张平六位十进制密码锁 自动保存的解读.docx
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张平六位十进制密码锁自动保存的解读
电子初级技能培训2论文
论文题目：
电子密码锁
指导老师：
盛磊钟伟
学生姓名：
张平
学号:
201412021715
专业：
电子信息工程技术
2015年12月01日
摘要
锁，是一种保护隐私和秘密的重要工具。
如今大到国家机关，小到居民住宅，锁无处不在。
密码锁是锁的一种，开启时用的是一系列的数字或符号组成的密码。
而电子密码锁是一种通过密码输入来控制电路或是芯片工作，从而控制机械开关的闭合，完成开锁、闭锁任务的电子产品。
它的种类很多，有简易的电路产品，也有基于芯片的性价比较高的产品。
现在应用较广的电子密码锁是以芯片为核心，通过编程来实现锁的功能的，而我用数字电路来实现电子密码锁的功能。
在本次技能培训中，我组设计了一个六位十进制密码锁。
主要分为如下几个部分：
1.用户密码输入单元：
位于密码锁外部，为用户提供拨码开关式输入密码的方式。
2.密码显示单元：
用拨码开关对数码管输入一组固定的值来代替密码防止密码被盗窃。
3.真实密码存储单元：
位于密码锁内部，用拨码开关存储真实密码，且该密码可以被用户修改。
4.密码正误判定单元：
位于密码锁内部，用数值比较器来判断用户密码是否输入正确。
5.连续计次报警单元：
位于密码锁内部，计时器配合一个蜂鸣器和红绿灯，当输入密码三次结束后还没有正确的密码输入，则蜂鸣器报警三秒且红灯亮，输入正确则绿灯亮且开锁。
关键词：
计数器，计时器，锁存器，数值比较器。
Abstract
itisakindofimportantmeansofprotectingprivacyandsecret.Nowthebigtothestateorgans,smalltoresidential,lockiseverywhere.Acombinationlockisalock,openusethepasswordiscomposedofaseriesofNumbersorsymbols.Andelectroniccombinationlockisapasswordortocontrolcircuit,soastocontrolmechanicalswitchesclosed,lock,locktaskofelectronicproducts.It'salotofmorephyletic,hassimplecircuitproducts,alsohasahighcostperformanceproductsbasedonthechip.Widelyusedonelectroniccombinationlockisnowchipasthecore,throughtheprogrammingtorealizethefunctionofthelock,andIusedigitalcircuitstorealizethefunctionofelectroniccombinationlock.
Inthistraining,mygrouphasdesignedasixdecimalcodedlock.Mainlydividedintothefollowingseveralparts:
1.Userpasswordinputunit:
locatedinthecombinationlockexternal,toprovideuserswithdialthecodeswitchtypeapassword.
2.Passworddisplayunit:
dialthecodeswitchtodigitaltubeafixedsetofinputvaluesinsteadofapasswordtopreventpasswordtheft.
3.Therealpasswordstorageunit:
inthecombinationlock,withdialthecodeswitchstorerealpassword,thepasswordcanbemodifiedbytheuser.
4.Thepasswordisrightandwrongdecisionunit:
inthecombinationlock,usenumericalcomparatortodeterminewhethertheuserpasswordinputiscorrect.
5.Continuouswouldalarmunit:
thecombinationlock,internaltimerwithabuzzerandtrafficlights,whentheendoftheinputpasswordthreetimesisnotthecorrectpasswordinput,thebuzzeralarmthreesecondsandturnsred,inputthecorrectgreenlightandthenopenthelock.
Keywords:
counters,timers,latch,numericalcomparator.
