课程设计电子密码锁附原理图及PCB.docx
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课程设计电子密码锁附原理图及PCB
电子密码锁
摘要：
本设计是通过判断输入密码正确与否从而控制相应电路工作，完成开锁、报警、锁定键盘等任务的电子密码锁。
它具有预设密码功能，超时报警功能，键盘锁定功能，错误提示功能等。
预设密码和输入密码是用两个八位的锁存器实现，密码判断是由数值比较器电路组成，超时报警功能是用NE555所构成的单稳态触发器实现，超时次数及密码错误次数由计数电路记录，而键盘锁定功能则是通过电路的逻辑关系巧妙控制锁存器的输出使能端实现的。
关键词：
电子锁，密码锁，键盘锁定，报警电路
Abstract：
Thisdesignistocontrolthecorrespondingcircuitbyjudgingthepasswordcorrectlyornotwork,dolock,alarm,lockthekeyboardandotherelectroniccombinationlock.Ithasdefaultpasswordfunction,timeoutalarmfunction,andkeylockfunction,errorfunction,etc.Defaultpasswordandenterthepasswordistousetwooftheeightlatch,passwordisconsistofnumericcomparatorcircuit,timeoutalarmfunctionisformedbyusingNE555monostabletrigger,timeoutnumberandpassworderrornumberrecordedbycountingcircuit,andkeylockfunctionisthroughthelogicalrelationshipofthecircuitcancontroltheoutputofthelatchmakestheserver-sideimplementation.
Keywords：
Electroniclock,Combinationlock,Keyboardlock,warningcircuit.
1前言
1.1设计背景
随着人们生活水平的提高，对家庭防盗技术的要求也是越来越高，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，受到了广大用户的欢迎。
现在市场上主要是基于单片机技术的电子密码锁，但可靠性较差。
通常简单的数字电路就可实现密码不限次数重写，也就是说现在的硬件设计和软件设计一样灵活、方便。
相对于基于单片机技术的电子密码锁，用简单门电路来来构成系统，可靠性提高、使用灵活性好、价格便宜等优点，因此受到了广大用户的青睐。
1.2设计概述
电子密码锁的原理不复杂，设计的器件大多为较为常见的器件。
电子密码锁实际上是一种通过密码输入来控制电路从而控制机械开关的闭合，完成开锁的装置，它的功能包括数据锁存、数值比较、计时报警、延时锁定等。
本次课题主要目的是培养我们自主动手设计能力和解决问题的能力，加强我们对数字电路、模拟电路的认识和运用，让我们对电子设计有一定的认识。
1.2.1设计目标
设计出一个包括密码开锁等多功能的电子密码装置。
基本功能：
用户通过键盘输入密码，将该密码锁存并与预置密码比较，相等则密码锁可以被打开，并且绿色的灯亮。
若按下干扰键，键盘输入电路自动清零，原先输入的密码无效，需要重新输入。
若密码输入错误超过三次，则红色的灯亮，用户输入密码的时间超过30秒，电路将报警80秒，若电路连续报警三次，电路将锁定键盘5分钟。
1.2.2技术路线
要实现该设计，就应把整个电路分为几大模块。
分别是密码锁存模块，密码比较模块，计时模块，计数模块，报警模块，键盘锁定模块。
