数字电子技术课程设计密码锁.docx

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数字电子技术课程设计密码锁

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实践教学

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兰州理工大学

计算机与通信学院

2012年秋季学期

数字电子技术课程设计

题目：

电子密码锁的设计

专业班级：

计算机二班

姓名：

温天波

学号：

指导教师：

李睿

成绩：

摘要

进入21世纪，随着人们生活水平的提高，怎样实现各种防盗问题也变得尤其突出，传统的机械锁由于其结构的简单，被盗的事件屡见不鲜。

在日常的生活中，住宅与部门的安全防范、单位的保密文档和简易的保险箱，都采用加密的方式来实现。

数字密码锁具有低成本、低功耗、安全性高、易操作等优点

关键字：

自锁；密码存储；触发脉冲；编码器

前言

电子密码锁，主要由三个部分组成：

数字密码输入电路、密码锁控制电路和密码锁显示电路。

作为电子密码锁的输入电路，可供选择的方案有数字机械式键盘和触摸式数字键盘等多种。

该系统可以分成三部分来设计，数字密码输入部分、密码锁控制电路和密码锁显示电路。

作为密码锁的输入部分，本设计采用通用数字机械键盘。

密码锁输入电路：

包括时序产生电路、键盘扫描电路、键盘译码电路等几个小的功能电路。

密码锁控制电路包括按键数据的缓冲存储电路发生电路），密码核对（数值比较，解锁电路（开/关门锁电路）等几个小的功能电路。

七段数码管显示电路将待显示数据的BCD码转换成数码器的七段显示驱动编码。

因此以此为基础设计电子密码锁。

1.前言1

2.总体方案设计2

2.1方案比较2

2.2方案论证3

2.3方案选择3

3.单元模块设计4

3.1各单元模块功能介绍及电路设计4

3.2电路元件选择和参数计算12

3.3特殊器件的介绍13

3.4各单元模块的联接14

4.软件简介16

5.系统调试17

5.1仿真电路总图17

5.2系统仿真参数设置17

5.3功能调试17

6.系统功能、指标参数24

6.1系统能实现的功能24

6.2系统指标参数测试24

6.3系统功能及指标参数分析24

7.结论25

8.总结和体会26

9.谢辞27

10参考文献28

附录：

系统仿真总图29

1.1目的：

本设计的目的是要设计一个具有报警功能的电子密码锁，准确地比较密码的正确来开锁。

防止非法开锁。

1.2意义:

本设计的意义在于通过数字电子密码锁解决传统机械锁的不安全性等问题，有效地防止盗窃等事件的发生，并且对盗窃事件有提醒报警的功能。

1.3技术要求：

本设计的要求是设计一个通过输入正确密码来开锁，对于错误密码有报警提示，密码在规定时间内未完成有自锁复位，且不能再继续输入密码。

从而防止非法开锁。

1.4要解决的问题：

在许多电子密码锁的设计中都能够正确地比较密码然后开锁，而没有对错误密码的报警指示，不能有效地预防非法开锁盗窃。

所以本设计要解决的问题是判断密码正确与否，而且对错误开锁方式的制止。

1.5方法和手段：

本次课程设计采用了4532对密码进行编码，74LS194对输入的密码进行片选输入，4508对密码进行锁存，555构成的单稳态定时和555构成的多谐振荡器来设置报警声的频率，从而报警。

1.6成果：

本次设计适合大部分城市居民区的单元层的防盗门，电路简单，成本低廉，易于大范围推广使用。

在下面章节中将简单介绍电子密码锁各部分模块的工作原理和调试。

2.总体方案设计

通过查阅大量相关技术资料，并结合自己的实际知识，我主要提出了两种技术方案来实现系统功能。

下面我将对这两种方案的组成框图和实现原理分进行说明。

2.1方案比较

2.1.1方案一

自锁

图2.1方案一的原理框图

方案一原理为：

在密码存储电路时先焊接固定的密码电路，使其不能更改，在输入按钮开关处输入密码，当第一个密码按下时触发5s定时，5s定时完自锁住按钮开关使其不能再输入密码，密码输入到输入锁存电路中和已存储的密码进行密码比较若密码正确则开锁，若密码不正确触发20s定时报警。