目录
第1章绪言1
第2章课程任务及要求2
2.1设计任务2
2.2设计要求2
第3章系统设计3
3.1方案论证3
3.2系统设计5
3.2.1结构框图及说明5
3.2.2系统原理图及工作原理6
3.3单元电路设计6
3.3.1单元电路工作原理6
3.3.2元件参数选择9
第4章软件仿真10
4.1仿真电路图10
4.2仿真过程11
4.3仿真结果12
第5章安装调试20
5.1安装调试过程20
5.2故障分析20
第6章结论21
第7章使用仪器设备清单22
参考文献23
收获、体会和建议24
第1章绪言
锁，是一种保护隐私和秘密的重要工具。
如今大到国家机关，小到居民住宅，锁无处不在。
密码锁是锁的一种，开启时用的是一系列的数字或符号组成的密码。
而电子密码锁是一种通过密码输入来控制电路或是芯片工作，从而控制机械开关的闭合，完成开锁、闭锁任务的电子产品。
它的种类很多，有简易的电路产品，也有基于芯片的性价比较高的产品。
现在应用较广的电子密码锁是以芯片为核心，通过编程来实现锁的功能的，我采用数字电路来实现电子密码锁的基本功能。
其性能和安全性已大大超过了机械锁，其特点如下：
1．保密性好，编码量多，远远大于弹子锁。
随机开锁成功率很小。
2．密码可变。
用户可以经常更改密码，防止密码被盗，同时也可以避免因人员的更替而使锁的密级下降。
3．误码输入保护。
当输入密码三次错误时，报警系统自动启动。
4.电子密码锁的操作简单易行，一学即会。
5.干扰码功能。
在输入正确密码前可输入任意码。
本次设计，制作的是简易的电子密码锁，密码由六位0~9的数字构成，而且密码锁会设有一个任意初始密码，可以用拨码开关随意修改密码，在输入密码正确并开锁后，重新输入密码又可重新设定密码。
正常使用时，想要开锁的时候，输入六位密码，如果输入正确，密码锁开锁，绿灯亮起；如果输入错误，则红灯亮，并且在输入三次后无正确输入，系统报警。
第2章课程设计任务及要求
2.1设计任务
设计、制作一个数字电子密码锁电路，其功能如下：
1.其密码为六位十进制数字。
2.开锁输入码与密码一致时，锁被打开。
3.输入密码错误三次后，则报警。
4.设置指示灯，红灯亮表示密码不正确，绿灯亮表示密码正确以及已经开锁
5.可以对密码进行修改
6.掉电密码不丢失
2.2课题选择原则
（1）必须符合对本专业学生所学知识和技能的中和训练要求
（2）在满足综合训练要求的前提下，尽可能选择与本专业和本地区实际需要相结合的设计或调研课题。
（3）选题要有利于深化所学的专业知识和拓展所学的知识面，但选题不宜过深，要求也不宜过高。
（4）课题任务要有一定的设计、工程量，以保证能有明确的分工和具体的
（5）课题中必须用到数码管做显示。
（6）课题必须包含有声光报警指示。
（7）课题必须包含555定时器。
（8）要用到与非电路中的一种。
综合课题原则，我组选择了数字电子密码锁作为本次技能培训的课题。
1.理论设计部分
（1）小组独立完成系统的原理设计。
说明系统实现的功能，应达到技术指标，进行方案论证，确定设计方案。
（2）确定设计要实现的功能并查找资料，说明各部分电路的工作原理，初步选定所使用的各种器件的主要参数及型号，列出元器件清单。
2.模拟仿真
（1）根据理论设计用proteus8在计算机上进行仿真。
验证所设计方案的正确性，并进行优化。
（2）分析电路的工作原理，根据要求对电路进行修改完善功能。
3.安装调试部分
（1）对课题设计的电路进行布局，对芯片等元件进行排版布局做好安装前的准备工作。
（2）按照设计电路进行安装，注意焊接工艺。
（3）对电路检查是否正确。
（4）安装芯片进行调试。
第3章系统设计
3.1方案论证
在本文中，我组设计了一个电子密码锁。
主要分为如下几个部分：
1.用户密码输入单元
方案一：
放置一个拨码开关，配合六个LED显示管（显示固定的数值），采用六位密码连续输入的方式进行密码输入，结果存入六个锁存器中。
此方案密码输入方便，但是一旦用户输错一位，用户需先将这次的密码六位全输满，并得到报警后才能进行下一次输入。
方案二：
放置六个拨码开关，连接计数器，配合六个LED显示管，通过拨码开关来调节每一位数字的大小。