先通过对各个模块进行设计、调试之后再将其组合起来进行整机调试。
1.2.3实施计划
首先是要理清实现设计的框图，在总体框图的指导下，作出具体的电路图，由要设计实现的功能，计算出各个电路元件的值，并逐一对各个元件进行选择。
最后用仿真软件对设计进行仿真操作，调试软件，并对照出的设计有误的地方进行必要的修正，确保设计的正确和功能的实现。
1.2.4必备条件
要实现该电路的设计，首要的就是要制定出设计的实现框图，并在老师的指导和参照资料的条件下作出具体电路图，选定实现实现该设计的各种元器件。
另外，还应由必要的软件帮助设计的完成。
2总体方案设计
要达到设计的要求，从输入密码开始，寄存密码并比较，然后根据比较结果输出从而控制报警电路或者开锁电路。
2.1程序框图
系统框图如图2-1所示。
图2-1系统框图
工作原理简述：
用户从键盘输入密码，从按下任意一个键开始计时，若按下干扰键则需要重新输入密码，并且重新计时。
按下密码修改键则可以修改密码，将输入的密码与预置密码比较，若相等则由开锁电路进行开锁并亮绿灯，如果密码连续错误三次将亮红灯。
若用户输入密码时超时则由NE555构成的单稳态计时报警，同时报警一次，计数器加一，若计数达到3次则通过由NE555构成的单稳态电路将键盘将锁定5分钟，此时键盘输入无法开锁且无法进行密码修改。
2.2电路分析
针对密码比较通过两个锁存器，一个用于预置密码，当预置开关打开时，从键盘输入密码并将之保存并输出，而预置开关关闭后将之前的密码锁存，键盘输入对输出无影响。
之后用户输入密码后按下确认键输出密码与预置密码进行比较。
干扰键则是通过键盘的特性进行复位。
密码判断电路是通过两个四位的数值比较器片选组合成八位的数值比较进行密码的判断并输出相应的高低电平。
开锁电路和执行电路则由继电器和绿色的发光二极管连接而成。
计时电路由一个八位的与门连接键盘，构成有输入则输出高电平使NE555构成的单稳态电路触发计时后自动翻转。
报警电路和键盘锁定电路都是通过NE555构成的单稳态延时功能，报警时间和延时锁定时间可以自行设定而改变。
3单元模块设计
本节主要介绍系统各单元模块的具体功能、电路结构、工作原理、以及各个单元模块之间的联接关系；同时本节也会对相关电路中的参数计算、元器件选择、以及核心器件进行必要说明。
3.1密码锁存电路
密码锁存电路由芯片74HC373和74HC374构成。
74HC373是八路D型锁存器，每个锁存器具有独立的D型输入，以及适用于面向总线的应用的三态输出。
所有锁存器共用一个锁存使能（LE）端和一个输出使能（OE）端。
74HC373包含八个具有三态输出的D型透明锁存器。
当LE为高时，数据从Dn输入到锁存器，在此条件下，锁存器进入透明模式，也就是说，锁存器的输出状态将会随着对应的D输入每次的变化而改变。
当LE为低时，锁存器将存储D输入上的信息一段就绪时间，直到LE的下降沿来临。
当OE为低时，8个锁存器的内容可被正常输出；当OE为高时，输出进入高阻态。
OE端的操作不会影响锁存器的状态。
74HC374与74HC373不同的是锁存使能（LE）端为脉冲信号输入。
图3-174hc373（4）密码输入图
用74HC373和74HC374构成的密码输入和密码预置电路:
打开左下角开关给373的使能端LE一个高电平使之开始工作，按下八位开关进行密码预置。
然后关闭开关，按下复位键，之后就可以输入密码，密码输入结束后按下确认键，给出一个脉冲，使374输出密码。
3.2密码判断电路
密码判断电路由两片74HC85片选构成。
数值比较器74HC85有八个比较输入（A0-A3,B0-B3）,三个级联输入（AB,A=B）和三个判断输出（QAQB,QA=QB）,该器件可对两个4位字进行比较，比较结果在QAQB,QA=QB端以高电平呈现。
只有当字A等于字B时，三个级联输入才可以决定输出状态，并且A=B端优先于AB端。