2.1.2方案二

自锁

图2.2方案二的原理框图

方案二原理为：

首先设置密码，通过锁存器将密码锁存。

然后输入密码，当第一位密码输入时5s定时开始，5s定时结束后自锁键盘，使其再不能输入密码。

输入的密码通过密码锁存电路锁存起来，将输入密码与设置的密码进行比较，再按确认键，若密码正确则开锁，若密码不正确则触发20s定时报警。

当密码不正确时按复位键则可以再次输入密码。

2.2方案论证

经论证两种方案均可行，且大体相同。

方案一中电子密码锁的基本功能能够实现功耗较低，但密码不能修改，密码为预先设置的初始密码。

另，当输入四次密码输入完后，立刻自动开锁，从安全性来说较低。

方案二中设有复位，对于错误密码有修正功能，对于调试过程中能够及时停止报警，但是功耗相对于一要大。

方案二中有原始密码修改功能。

此方案中确认键防止按键次数不对也开锁。

2.3方案选择

基于功能的全面和安全性能的考虑选择了方案二。

密码修改功能在日常中很重要。

如怀疑密码被盗，可以修改密码保障安全。

且，当密码输入错误时可以按复位来再次开锁。

3.单元模块设计

该密码锁主要由密码设置模块、键盘模块、密码输入锁存模块、密码比较模块、

定时模块以及开锁和自锁模块模块构成。

下面分模块介绍。

3.1各单元模块功能介绍及电路设计

3.1.1密码设置模块设计

1.该模块主要实现密码的设置以及所存的功能。

2.该模块的原理及其实现方式。

本设计要求密码为4位十进制代码。

为实现密码的设置采用了74HC160十进制的计数器和按钮按下给计数器一个脉冲，从而达到密码设置的功能，考虑到密码锁空间有限，因此没有用十个按键设置键盘。

密码设置后通过CD4511和7段数码显示器来实现译码显示已设置的密码。

但在实际使用中这是不可见的。

3.结构框图

图3.1密码设置模块框图

4.protues仿真电路图及原理

按钮按下给一个脉冲，该脉冲提供74HC160的时钟信号，从而74HC160计数一次并通过74HC4511和7段数码显示器显示出设置的数字。

74HC160有很多功能，在此模块中只选用了它的十进制加计数的功能。

密码设置原理电路如图3.1所示。

图3.2密码设置和显示电路

密码设置总电路图如图3.2所示。

图3.3密码设置总电路

3.1.2矩阵键盘模块设计

1.该模块主要实现给相应功能端一个上升和下降脉冲沿

2.该模块实现方式和原理

按钮按下之前输出端为低，按下之后为高电平，按钮升起来为低电平。

3.protues仿真原理图

按钮之后，R之前为输出端

图3.4按键电路

图3.5按键区总电路

由于设计要求，键盘模块内设置了确认按钮以及复位按钮。

1.该模块实现的功能是密码输入及锁存。

2.该模块由两部分构成，一部分为密码输入编码，一部分为密码输入锁存显示

3.结构框图

图3.6密码输入模块框图

4.protues仿真原理及电路图

密码输入编码由两片4532构成的16线-4线优先编码器所构成。

由于实际使用的只有10个输入端，则高六位接地。

如下图所示。

Gs端仍为整个编码器的编码指示信号。

如图3.5所示。

图3.716线-4线优先编码器电路

由于键盘为一组，而要输入四位密码，则需要片选，本设计中用到了74HC194构成的右移的移位寄存器，从而控制了四个锁存器和译码显示器的工作（如下图）

图3.874HC194构成的片选电路

图3.9整个密码输入锁存电路

1.该模块主要实现的功能是比较密码正确与否

2.该模块主要四位数值比较器74LS85、一片2输入与门和一片4输入与门来实现。

3.结构框图

图3.10密码比较模块框图

4.protues仿真电路，及其原理

该模块原理是A0，A1,A1，A3,为输入密码的四位二进制代码的输入端，B0,B1,B2,B3为存储密码的输入端。

通过74LS85比较，若比较出正确，则A=B端输出高电平，通过4片比较器比较后对结果进行与，再通过四输入与门确定四位密码正确与否，二输入与门输入端分别接密码输入次数（输入四次后05为高电平）和比较结果

