要使用方便。电子密码锁由于其自身的优势，越来越受到人们的青睐，但是目前使用的电子密码锁大部分是基于单片机用分离元件实现的，其成本较高且可靠性得不到保证，本文利用集成芯片CD4017和CD4013以及555多谐振荡器设计的一种新型的电子密码锁——含有触发器的电密码锁。本课程设计充分利用了十进制计数器——CD4017的计数功能，双D触发器——4013的计数并锁存功能，能产生除基波外还含有极丰富的高次谐波的555多谐振荡器。该电子密码锁体积小、功耗低、价格便宜、安全可靠，维护和升级十分方便，应用前景毋庸置疑。
1.2 基本工作原理及框图
本课程设计电子密码开关由自动充电电路、脉冲产生电路、密码输入电路、延迟电路、密码检测电路、执行回路。其基本工作原理:充电回路接通后晶闸管导通，使脉冲产生电路工作，产生的脉冲信号送给密码开关电路。基本工作原理框图如图1.1所示。
充电电脉冲产执行回延迟电CD401CD4013
路 生电路路 7计数路 锁存器
电路 器
图1.1基本工作原理框图
2 相关芯片及硬件电路设计
2.1 CD4017芯片
2.1.1 CD4017引脚图
课程设计说明书 第2页
图2.1CD4017引脚图
,
图2.2 CD4017内部结构图
课程设计说明书 第3页 2.1.2 CD4017的引脚功能介绍
CD4017引脚功能:芯片有10个译码输出Q0,Q9;MR为清零端,CP0和,CPl是2个时钟输入端,三个输出端的控制. 0Y1Y2Y。每个译码输出一般处于低电平,且在时钟脉冲由低到高的上升沿输出高电平;每个高电平输出维持1个时钟周期;每输入10个时钟脉冲,输出一个进位脉冲,因而进位输出信号可作为下一级计数器的时钟信号.在清零输入端(R)加高电平或正脉冲时,只有输出端Q0为高电平,其余各输出端都为低电平\"0\"。 CD4017是常用的coms十进制计数器芯片，常用在各种数字电路中的记数脉冲等功能电路中，应用十分的广泛。
2.1.3 CD4017的定时波形图
图2.3 CD4017定时波形
当“时钟禁止”和“复位”端为低电平时，内部计数器在每个时钟信号的正跳变时向前计数一次。在任何给定的时间上，十个译码输出端中有九个是低电平，剩下的那个输出端为高电平。各输出端与时钟信号同步，按顺序变为高电平，且每个被选中的输出端保持高电平的时间为一个完整的，就能把D端的数据传输到输出端时钟周期。 2.2 CD4013芯片。
2.2.1 CD4013的引脚功能和真值表
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在时钟CP信号上升沿触发下，就能把D端的数据传输到输出端，输入端无CP信号
时，D端信号对触发器不起作用。
RD,CD为置位端，
当RD=0,CD=1时, 输出为0，
当RD=1,CD=0时，输出为1，
当RD=0,CD=0时，输出端状态随D而定，且发生在CP的上升沿。
图2.4 CD4013引脚功能和真值表
2.2.2 CD4013的连线和波形
图2.5 CD4013的连线和波形
课程设计说明书 第5页
由图(b)可看出，输出端的状态都发生在脉冲的上升沿。
2.3 单向晶闸管
晶闸管旧称可控硅，有单向晶闸管，双向晶闸管，逆导晶闸管，可关断晶闸管，快速晶闸管，光控晶闸管等多种类型。通常在未加说明的情况下，所谓晶闸管或可控硅是指单向晶闸管，应用最多的是单向晶闸管和双向晶闸管。
晶闸管是一种大功率的半导体器件，它具有体积小，重量轻，容量大，效率高，使用维护简单，控制灵活等优点。同时，它的功率放大倍数很高，可以用微小的信号功率对大功率的电源进行控制和变换。在脉冲数字电路中可作为功率开关使用。其缺点是过载能力和抗干扰能力较差，控制电路比较复杂等。
2.3.1 单向晶闸管的结构和符号
图2.6 晶闸管的符号、外形、结构与等效电路
由图可见，它是一种PNPN四层半导体器件，由3个PN结，其中控制级是从P型硅层上引出，供触发晶闸管用。晶闸管一旦导通，即使撤掉正向触发信号，仍能维持通态。欲使晶闸管关断，必须使正向电流低于维持电流，或施以反向电压强迫其关断。 2.3.2 单向晶闸管的伏安特性
条件下它的阳极电流i与管压降u之间的晶闸管的伏安特性曲线是指在一定的iGAAK关系曲线，i与u之间的函数关系可表为 AAK