若将多个HC85级联，则可比较大于4位的两个字，此时低位级的判断输出（QAQB,QA=QB）应分别接到下一级的级联输入（AB）。
图3-4
图3-28位数值比较器
两片74HC85通过片选连接一起构成八位的数值比较器，其中U3的A口和U4的A口接74HC374的八位输出，B口接373的输出。
U3的3引脚由确认键通过D触发器及其相应的逻辑关系输入，保证未按下确认键前不比较其输入数值。
若相比较的两个数值相等则U4的6引脚输出高电平，从而连接三极管驱动继电器使开锁电路打开并亮绿灯。
而U4的5引脚和7引脚由二输入的或门连接，如若两个数值不等则输出高电平使计数器计数。
3.3计数器电路
计数器电路有74LS161构成。
74LS161功能：
当清零端CR=“0”，计数器输出Q3、Q2、Q1、Q0立即为全“0”，这个时候为异步复位功能。
当CR=“1”且LD=“0”时，在CP信号上升沿作用后，74LS161输出端Q3、Q2、Q1、Q0的状态分别与并行数据输入端D3，D2，D1，D0的状态一样，为同步置数功能。
而只有当CR=LD=EP=ET=“1”、CP脉冲上升沿作用后，计数器加1。
74LS161还有一个进位输出端CO，其逻辑关系是CO= Q0·Q1·Q2·Q3·CET。
图3-3计数电路
图3-6
两片74LS161U6为密码错误次数计数，U5为密码输入超时次数计数。
U6和U5的D端口都接地，两个芯片的7引脚接在一起，当键盘锁定时给出低电平，停止计数，其他时候为高电平，与其他使能端一起构成计数器的计数功能。
两块芯片都是通过反馈置数法使计数满后重新计数。
U6的输出通过二输入与门连接红色发光二极管，当计数满时（密码输入错误3次）后灯亮。
U6的1引脚和10引脚由数值比较器的5、7引脚与门连接一起，即密码错误时使芯片为计数功能。
U6的输入脉冲由确认键和密码错误的逻辑关系确定。
U5的输入脉冲为报警电路给出。
3.4计时器电路
计时器电路由NE555芯片构成的单稳态触发器构成。
将555芯片的6、7脚并接起来接在定时电容C上，用2脚作输入就成为脉冲启动型单稳电路，电路的2脚平时接高电平，当输入接低电平或输入负脉冲时才启动电路，用等效触发器替代555后，它的工作原理：
稳态：
接上电源后，R=1，S=1，输出Vo=0，DIS端接地，C上的电压为0即R=0，输出仍保持Vo=0，这是它的稳态。
暂稳态：
输入负脉冲后，输入S=0，输出立即翻转成Vo=1，DIS端开路，电源通过R向C充电，暂稳态开始。
经过时间Tw后，C上电压上升到>2/3VDD时，输入又成为R=1，S=1，这时负脉冲已经消失，输出又翻转成Vo=0，暂稳态结束。
这时内部放电开关接通，DIS端接地，C上电荷很快放到零，为下一次定时控制作准备。
电路的定时时间Tw=1.1RC。
图3-4键盘输入超时电路
键盘输入电路工作原理：
其中输入由键盘连接的八输入与门输入，确保键盘输入后给U7的8引脚高电平从而开始计时。
输出的信号作为报警计时电路的输入。
超时的时间为Tw1=1.1
R12
C2=1.1
272
10^3
100
10^（-6）=30s.
图3-5超时电路波形
图3-6报警计时电路
报警计时电路工作原理：
电路的输入由键盘输入超时电路输出给出，超时30s则报警一次。
电路输出接蜂鸣器报警，并将之连接U574LS161芯片的2引脚作为输入脉冲使其计数加一。
计时时间Tw2=1.1
R13
C4=1.1
727
10^3
100
10^（-6）=80s.
图3-7计时电路波形
图3-8键盘锁定延时电路
键盘锁定延时电路工作原理：
计数器U5的输出作为该电路的输入，当计数达到3次时启动延时锁定键盘，其输出取反后与输入通过同或门连接后接入芯片74HC373和74HC374的三态允许控制端，使锁存器输出高阻状态，从而达到键盘锁定功能。
计时时间
Tw3=1.1
R14
C6=1.1
2720
10^3
100
10^（-6）=300s.