此方案密码输入也很方便，且无须担心用户输错一位，要将这次的密码六位全输满，并得到报警后才能进行下一次输入的问题，这四位密码可以以任意的顺序通过拨码开关来调节出来，且通过计数器输出到锁存器的功能，以计数的方式，存住了用户输入的密码。
比较以上两种方案的优缺点，方案二简洁、灵活、方便，能完全达到设计要求，故采用第二种方案。
2.真实密码存储单元
方案一：
利用六个锁存器分别存储六位密码中的一位，组成密码存储单元。
此方案会根据锁存器的特性，在一上电的时候自己设定了一个初始密码000000，用户首次使用时需先输入000000这个初始密码，然后再对密码进行修改，修改时只需再输入一个六位十进制的密码即可。
密码存储在芯片中，即使拆卸密码锁，也不会让对方获取密码，而且密码锁可以在外部进行密码修改，无需拆开密码锁。
方案二：
放置六个四位拨码开关分别存储六位密码中的一位，组成密码存储单元。
此方案用四位拨码开关以二进制的形式一位一位的存储密码，这样想要修改密码的时候可以任意修改密码，找到这六个拨码开关，并手动拨动开关，把要设定的密码的每一位转换成二进制，以二进制的形式设定每一位密码。
比较以上两种方案的优缺点，方案二安全、灵活、方便，能完全达到设计要求，故采用第二种方案。
3.密码正误判定单元
方案一：
在每一位密码的电路中放置一个数值比较器（高电平输出），使输入的密码与真实密码存储单元中的密码进行比较，六个比较器同时比较，然后结果相与，根据高低电平判断密码是否正确。
此方案逻辑简单，每一位输入的密码正确则总的输入密码正确。
方案二：
使用六个数值比较器（高电平输出）联级比较，当第一位密码不正确的时候，后三位密码无论是什么，都不能开锁；若第一位密码正确，则看第二位密码，当第二位密码不正确的时候，后四位密码无论是什么，都不能开锁；若前两位密码正确，则看第三位密码，当第三位密码不正确的时候，最后一位密码无论是什么，都不能开锁；若前三位密码正确，则看后三位密码，当后三位密码不正确的时候，不能开锁，当第后三位密码正确的时候，可以开锁。
此方案在把密码的六位输入看作是有先后顺序的时候使用，但是本系统中的密码输入是无顺序可言的，且与方案一中的数值比较器的数量是一样的，本方案的逻辑比方案一要复杂得多。
比较以上两种方案的优缺点，方案一简单、可读性强，能完全达到设计要求，故采用第一种方案。
4.连续计次报警
采用一个555计时器配合一个蜂鸣器和红绿灯，555计时器通过调节电阻和电容的大小使之可以发送三秒的脉冲，则按下开锁按钮之后，若密码输入错误，则红灯亮，若错误三次则蜂鸣器报警三秒。
3.2系统设计
3.2.1结构图及说明
本次设计输入密码部分采用六位拨码开关来输入二进制密码，通过74LS192来转化为十进制密码，再用74LS373来记住密码，保证此次密码不丢失，再用74LS85数值比较器来对输入密码和正确密码进行密码正误判断，密码正确则绿灯亮且开锁，密码错误则红灯亮且蜂鸣器报警三秒。
3.2.2系统原理图及工作原理
3.3单元电路设计
3.3.1单元电路工作原理
1.用户密码输入单元
加图
这个单元利用了一个十进制可逆计数器74LS192和两个分别控制计数加一和计数减一的按键，按键分别连接计数器的加计数端和减计数端。
按键常开触点接地，常闭触点接电源，这样在按键未按下的时候输出为高电平，在按键按下后输出为低电平。
计数器的置数端低电平有效，故置数端接电源使之不起作用。
计数器的清零端高电平有效，故清零端接地使之不起作用。
计数器的UP和DOWN这两个端都是低电平有效，空闲时都始终处于高电平，按键按下之后有一个低电平的脉冲，触发这个计数器计数加一或者减一，并在输出端接一个LED显示器显示计数器中的数据大小。
2.真实密码存储单元
这个单元利用了一个三态输出的八D透明锁存器74LS373，只使用了锁存器的前四位。
OE三态允许控制端（低电平有效）接地，ENG锁存允许端接密码比较和修改密码的开关相与的结果，仅仅当密码输入正确且用户闭合了修改密码的开关之后才允许对锁存器中的数据进行修改，此时锁存器中的数据就修改为1D~4D所连接的计数器的输出端的数值。
即LED显示的数字。
修改号密码之后把修改密码的开关断开，ENG锁存允许端为低电平，密码存入锁存器，不再随着计数器的数值改变而改变。
3.密码正误判定单元
这个单元利用了一个4位二进制数值比较器74LS85，由于密码一位只有0~9，所以二进制只需4位即可不需要数值比较器连级使用，故三个连级输入端都接高电平。
B0~B3都接真实密码存储单元，A0~A3都接输入密码的计数器，二者比较，若相等则OAEQB端输出为高电平，否则OAEQB端输出为低电平。
4.计时报警单元
这个单元计时是利用了一个555计时器，通过调节电阻和电容的大小使之可以倒记时30秒，即TRI端为高电平输入时，OUT端为低电平输出，计时器没有计时。
当按下按键，TRI端的输入为一个从高电平到低电平再到高电平的一个凹形的低电平脉冲。
这样，触发了555计时器，使之开始计时，同时OUT端的输出也从低电平变为高电平，并持续高电平直到30秒计时结束，变回低电平。
而报警则是由一个BUZZER蜂鸣器来完成，蜂鸣器一端接地，一端接判断的结果。
判断结果是由一个或门和一个非门组成，或门的两个输入端分别接D触发器和密码判断的结果，非门输入端接或门的输出端，非门的输出端接蜂鸣器。
当计时器没有计到30秒之前，D触发器没有触发，Q’输出为初始的高电平，即无论密码是否正确，或门输出始终为高电平，非门取反之后为低电平，蜂鸣器不工作。
计时器计到30秒之后，由于OUT端从高电平转为低电平，非门取反之后为一个上升沿，触发了D触发器，Q’端输出为D’低电平，若密码判断结果是密码错误，即或门的两个输入端都为低电平，或门输出为低电平，非门取反之后为高电平，蜂鸣器工作报警。
3.3.2元件参数选择
元件名称
元件标号
元件型号
元件数量
非门
U12,U23,U26
74LS04
3
与门
U5,U8,U20,U21
74LS08
4
或门
U24
74LS32
1
D触发器
U22
74LS74
1
4位二进制数值比较器
U3,U11,U15,U19
74LS85
4
十进制可逆计数器
U1,U4,U7,U16
74LS192
4
八D透明锁存器
U2,U9,U13,U17
74LS373
4
定时器
A1
555
1
蜂鸣器
U25
BUZZER
1
电容
C1
0.01µF
1
C2
140µF
1
数码管
U6，U10，U14，U18
DCD_HEX_DIG_RED
4
绿灯
LED3
LED_green
1
红灯
LED4
LED_red
1
开关
J1，J2，J3，J4，J5，J6，J7，J8，J10
PB_DPST
9
J9
SPST
1
电阻
R1，R2，R3，R4
200Ω
4
R5
5.1kΩ
1
R6
200kΩ
1
电源
-
VCC
-
地
-
GROUND
-
第4章软件仿真
4.1仿真电路图
4.2仿真过程
1.上电，计数器初始状态计数为9，9999不为初始密码，红灯亮
2.按下Start开始开关并输入正确的初始密码0000，绿灯亮
3.在密码输入正确后，闭合Change修改密码开关，把密码修改为0514，断开Change开关后，密码就成功修改为0514
4.没有正确输入密码，30秒后红指示灯仍亮且蜂鸣器报警。
4.3仿真结果
1.上电，计数器初始状态计数为9，9999不为初始密码，红灯亮
2.按下Start开始开关并输入正确的初始密码0000，绿灯亮
3.在密码输入正确后，闭合Change修改密码开关，把密码修改为0514，断开Change开关后，密码就成功修改为0514
4.没有正确输入密码，30秒后红指示灯仍亮且蜂鸣器报警。
模块仿真
1.用户密码输入单元
刚上电的时候是9，密码不正确，红灯亮。
通过左边的“加一”“减一”按键，对输入的密码进行调节，这时的真实密码为0，故当输入密码也为0的时候，绿灯亮。
2.真实密码存储单元与密码正误判定单元
刚上电的时候是9，密码不正确，绿灯不亮。
通过左边的“加一”“减一”按键，对输入的密码进行调节，这时的真实密码为0，故当输入密码也为0的时候，绿灯亮。
闭合Change开关，可以修改锁存器中的密码（数码管上为用户输入的密码，下为锁存器中存储的密码），通过左边的“加一”“减一”按键，对锁存器中存储的密码进行调节，这时的真实密码为5。
断开Change开关，当前密码锁存在锁存器中，成为新密码。
通过左边的“加一”“减一”按键，对输入的密码进行调节，这时的真实密码为5，故当输入密码为0的时候，绿灯不亮。
只有当输入密码为5的时候，绿灯亮。
3.计时报警单元
计时器按下Start开关后约30秒，计时器输出给D触发器一个上升沿，D触发器的输出从高电平变为低电平，计时结束。
第5章安装调试
本章节内容是基于暑假之前进入实验室进行的数字电子课程设计的“数字抢答器”单元进行叙述。
5.1安装调试过程
1.根据事先画好的电路图在实验台上找到所有需要的元器件。
2.以每个功能模块为单位，安装电路。
3.每个功能模块电路安装成功后，验证该单元功能是否正常。
4.多个功能模块电路连接，验证连接后的组合电路功能是否正常。
5.连接完成整个电路，测试是否功能是否正常。
6.2故障分析
1.74LS00与门不工作
由于原理图未画出，74LS00芯片未接电源和地。
接通电源和接地后芯片正常工作。
2.锁存器锁存功能失效
再按下开始按钮后，锁存器的存储内容会随着选手抢答而改变。
比如，三号先按下的抢答键，五号后按下的抢答键。
锁存器的内容就先是三后又变成五。
而预想的结果应该是，锁存器内容只记录第一个按下抢答键的选手的编号三。
显然锁存器的锁存功能失效。
电路设计时，锁存器的锁存功能是由一系列触发器控制，而触发器的触发信号是74LS148为8线－3线优先编码器的14端输出。
检查电路发现，74LS148芯片的14端接触不良，调整后正常使用。
3.555计时时间过长
一点一点调整555连接的电容和电阻的大小，使计时接近10秒
4.数码管显示不正常
数码管显示乱码。
74LS373与74LS148的连接线接错。
第6章结论
经过：
模块设计——总体电路设计——Multisim模拟仿真——安装调试，可以看出，本次设计的这个四位十进制密码锁可以具备预期功能，可以使用。
只是在实际使用中，安全性上还有待加强，比如在发光二极管两端需要接一个小电阻，不能直接接地或电源。
还有按键机械抖动会对实验结果造成一定影响，可以接一个MAX6818进行开关消抖。
类似的细节问题还有许多需要考虑，总之本次课程设计设计出来的四位十进制密码锁只是个大概的模型，通过了在Multisim中理想的状态下进行的仿真，但是如果想要运用到实际中，还需要考虑各种各样的实际问题，任何一个小的细节处理的不好，都有可能导致整个系统不能正常的运行和使用。
而且本次课程设计画出的原理图很松散，在实际应用中巧妙地放置元件还可以减小密码锁的体积，改善产片的外观。
总之，本次课程设计是成功的，但是离在实际中得到应用还有一段距离。
第7章使用仪器设备清单
元件名称
元件标号
元件型号
元件数量
非门
U12,U23,U26
74LS04
3
与门
U5,U8,U20,U21
74LS08
4
或门
U24
74LS32
1
D触发器
U22
74LS74
1
4位二进制数值比较器
U3,U11,U15,U19
74LS85
4
十进制可逆计数器
U1,U4,U7,U16
74LS192
4
八D透明锁存器
U2,U9,U13,U17
74LS373
4
定时器
A1
555
1
蜂鸣器
U25
BUZZER
1
电容
C1
0.01µF
1
C2
140µF
1
数码管
U6，U10，U14，U18
DCD_HEX_DIG_RED
4
绿灯
LED3
LED_green
1
红灯
LED4
LED_red
1
开关
J1，J2，J3，J4，J5，J6，J7，J8，J10
PB_DPST
9
J9
SPST
1
电阻
R1，R2，R3，R4
200Ω
4
R5
5.1kΩ
1
R6
200kΩ
1
电源
-
VCC
-
地
-
GROUND
-
参考文献
1.李景宏，马学文.电子技术实验教程.沈阳：
东北大学出版社.2004
2.王永军，李景华编著.数字逻辑与数字系统.北京：
电子工业出版社，2002
3.高吉祥，易凡编著.电子技术基础实验与课程设计.北京：
电子工业出版社，2002
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