Кодовый замок

Курсовой проект

Кодовый замок

Введение

цифровой кодовый замок устройство

В курсовом проекте будет разработано устройство «кодовый замок» с длиной кода 3. Должно быть предусмотрено блокирование замка после трех неудачных попыток ввода кода.

В ходе работы должен быть произведен анализ поставленной задачи, затем для проектируемого устройства должны быть разработаны его структурная, функциональная и принципиальная схемы, произведен расчет временных параметров и построены временные диаграммы работы.

1. Анализ поставленной задачи

В соответствии с заданием на выходе устройства должен быть сформирован сигнал лог. 1 если введен верный код.

Для большей защищенности замка код не должен состоять из трех одинаковых цифр, должен зависеть от последовательности их ввода. Если код введен верно, то на исполнительное устройство подается сигнал и замок открывается. Если пароль введен неверно 3 раза, то замок блокируется. Тогда можно выделить следующие функции, которые должно выполнять устройство:

отпирание замка;

блокирование замка;

подсчет количества неверных попыток ввода кода.

Для того чтобы отпереть замок необходимо в определенной последовательности нажать три цифры. Тогда сформируется сигнал лог. 1 на входе исполнительного устройства и замок откроется. Значит устройство должно обладать памятью. Задать зависимость от последовательности ввода цифр можно следующим образом:

)если нажата первая правильная цифра, то фиксируется факт нажатия первой цифры;

)если был факт нажатия первой цифры, то при нажатии второй правильной цифры фиксируется факт её нажатия;

)если был факт нажатия второй цифры, то при нажатии третьей правильной цифры фиксируется факт её нажатия.

Для подсчета количества попыток ввода удобней выполнять подсчет количества нажатий кнопок. Если количество нажатий будет равно 9, значит три раза неверно введен код. В этом случае на выходе устройства подсчета формируется сигнал лог. 1, который блокирует замок.

Если замок заблокирован, то независимо от того какие нажаты цифры и в какой последовательности (даже если много раз введен верный код) устройство реагировать не будет. Т.е. достаточно запретить фиксирование факта нажатия первой цифры.

Итак, устройство должно обеспечивать открытие замка в том случае если введен верный код. Ввод кода зависит от последовательности ввода цифр. Если количество неправильных введенных кодов равно 3, то замок блокируется.

2. Разработка структурной схемы. Расчет основных параметров устройства

цифровой кодовый замок устройство

В структурную схему входят следующие блоки:

блок ввода;

блок определения нажатия цифр правильного кода;

блок счета;

блок блокирования замка.

Блок ввода состоит из 10 выходов в соответствии с количеством кнопок. Служит для ввода кода.

Блок определения нажатия цифр правильного кода служит для последовательного фиксирования факта нажатия кнопок. Имеет четыре входа и один выход. Первые три входа соответствует длине кода. На три входа принимает сигналы с трех выходов блока кнопок. Если код введен в правильной последовательности, то на выходе формируется сигнал высокого уровня.

Блок счета служит для подсчета количества нажатий кнопок. Имеет 10 входов и 1 выход. На входы принимает сигналы с выходов блока кнопок. При достижении значения счета числа 8 на выходе формируется сигнал высокого уровня управления блоком блокирования замка.

Блок блокирования замка служит для блокирования или разблокирования замка. Имеет 2 входа и 1 выход. На первый вход принимает сигнал с блока счета. При поступлении на первый вход сигнала высокого уровня на выходе формируется сигнал высокого уровня. На второй вход подается сигнал высокого уровня и на выходе формируется сигнал низкого уровня.

Принцип работы устройства.