图3-9计时电路波形
3.5电路参数的计算及元器件的选择
3.5.1键盘输入电路
键盘输入电路的接地电阻（R1-R8）均为默认的10k，为了保证开关断开时芯片74HC373（74HC374）为低电平，开关闭合时为高电平。
而预置密码电路的两个电阻R9为90k，R10为10k，为了保证预置开关打开时为高电平，关闭时为低电平。
而确认键旁的开关R11为10k，为了保证按下确认键给出一个脉冲。
3.5.2555单稳态定时器
定时电路需要三个NE555芯片，三个电阻，三个电解电容，三个普通电容，键盘输入电路电阻为272k，报警计时电路为727k，键盘锁定延时电路电阻为2720k。
三个电解电容均为100uF，三个普通电容均为0.01uF。
3.6各单元模块的联接
详见附录1所示。
4系统调试
4.1仿真电路总图
见附录1所示。
4.2系统仿真参数设置
在系统调试之前，我们需要对系统进行参数设置，如表4-1，4-2,4-3,4-4,4-5所示。
表4-1电阻参数表
序号
编号
参数
序号
编号
参数
1
R1
10k
8
R8
10k
2
R2
10k
9
R9
90k
3
R3
10k
10
R10
10k
4
R4
10k
11
R11
10k
5
R5
10k
12
R12
272k
6
R6
10k
13
R13
727k
7
R7
10k
14
R14
2720k
表4-2电容参数表
序号
编号
参数
1
C1
0.01uF
2
C2
100uF
3
C3
0.01uF
4
C4
100uF
5
C5
0.01uF
6
C6
100uF
表4-3LED二极管参数表
序号
编号
型号
1
D1
1N4148
2
D2
1N4148
3
D3
1N4148
4
D4
LED-GREEN
5
D5
LED-RED
表4-4芯片参数表
序号
编号
型号
序号
编号
型号
1
U1
74HC374
6
U6
74LS161
2
U2
74HC373
7
U7
NE555
3
U3
74HC85
8
U8
NE555
4
U4
74HC85
9
U9
NE555
5
U5
74LS161
10
U10
D触发器
表4-5逻辑门电路参数
序号
编号
型号
序号
编号
型号
1
U11
74LS04
6
U16
74LS08
2
U12
74HC4078
7
U17
74LS08
3
U13
4077
8
U18
74LS00
4
U14
74LS32
9
U19
74LS00
5
U15
74LS32
10
U20
74LS00
4.3功能调试
通过几天的的理论设计,为了验证对理论应用的正确性，选用Protues进行仿真，验证所设计的电路能否实现。
4.3.1预置密码
4.3.1.1调试目的
测试密码预置开关能否起到预置密码的作用。
4.3.1.2调试电路，如图4-1所示。
图4-1密码预置电路
4.3.1.3调试结果，如图4-2所示。
图4-2预置开关打开（置入密码）
4.3.2输出效果
4.3.2.1调试目的
调试输入正确密码能否开锁以及绿灯亮，输入错误密码3次红灯亮。
4.3.2.2调试电路，如图4-3所示。
图4-3密码比较电路
4.3.2.3调试结果，如图4-4，4-5所示。
图4-4密码正确电路开锁（绿色灯亮）
图4-5密码输入错误3次（红色灯亮）
4.3.3超时报警及键盘锁定
4.3.3.1测试目的
测试键盘输入超时能否报警以及报警三次电路能否锁定键盘5分钟。
4.3.3.2测试电路，如图4-6所示。
图4-6超时报警电路
4.3.3.3测试结果，如图4-8所示。
图4-8键盘锁定（超时3次）
4.4调试结果分析
4.4.1调试电路已实现的功能
通过先分步调试后整体调试的方法，本设计实现了电子密码锁要求的主要几个功能，如密码预置，开锁灯亮，超时报警，键盘锁定等。
4.4.2调试中遇到的问题和此电路的不足
在调试的过程中遇到了许多的问题，主要是遇到了电路各个芯片和电路整体功能之间的逻辑关系问题。
由于在设计各个功能模块时序电路的缺陷，造成了整体电路不能合理的协调在一起正确的实现所有功能。
5系统功能、指标参数
5.1系统实现的功能
用户通过密码预置键预置密码。
当用户输入密码后用户必须按下确认按钮后方可知输入的密码是否与预置密码一致，当密码正确时，点亮绿色二极管亮，锁可以打开。
当密码输入错误三次后红色的二极管点亮。
如果在三十秒内还未完成密码的输入，则蜂鸣器鸣笛八十秒，当蜂鸣器响了三次以后，电路将自动把键盘锁定，锁定时间为五分钟，这时输入密码无效，也不能对电子锁预置密码。
5.2系统指标参数测试