图3.11密码比较电路

3.1.5定时报警模块

1.该模块主要实现定时报警，具体有以下几个功能：

（1）5s内密码输入不正确则触发20s报警指示

（2）5s内密码未输入完成则触发20s报警指示并且自锁复位。

（3）5s内密码输入正确则不报警。

2.该模块主要由555定时器构成的多谐振荡器和单稳态触发器来实现，其间为实现上面4个功能，用到了D触发器，多个反相器和与门和与非门。

3.结构框图

图3.12定时报警模块框图

4.protues仿真电路及原理

首先，解决5s内密码未输入完成自锁复位和报警，为解决该问题，画出时序图如下：

图3.13时序图

其中D触发器D端接密码密码比较结果输出端06取反后的结果。

CP端接5s定时单稳态输出3端取反,5s结束后CP得到有效脉冲。

Q端为输出信号到20s定时4端。

如下图所示：

图3.14555定时报警电路

（一）

其次，解决5s内密码输入错误20s报警和输入正确不报警。

解决方案和上面一样。

仅将D触发器的CP脉冲改接在确认按钮后。

具体555报警电路如图3.15和图3.16所示。

图3.15555定时报警电路

（二）

图3.16555定时报警电路

1.该模块功能是密码正确时安确认按钮时开锁，开锁信号由LED灯指示。

5s后自锁电路。

2.该模块由D触发器和逻辑开关来实现。

3.结构框图：

图3.17自锁开锁模块框图

4.protues仿真电路及原理。

该模块原理为确认按钮给D触发器一个有效脉冲，密码正确后LED灯亮，否则不亮。

5s定时结束通过反相器给另一个D触发器，使其断开键盘电源达到自锁。

图3.18开锁和自锁电路

3.2电路元件选择和参数计算

3.2.1元件参数计算

设计中有5s和20s定时，选择了555定时器组成的单稳态触发器来完成。

其中5s定时电路中R为455k，C为10u。

具体公式如下：

TW=1.1RC

20s定时电路的R为1818k,C为10u。

公式同上。

报警频率设置为1Hz，则采用555定时器构成的多谐振荡器来完成，其中多谐振荡器公式为：

由上述公式计算得R1为100k，R2为21.4k，C为10u。

元件选择见表3.1所示

表3.1元件表

电阻R

电容C

型号

个数

型号

个数

1818k

10u

360

0.01u

455k

21.4k

3.3k

10k

3.3特殊器件的介绍

本系统中主要使用了555定时器芯片。

下面就该器件的功能特点、主要参数和使用方法作相应说明。

3.3.1555定时器的介绍

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。

图3.14555定时器的引脚图

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。

若触发输入端TR的电压小于VCC/3,则比较器A2的输出为1,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A1的输出为1,A2的输出为0,可将RS触发器置0,使输出为0电平。

555定时器功能表和参数表如表3.2和表3.3所示。

表3.2555定时器功能表

输入

输出

阈值输入

触发输入

复位

输出

放电管

导通

截止

导通

不变

表3.3555定时器的参数表

参数

符号

值

单位

电源电压

Vcc

导致温度（焊接10秒）

TLEAD

300

°C

功耗

600

工作温度范围

LM555/NE555

TOPR

0~+70

-40~+85

°C

储存温度范围

TSTG

-65~+150

°C

3.3.274HC161器件介绍

时钟CP和四个数据输入端P0~P3清零/MR

使能CEP，CET

置数PE

数据输出端Q0~Q3

以及进位输出TC.（TC=Q0?

Q1?

Q2?

Q3?

CET）

74HC161功能表如表3.4所示。

表3.474HC161功能表

输入

输出

↑

状态码加1

从74LS161功能表功能表中可以知道，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。

合理应用计数器的清零功能和置数功能，一片74LS161可以组成16进制以下的任意进制分频器。

3.4各单元模块的联接

本设计中共有6个模块，各个模块之间的联接关系如下：

（1）键盘模块和密码锁存模块的联接关系是将键盘编号对应的按钮接在密码编码电路中4532对应的输入端。

（2）密码锁存模块、密码设置模块及密码比较模块的联接关系系是密码锁存器4508的输出端和对应的密码设置中的74HC160的输出端接到相应的比较器74LS85的输入端。

（4）开锁自锁模块和密码比较模块的联接关系是密码比较模块中输出结果端06接在D触发器的D输入端，作为开锁信号的判断依据。

具体联接关系见附录。

4.软件简介

Proteus软件是来自英国LabcenterElectronics公司的EDA工具软件,Proteus软件除了其具有和其它EDA工具一样的原理布图,PCB自动或人工布线及电路仿真的功能外,其革命性的功能是,他的电路仿真是互动的,针对微处理器的应用,还可以直接在基于原理图的虚拟原型上编程,并实现软件源码级的实时调试,如有显示及输出,还能看到运行后输入输出的效果,配合系统配置的虚拟仪器如示波器,逻辑分析仪等,不需要别的,Proteus为建立了完备的电子设计开发环境。

具有4大功能模块。

智能原理图设计（ISIS）丰富的器件库

超过27000种元器件，可方便地创建新元件；智能的器件搜索：

通过模糊搜索可以快速定位所需要的器件；智能化的连线功能：

自动连线功能使连接导线简单快捷，大大缩短绘图时间；支持总线结构：

使用总线器件和总线布线使电路设计简明清晰；可输出高质量图纸。

ProSPICE混合仿真：

基于工业标准SPICE3F5，实现数字/模拟电路的混合仿真；超过27000个仿真器件：

可以通过内部原型或使用厂家的SPICE文件自行设计仿真器件，Labcenter也在不断地发布新的仿真器件，还可导入第三方发布的仿真器件。

独特的单片机协同仿真功能

支持主流的CPU类型：

如ARM7、8051/52、AVR、PIC10/12、PIC16、PIC18、PIC24、dsPIC33、HC11、等。

实用的PCB设计平台

先进的自动布局/布线功能；支持器件的自动/人工布局；支持无网格自动布线或人工布线；支持引脚交换/门交换功能使PCB设计更为合理；完整的PCB设计功能；可以输出多种格式文件。