При нажатии любой кнопки на соответствующем выходе блока кнопок формируется сигнал высокого уровня. Он подается на вход блока счета, который соответствует нажатой кнопке. После нажатия 8 любых кнопок на выходе блока счета сформируется сигнал высокого уровня и подается на первый вход блока блокирования замка. На выходе данного блока формируется сигнал высокого уровня и подается на четвертый вход блока определения нажатия цифр. При этом фиксирование факта нажатия первой цифры не происходит. Соответственно не будет происходить фиксирование факта нажатия второй и третьей цифры. Если сначала была нажата кнопка первой правильной цифры, то фиксируется факт её нажатия. Если затем была нажата вторая цифра, то фиксируется факт её нажатия. После нажатия третье правильной цифры на выходе блока определения нажатия цифр формируется сигнал высокого уровня, который подается на вход исполнительного устройства и замок открывается.

После открытия замка или его блокирования выполняется сброс в исходное состояние блока счета и блока определения нажатия цифр правильного кода.

3. Разработка функциональной схемы

Разработка функциональной схемы устройства производится на основании разработанной ранее структурной схемы.

Структурный блок кнопок функционально представляет собой разъем. Структурный блок счета представляет собой функциональный элемент 10-ИЛИ, двоичный суммирующий счетчик с коэффициентом счета К=8. На выходе элемента 10-ИЛИ формируется сигнал высокого уровня при наличии на любом из своих входов сигнала высокого уровня. Структурный блок определения нажатия цифры правильного когда функционально представляет собой три динамических D-триггера с входами установки и сброса, соединенных последовательно, а также элемент задержки. На тактовые входы подаются сигналы высокого уровня с выходов разъема. Структурный блок блокирования замка функционально представляет собой динамический D-триггер, функциональный элемент 3-ИЛИ и элемент задержки. Также присутствуют два резистора и два светодиода.

Функциональная схема представлена в приложении Б.

Нажатие на любую из 10 кнопок фиксируется обобщающим элементом 10-ИЛИ, с выхода которого сигнал высокого уровня поступает на вход счетчика Ст. Как только значение счетчика увеличится до 8, на четвертом выходе сформируется сигнал высокого уровня и на входах сброса трех D-триггеров и счетчика Ст сформируется сигнал высокого уровня. При последовательном нажатии цифр правильного кода на прямых выходах трех D-триггеров сформируются сигналы высокого уровня и замок откроется. Сигнал с выхода элемента задержки подается на вход элемента 3-ИЛИ и выполняется сброс счетчика и трех D-триггеров. При нажатии на кнопку «Разблокировать» на входе R четвертого D-триггера сформируется сигнал высокого уровня и на выходе сформируется сигнал низкого уровня. Что приведет к разблокированию замка.

Таким образом, в результате работы устройства, на выходе сформируются два сигнала высокого уровня. Первый при правильном вводе кода, второй при блокировании замка. При нажатии на кнопку разблокировки замка SB1 на выходе триггера формируется сигнал низкого уровня. Кнопка разблокировки должна находиться внутри самого кодового замка.

4. Выбор элементной базы. Разработка принципиальной схемы устройства. Расчет временных параметров

Принципиальная схема представлена в приложении В.

D-триггер реализован микросхемой К155ТМ2 и представляет собой два D-триггера с прямым и инверсным выходом, инверсными входами сброса и установки, тактовым входом. Так как по условию на вход сброса должен подаваться сигнал высокого уровня, то для данной микросхемы должен подаваться сигнал низкого уровня. Счетчик реализован микросхемой К155ИЕ5. Для того чтобы микросхема работала как двоичный четырехразрядный счетчик необходимо выход Q1 соединить с входом С2. Для задания коэффициента счета снимается сигнал с 4 выхода счетчика и с задержкой подается на входы сброса R0 (1) и R0 (2). Для реализации функционального элемента 10-ИЛИ используются две микросхемы К155ЛЛ1. Данная микросхема представляет собой 4 логических элемента 2-ИЛИ. Тогда необходимо будет три таких микросхемы. Так как активным уровнем сигнала входа сброса микросхемы К155ИЕ5 и К155ТМ2 является сигнал низкого уровня, то вместо 3-ИЛИ необходимо взять 3-ИЛИ-НЕ. Элемент 3-ИЛИ-НЕ реализован микросхемой К155ЛЕ4 и содержит 3 элемента 3-ИЛИ-НЕ. Для индикации открытия или блокировки замка используются два светодиода АЛ102БМ(красный) и АЛ102ВМ(зеленый). Харрактеристики АЛ102БМ: Iпрмакс=20мА, Uпр=2В. Харрактеристики АЛ102ВМ: Iпрмакс=22мА, Uпр=2В. Выбор номинала резистора осуществляется по следующей формуле