课程设计说明书 第6页
i, A
其函数曲线如下图所示。
图2.7 单向晶闸管的伏安特性曲线
1.反向特性
前已述及，晶闸管在反向接法时是不会导通的。它的反向特性与普通二极管的反向特性类似，并且与控制极电流无关。由于u<0，所以自阴极至阳极会有一个很小的反AK
向漏电流。但是当?u?很大时，晶闸管也会发生反向击穿。图中的标量U称为晶AKBR闸管的反向击穿电压。一般的商品器件。
其U值可高达几百伏以上。使用中要防止作用在晶闸管上的实际反向电压幅度接近BR
U值，以避免被反向击穿而烧毁。 BR
2.正向特性
晶闸管的正向特性可以分成两部分来讨论。
(1)正向导通特性
图中AB曲线段反映晶闸管的正向导通特性。这是指晶闸管已经导通之后其i与Au之间的关系。这部分特性与普通二极管的正向特性类似，其正常工作时的正向导通AK
压降大约有1伏左右。回路中电源的大部分电压都降落在负载上，因此，i的大小事实A上是由电源和负载决定的(参看图7.3电路)。由于是已经导通之后的特性，所以这部分特性与控制极电流i无关。 G
课程设计说明书 第7页
(2)正向阻断—触发特性
图中OC曲线段、OC′等曲线段反映晶闸管的“正向阻断—触发特性”。显然，这部分特性与控制极电流i有关。 G
OC曲线段表明，当i,0(一般是控制极G开路)时，一开始随着加在晶闸管上G
的正向电压u的逐渐增大(例如调节图7.3电路中的电源电压u)，晶闸管并不导通，AK
始终处于正向阻断状态，只有一个很小的正向漏电流i通过晶闸管。但是当外电源使A
u大到一定程度(一般可达几百伏以上)时，i会突然增大以至使晶闸管立即由阻断AKA
状态跳变到导通状态，工作特性也由OC段跳变到AB段。同时，晶闸管的管压降uAK也由这个最大正向阻断电压值(U)跳变为导通压降(1伏左右)，电源的其余电压BOM
则降落在负载上(以图7.3电路为例)。至于晶闸管的工作状态具体是处于AB段的哪一个点上，则由外电路决定。图中的U称为晶闸管的正向阻断峰值电压或最大正向BOM
转折电压。这个特性说明，为了防止晶闸管不受控制地自行导通，回路中电源电压u的正向幅度不可接近U值。 BOM
OC′曲线段则表明，当控制极电流i为大于零的某值时，只要u达到小于UGAKBOM的某值(U′)时，晶闸管就会被提前触发导通。U′称为这个i条件下的转折电压。 BOBOG
如果继续增大i的幅值，晶闸管的转折电压会继续减小，如图所示。 G
举例来说，如果一个晶闸管在i,0时需要u达到1000伏(UBOM)才能自行GAK
导通的话，那么当i,10mA时，可能u只需达到6伏，晶闸管便会被触发导通。此GAK
时它的转折电压就是6伏。
2.4 555多谐振荡器
2.4.1 555多谐振荡器的引脚功能图
课程设计说明书 第8页
555多谢振荡器引脚功能图
2.4.2 555多谐振荡器的工作原理
由555定时器组成的多谐振荡器如图A所示，其中R1，C1和电容C为外接元件。其工作波行如图B所示。
图A 图B
设电容的初始电压Uc=0,t=0时接通电源，由于电容电压不能突变，所以高，低触
RdSd发端Vth=Vtl=0<1/3Vcc,比较器A1输出为高电平，A7为低电平，即=1,=0,R-S触发器置1，定时器输出u0=1,此时Q=1，定时器内部放电三极管截止，电源Vcc经R1,R2向电容C充电，uc逐渐升高。当uc上升到1/3Vcc时，A2输出由0翻转为，这时RdSd==1,R-S触发器保持状态不变。所以0 t=t1时刻，uc上升到2/3Vcc,比较器A1的输出由1变为0，这时=0,=1,R-SRdSd触发器复0，定时器输出ud=0。 T1 课程设计说明书 第10页 2.5 模拟声响电路 2.5.1 模拟声响电路图及原理 图2.9 模拟声响电路图 将图7中A振荡器的输出U01接到B振荡器的电压控制端，即5脚Vc0，如图9所示。则振荡器A输出高电平时，振荡器B的振荡频率较低;当A输出低电平时，B的振荡频率高，从而使B振荡器的输出端产生两种频率的信号。3脚U02所接的扬声器发出“嘟、嘟……”的类似救护车的双频间歇响声。 2.6 完整密码开关电路 2.6.1 密码开关电路图及原理 图2.10 密码开关电路图 课程设计说明书 第11页 其中，BL就是由555多谐振荡器和扬声器组成，当它工作时，就会发出报警声。