5.系统调试

简单说明对系统的一些模块用仿真软件进行了具体的调试。

5.1仿真电路总图

见附录。

5.2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5.1所示。

表5.1系统仿真参数

序号

编号

参数

序号

编号

参数

序号

编号

参数

10K

R24

3.3K

U27-30

74HC160

10K

R25

360

U16:

74LS04

10K

R26

3.3K

U22:

4013

10K

R27

360

U9:

74LS04

10K

R28

3.3K

U18-21

10K

10u

U32:

7408

10K

0.01u

U4-7

74HC4511

10K

10u

U23-26

74HC4511

10K

0.01u

U34-37

74LS85

R10

10K

10u

U39:

4508

R15

10K

0.01u

U2;A

4508

R17

10K

C11

10u

U2:

4508

R29

10K

C12

0.01u

U3:

4508

R12

1818K

C13

10u

U33:

74LS21

R13

100K

C14

0.01u

U10-14

NE555

R14

21.4K

C15

10u

LS1

SOUNDER

R18

1818K

C21

10u

LS2

SOUNDER

R19

100K

C22

10u

LED-BIRY

R20

21.4K

C23

10u

LED-BIRY

R11

455K

C24

10u

R21

360

U24:

4016

R22

3.3K

U36:

4013

R23

360

U22:

4013

5.3功能调试

5.3.1定时报警模块的仿真调试

调试5s定时和20s的时间准确度。

用示波器观察555定时器中5s和20s定时。

如图5.1所示。

图5.1定时模块调试电路

如图5.2和图5.3所示。

图5.25s定时电路示波器观察

图5.320s定时电路示波器观察

5.3.2密码设置模块的仿真调试

调试密码设置模块的密码设置功能。

设置密码为2345。

如图5.4所示

图5.4密码输入模块调试电路

如图5.5所示。

图5.5密码设置电路仿真

5.3.3密码输入锁存模块的仿真调试

调试密码输入模块的密码输入功能。

密码输入为3333。

如图5.6所示。

图5.6密码输入模块调试电路

如图5.7所示

图5.7密码输入锁存电路仿真

5.3.4密码比较模块调试

调试密码比较模块的比较功能

输入正确密码和错误密码时的输出结果

如图5.8所示

图5.8密码比较模块调试电路

密码正确时如图5.9所示。

图5.9密码正确时比较结果

密码错误时如图5.10所示。

图5.10密码错误时比较结果

5.3.5开锁模块调试

验证开锁模块的指示功能。

输入正确和错误密码分别观察指示灯的工作状态。

如图5.11所示

图5.11开锁模块调试电路

正确密码输入时如图5.12所示。

图5.12密码正确时调试结果

密码错误时如图5.13所示。

图5.13密码错误时调试结果

6.系统功能、指标参数

本节主要从报警器的实现的功能、开锁信号参数测试两个方面进行介绍。

6.1系统能实现的功能

在家庭防盗中各种情况实现对应功能。

主要有以下几个功能：

一、密码可以通过内部人员修改，在实际生活中密码不显示，为测试方便则有密码显示。

二、密码在5s内错误输入且按确认开锁，按确认的同时报警器就报警。

三、密码在5s内未输入完时，5s后就报警。

四、5s内密码正确按确认后开锁，开锁指示灯，仅在这种情况下亮。

6.2系统指标参数测试

对于本设计系统的参数测试，就是将我们的电路的各部分分开进行仿真。

对此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电路工作正常。

6.3系统功能及指标参数分析

通过前面的参数计算和仿真的如系统各元件的参数表如表6.1所示。

表6.1系统各元件的参数表

序号

编号

参数

序号

编号

参数

序号

编号

参数

10K

R24

3.3K

U27-30

74HC160

10K

R25

360

U16:

74LS04

10K

R26

3.3K

U22:

4013

10K

R27

360

U9:

74LS04

10K

R28

3.3K

U18-21

10K

10u

U32:

7408

10K

0.01u

U4-7

74HC4511

10K

10u

U23-26

74HC4511

10K

0.01u

U34-37

74LS85

R10

10K

10u

U39:

4508

R15

10K

0.01u

U2;A

4508

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