R=(Uпит-Uпр)/(Iпрмакс*0,75)(4.1)

В соответствии с ГОСТ для класса точности R1 и R2 (±10%) номиналы выпускаемых резисторов следующие: 1,0; 1,2; 1,5; 1,8; 2,2; 2,7; 3,3; 3,9; 4,7; 5,6; 6,8; 8,2. Далее используется коэффициент 10n. Максимальное сопротивление равно 1ГОм. Номиналы выпускаемых конденсаторов для точности С4 (±15%): 1,0; 1,2; 1,5; 2,2; 3,3; 4,7; 6,8. Далее используется коэффициент 10n. Минимальная емкость 100пФ, максимальная емкость равна 1мкФ.

В соответствии с указанными параметрами светодиода АЛ102БМ и АЛ102ВМ рассчитываются номиналы резисторов. В соответствии с (4.1) R1=3/(0.02*0.75)=3/(0.015)=200Ом, R2=3/(0.022*0.75)=3/(0.0165)=182Ом. Для R1 ближайшее номинальное значение 220Ом, для R2 - 180Ом.

Для сброса кодового замка в начальное состояние при подаче напряжения питания используется схема сброса по включению питания. Данная схема состоит из триггера Шмита с инверсным выходом, реализованного на микросхеме К155ТЛ2 на вход которой подсоединена времязадающая RC-цепь. Длительность импульса для сброса определяется по формуле

T=R*C(4.2)

Выберем величину T=1 мс. Тогда в соответствии с (4.2) R3*C1=10-3. При С1=1 мкФ сопротивление составит R3=1КОм.

Для реализации элемента задержки используется таймер КР1013ВИ1. В схему подключения таймера входит резистор R4, конденсатор С3 и блокирующий конденсатор С2=10нФ. Длительность импульса напряжения высокого уровня на выходе таймера при подаче на вход сигнала низкого уровня определяется по формуле:

t=1,1*R*C(4.3)

Для формирования на входе импульса напряжения высокого уровня необходимо использовать инвертор. В качестве инвертора можно использовать свободный элемент 3-ИЛИ-НЕ микросхемы К155ЛЕ4. Длительность импульса должна быть достаточна для того чтобы успеть открыть дверь. Пусть t=4c. Тогда в соответствии с (4.3) 1,1*R4*C3=4. При С3=1мкФ сопротивление составит R4=3636КОм. Для R4 ближайшее номинальное значение сопротивления 3.3МОм.

Построение электрической принципиальной схемы устройства.

Выводы разъемов соответствуют кнопкам от 0 до 9. Первый и второй вывод подключены ко входам элемента 2-ИЛИ DD2.1. Третий и четвертый ко входам элемента DD2.2. Пятый и шестой ко входам элемента DD2.3. Седьмой и восьмой ко входам элемента DD2.4. Девятый и десятый ко входам элемента 2-ИЛИ DD3.1. Выход элемента DD2.1 и DD2.2 ко входу элемента DD3.2. Выход элемента DD2.3 и DD2.4 ко входу элемента DD3.3. Выход элемента DD3.1 и DD3.3 ко входу элемента DD3.4. Выход элемента DD3.2 и DD3.4 ко входу элемента DD4.1. С выхода элемента DD4.1 сигнал высокого уровня поступает на вход счетчика DD5. При отжатии кнопки на выходе элемента DD4.1 формируется сигнал низкого уровня и счетчик увеличивает значение на +1. Таким образом каждое отжатие кнопки увеличивает счет. Если на четвертом выходе счетчика DD5 формируется сигнал высокого уровня, то он поступает на тактовый вход триггера DD7.2. Так как на входе D триггера DD7.2 сигнал высокого уровня то после поступления сигнала высокого уровня с выхода счетчика на неинвертирующем выходе триггера DD7.2 сформируется сигнал высокого уровня и поступит на вход элемента DD8.1. На выходе элемента DD8.1 сформируется сигнал низкого уровня и поступит на входы сброса R триггеров DD6.1, DD6.2, DD7.1 и на входы сброса R0&, R0 счетчика что приведет к их сбросу и на выходах данных триггеров и счетчика сформируется сигнал низкого уровня, загорится светолиод HL2. Причем на выходе триггера DD7.2 сигнал высокого уровня будет держаться до тех пор пока на вход сброса R триггера не поступит сигнал низкого уровня при нажатии на кнопку SB. На Нажать на кнопку SB1 возможно только при открытии корпуса кодового замка.