S1~S10为按钮开关，而S1~S6为伪码开关，S7~S10为密码开关，故该电路的密码是 7890。密码输入电路中的R2,R3组成延迟电路，其目的主要是使IC1的输出电平滞后于按动密码开关时出现，以保证IC2,IC3双D触发器可靠的翻转。除此之外，R2,R3还有消除开关抖动的作用。 延时报警电路的工作过程是:当S1闭合时，该电路开始工作，此时，电源通过R1和RP1向C1充电，当充电电压达到VD3的击穿电压时，VD3导通并触发晶闸管VS1导通，报警信号发出，同时，继电器K2也得工作，其常闭触点K2_1断开，切断密码控置电路IC1,IC2的电源，将导致无法开锁。 开门时应先闭合S1，接通电源，此时，报警延时电路得电，开始延时报警计时，设定该电路的目的在于要求输入的密码必须在规定的时间内完成。与此同时，IC1也得电并复位，其Q0端输出高电平。按动开关S7~S9中的任何一个，每按动一个相当于给IC1输入一个计数脉冲，其输出端就会就会依次出现高电平，该高电平使功率开关——TWH8778导通，继电器得电工作，其触点K1_1闭合，电控锁得电打开。此时关闭S1，切断电源完成一次开锁过程。 如果盗贼来开锁，由于不知密码而试开，此时，即使关闭开关S1,由于开锁时间超过延时报警时间或者按动S2及S3的密码次数不对，均会使锁无法开启，电路会发出具有威慑作用的报警声，起到防盗保护的作用。 课程设计说明书 第12页 总 结 经过近两周的艰苦的努力，终于完成了我的第一次课程设计，在做设计的过程中，让我对自己的学习能力，独立思考能力及对知识的掌握运用能力有了进一步了解，同时让也我看到自身存在的不足，由于个人能力有限，文中肯定有错误的地方，还请老师指出其中的错误和不当之处，使我能做出改正，进一步提高。在本次课程设计过程中，我增强了自己的动手能力和分析能力。通过跟老师和同学的交流，当然也离不开自己的艰苦努力，终于按时完成了本次课程设计。在此过程中，我学会了很多，让我明白踏实努力在学习中的重要性，成功源于不懈努力。在今后的学习生活中，我会努力学习专业知识，不断的自我提高，为将来的在电子领域进一步发展打下坚实基础。 在这次课程设计中，我感受颇深，，了解到很多不曾接触的知识，让我深刻的明白理论和实际重要性。在今后的学习中，我一定会踏实实干，努力奋斗，把理论与实践紧密联系在一起，相信一定会取得不俗的成就。 课程设计说明书 第13页 致 谢 首先非常感谢李如昌老师在做课程设计过程中给予的细心指导，深入浅出的讲解，为我顺利完成本次课程设计提供了很大帮助，让我对电子领域有了全新理解，与此同时在李如昌老师的指引下，我学习到了很多，和李如昌老师交流学习过程中，我深深被李老师渊 博知识见解折服，同时让我学会了独立思考，积极反思，让我明白思考在学习中的重要性，通过自己的思考去取得成功，不断发掘自身能力，以李如昌老师为榜样， 积极探索，不断提高自己个人思考能力，动手能力，创造能力。同时也感谢在我遇到苦难无私帮助我的同学和老师，我能够顺利完成本次电子设计离不开他们的慷慨付出，也非常感谢我们的学校为我们提供这一学习平台，让我们可以将所学知识应用与实践当中，让我们受益颇深。 最后，再次真诚的感谢敬爱的李如昌老师。 课程设计说明书 第14页 参考文献 【1】数字集成电路应用300例 黄继昌 人民邮电出版社 【2】实用电路小丛书?光电电路 赵宏图 电子工业出版社 【3】新编电子元器件选用与检测 郑凤翼 福建科学技术出版社 【4】电子线路设计指导 李银华 北京航空航天大学出版社 【5】电子技能与训练 朱国兴 高等教育出版社 【6】常用电子电路280例解析 张延琪 中国电力出版社 【7】数字电子技术基础简明教程 (第三版) 清华大学电子教研组 余孟尝主编 北京高等教育出版社 【8】模拟电子技术基础简明教程 (第三版) 清华大学电子教研组 杨素行主编 北京高等教育出版社 【9】电子技术基础 数字部分 (第四版) 华中理工大学电子教研室编 康华光主编 北京高等教育出版社 【10】电子技术基础 模拟部分 (第四版) 华中理工大学电子教研室编 康华光主编 北京高等教育出版社 因篇幅问题不能全部显示，请点此查看更多更全内容