对于本设计系统的参数测试，总共分两步。
第一步就是将自己设计的电路用软件Proteus作出具体的线路图，用Proteus自带的检测功能检测线路是否连接有误，直到修改线路至无误为止。
第二步就是将我们的电路的各部分分开进行仿真。
对此部分仿真可用到仿真软件proteus。
在对每个部分仿真达到正确结果后，然后将各个模块连接起来进行整体测试。
经过仿真证明我设计的电子密码锁大体工作正常。
6结论
课程设计是对我们知识掌握程度的一种检测。
这次用数字电子技术和模拟电子技术来设计电子密码锁相对来说还是有一定的难度，关键是对芯片的功能与引脚的掌握和了解以及对整个电路的逻辑关系的把握。
该设计用仿真软件proteus的验证了理论分析结果的正确性。
此次课程设计经过为期2周的不懈努力，目前基本达到了预期的要求，通过对整个系统的调试，可得到如下结论：
本设计是电子密码锁，通过用户预置密码和输入密码，达到密码锁开锁，警示灯亮，延时报警及键盘锁定等功能。
理解了由NE555单稳态作为定时器应用的场合，采用不同的逻辑门来实现电子线路的时序控制，对八位D型锁存器74HC373，数值比较器74HC85，计数器74LS161，D触发器以及各种逻辑门电路的认识更加深入明确。
不过，这个设计还是有它的不足之处。
首先就是电路设计有些复杂，元器件种类有点多，它们会耗费掉一定的电力，另外就是密码的所有组合方式不够复杂，应用于实际生活中还是有一定的欠缺。
鉴于是采用仿真软件仿真的，在理论上是虽然可行，但是在实际工程上需要接受检验，由于时间条件的限制就没有做出实物。
7设计总结
7.1设计的收获体会
在确定课程设计题目之后，通过上网和查阅相关图书，参考了许多相关的资料。
在设计中又参考了以前学过的数字电子表设计的原理图，有了基本的思路。
但着手设计时，又出现了许多未预料到的问题，例如控制时序电路的设计，这部分比较关键，会影响到芯片的正常工作，经过和同学的努力思考尝试以及老师的帮助，基本上解决了这个问题。
此外，就是对于八位D型触发器74HC374的认识，这个芯片是没有学过的，但是经过自己的上网查找，掌握了这个芯片的逻辑功能和应用范围，主要参数等，体会到了自学的味道。
另外就是对仿真软件的认识和熟练操作，通过仿真解决了不少工程上的问题，同时也发现了不少问题，在后来的设计中一次次被解决，深切感受到最为设计者必需的严谨细致的治学态度。
总之，这次实验过程中我受益匪浅，培养了我的设计思维，增加了动手操作的能力，更让我体会到实现电路功能的成就感。
7.2对设计的进一步完善提出意见或建议
本次设计还是有许多的不足之处,比如说本次设计的电子密码锁中的键盘输入只能输入八位的二进制数，使得密码的多样性得不到保证，对于密码的安全性还是有一定的缺失。
还有就是当按下键盘开始倒计时30s时，只有按下键盘的复位键才能使得电路停止计时，而如果我们密码输入结束后按下确认键（或者密码修改键）后是不能结束计时的，意思是输入密码后若不按下复位键电路还是会超时报警的。
这让我深深明白要想在设计方面有所成就，就必须掌握各个方面的知识，融会贯通，充分了解项目的使用功能，确保其可靠性，安全性。
8致谢
在这里，我要对指导我们课程设计的老师表示衷心的感谢。
老师不厌其烦的为我们讲解实际设计中遇到的问题，并且指出了我们在设计当中存在的错误和过失，积极引导我们，使得我们不畏失败，敢于思考，打破常规，勇于创新，可以说康老师的指导对于我此次课程设计的成功取到了举足轻重的作用。
老师积极负责，严谨细致。
在比较忙的时候，还积极安排，指导我们进行课程设计，让我深切体会到了老师的无私奉献的精神，也使我更加熟悉了课程设计的主要流程，这可能对于我在大四的毕业设计具有重要的意义。
同时，通过与康老师的交流学习，我从他那也学到一些注意事项和经验教训，这些往往是在书本上学不到的，最主要的是，通过师生之间的沟通，我深切感悟到了专业知识的重要性，以及思考尝试的为学态度。
同时，感谢学校学院给我们提供了一个这么好的机会，让我能够经过这个课程设计来检验自己在专业知识方面的运用能力，明确自己的差距，找准自己的不足。
此外，还得感谢两个星期课程设计以来，给予我珍贵意见和建议的小组同学，使得我能够顺利的完成这个设计。
9参考文献
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附录1：
电子密码锁的仿真总图
附录2：
电子密码锁的PCB图
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