При нажатии на кнопку 0 сигнал высокого уровня поступит на тактовый вход C триггера DD6.1 и на его неинвертирующем выходе сформируется сигнал высокого уровня который который поступит на вход D триггера DD6.2. При нажатии на кнопку 1 сигнал высокого уровня поступит на тактовый триггера DD6.2 и на его неинвертирующем выходе сформируется сигнал высокого уровня который который поступит на вход D триггера DD7.1 и загорится светодиод HL1. Сигнал высокого уровня поступит на вход таймера DD1и через 4 секунды на его выходе сформируется импульс напряжения высокого уровня который поступит на вход элемента DD3.1 что приведет к сбросу триггеров DD6.1, DD6.2, DD7.1. Замок снова закроется.

5. Построение временных диаграмм

Временные диаграммы строятся для принципиальной схемы кодового замка.

В начальный момент времени устройство находится случайном состоянии состоянии, затем после подачи напряжения питания происходит сброс устройства в исходное состояние. Счет кол-ва нажатий кнопок производится путем нажатия любой из кнопок от 0 до 9. При нажатии на кнопку 0 происходит переключении первого триггера в состояние1. При нажатии на кнопку 1 происходит переключение второго триггера в состояни1. При нажатие на кнопку 2 происходит переключение третьего триггера в состояние 2. Затем с задержкой формируется сигнал сброса устройства в исходное состояние. При девяти нажатиях кнопок на четвертом выходе счетчика формируется сигнал высокого уровня который переключает четвертый триггер в состояние 1. При этом происходит сброс устройства в исходное состояние. После этого при нажатии на кнопку 0, затем 1, затем 2 на выходе третьего триггера сигнал высокого кровня не ыормируется. До нажатия на кнопку SB1 на выходе четвертого триггера сигнал высокого уровня поступает на входы сброса остальных триггеров.

На графике DD5.1 Сч и DD5.2 Сч показано состояние счетчика десятков секунд и счетчика минут соответственно.

Первое нажатие на кнопку SB1 запускает работу схемы, второе нажатие прекращает ее работу.

Заключение

В курсовой работе разработан кодовый замок с длинной кода 3, который обеспечивает управление исполнительным устройством подачей сигнала на его вход. Также в замке предусмотрен сигнал сброса в исходное состояние.

Разработаны структурная и функциональная схемы устройства, рассчитаны временные параметры. На основании функциональной схемы и с использованием выбранной элементной базы разработана принципиальная схема. Для демонстрации работы схемы построены временные диагараммы.

Список использованной литературы

1. Угрюмов У.П. «Цифровая схемотехника», СПб.: БХВ-Петербург, 2001 г.
2. Справочник: Интегральные микросхемы и их зарубежные аналоги том 1,2. - М.: ИП РадиоСофт, 1987.: ил.
3. Конспект лекций по дисциплине «Схемотехника ЭВМ и МПК».
4. Опадчий Ю.Ф. «Аналоговая и цифровая схемотехника (полный курс): Учебник для вузов. Под ред. О.П. Глудкина. - М.: Горячая линия - Телеком, 2005. - 768 с.: ил»

Больше работ по теме: