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1、触摸式密码电子锁的设计与制作 Prepared on 22 November 2020触摸式密码电子锁的设计与制作毕业综合实践文档课题名称：触摸式密码电子锁的设计与制作作者：郑鸣学号：09034336系别：电气系专业：电子信息工程指导老师：章晓春专业技术职务讲师2012年3月浙江温州温州职业技术学院毕业综合实践开题报告姓名：郑鸣学号：09034336专业：电子信息工程技术课题名称：触摸式密码电子锁的设计与制作指导教师：章晓春2011 年 12 月19日课题意义及现状、需解决的问题和拟采用的解决方案一课题意义及现状：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

2、于其构造的简单，被撬的事件屡见不鲜，密码电子锁由于其保密性高，使用灵活性好，安全系数高，受到了广大用户的亲赖。通过本课题的设计实践，可以掌握密码电子锁系统设计的方法，了解密码电子锁的系统构成，可以加深自己对所学专业认识，并且能增强自己的动手能力，积累经验，为以后工作打好基础。二需解决的问题：本毕业设计课题需设计电路并做出实物，需解决的问题有：（1）了解触摸式密码电子锁的设计原理；（2）误操作清零功能；（3）掌握清零复位功能；（4）密码输错的报警功能；（5）密码重设功能；（6）触摸开关输入密码（7）直流稳压电源的供电。三拟采用的解决方法：针对以上需解决的问题，将采用以下几点主要方法：（1）为了加

3、深对密码电子锁设计原理的理解，并提高已学的基本理论和应用，学会从已给的设计任务资料中寻找需要的各芯片跟模块资料外，还可以通过上网查找，或者图书馆查阅书籍，期刊等。（2）对非编码按钮其上端并联在一起，若误操作触摸其中任一按钮就会使微分电路产生正脉冲输入到G1对触发器清零（3）采用蜂鸣器报警电路。按下报警触发器电路的按钮就实现蜂鸣器报警（4）用触摸金属片代替传统的按钮，当触摸到金属片的时候，逐个提供CP脉冲信号（5）利用触摸开关实现输入密码和密码的重置（6）直流稳压电源的供电采用集成稳压管指导教师意见：指导教师：年月日专业教研室审查意见：教研室负责人：年月日课题摘要电子密码锁具有安全性能高、成本低

4、、功耗低、作简单等优点使其作为防盗卫士的角色越来越重要。人们的生活水平日益提高，财富也越来越多，因此更加重视自己的财产安全，传统的机械锁已经不能足以保证财产的安全了，而随着集成芯片的快速发展，密码电子锁更受人们的青睐，密码电子锁其保密性高，使用方便灵活，随机开启的几率几乎为零，本文的密码电子锁利用数字逻辑电路，实现对门的电子控制，并且有一定的附加电路保证其电路能够完全正常的运行，有极高的安全系数，密码电子锁，一般原理是利用预先设置好的编码，用其正确的编码对电路实行控制，促使触发器触发，而且该电路采用外接电源，简单易用，且采用低电压输出，保证其安全，经实验证明，密码电子锁具有设计方法合理，简单易

5、行，成本低，安全实用等特点，符合住宅，办公室的安全用锁要求，具有极高的推广价值。关键词：电子密码锁，触发器，外接电源，安全实用目次1引言在安全技术防范领域，传统的机械锁由于其构造的简单，被撬的事件屡见不鲜，逐渐被淘汰。电子密码锁由于其保密性高，使用灵活性好，安全系数高，得到了广泛应用，具有防盗报警功能的电子密码锁逐渐代替传统的机械式密码锁，克服了机械式密码锁密码量少、安全性能差的缺点，使密码锁无论在技术上还是在性能上都获得了大大的提高。随着科学技术的进步，电子器件和电子系统设计方法日新月异，电子设计自动化技术正是适应了现在电子产品设计的要求，吸收了多学科最新成果而形成一门新技术。在日常生活中，

6、住宅和部门的安全防范，文件档案，报表以及一些个人资料的保存办法通常是加锁保险，用的锁都是机械式的，还要多备一把钥匙。为了防止就一把钥匙掉了以后，锁无法打开的情况，而我们这次的毕业设计触摸式密码电子锁可以来替代原来的机械锁使用户的隐私变的更加安全。触摸式密码锁的优点有许多，如安全性高，成本低，功耗低，操作简单等。以后必然能代替传统的锁，广泛应用于工农业中。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。我们设计的密码电子锁是一类针对要害系统的安全保险器件，其设计概念与常见的机械锁有着很大的不同，从系统设计观点看，密码电子锁是一个实体域定义

7、的概念，比较机械锁，具有设计实现简便，密码装订灵活，制造成本低廉等优点。每一位解锁意图码在密码锁内部引发的试图解锁动作，可称为安全密码锁的解锁事件，密码电子锁所有开启意图码驱动，进行开启图码预设定的安全密码完全匹配时，方可逐步开启密码锁电子密码锁具有安全性能高、成本低、功耗低、作简单等优点使其作为防盗卫士的角色越来越重要。人们的生活水平日益提高，财富也越来越多，因此更加重视自己的财产安全，传统的机械锁已经不能足以保证财产的安全了，而随着集成芯片的快速发展，密码电子锁更受人们的青睐，密码电子锁其保密性高，使用方便灵活，随机开启的几率几乎为零，本文的密码电子锁利用数字逻辑电路，实现对门的电子控制，

8、并且有一定的附加电路保证其电路能够完全正常的运行，有极高的安全系数，密码电子锁，一般原理是利用预先设置好的编码，用其正确的编码对电路实行控制，促使触发器触发，而且该电路采用外接电源，简单易用，且采用低电压输出，保证其安全，经实验证明，密码电子锁具有设计方法合理，简单易行，成本低，安全实用等特点，符合住宅，办公室的安全用锁要求，具有极高的推广价值。2方案论证与比较方案一：采用AT89C51为核心的单片机控制方案。本系统共有两部分构成，即硬件部分和软件部分。其中硬件部分由电源输入部分、键盘输入部分、晶振部分、显示部分、报警部分、开锁部分组成，软件部分分对应的由主程序、初始化程序、LED显示程序、键

9、盘扫描程序、启动程序、关闭程序、建功能程序、密码设置程序等组成。其设计方案原理框图如下图所示。图单片机控制方案方案二：采用触摸式密码电子锁电路的好处就是设计简单。用D触发器构成的数字逻辑电路作为密码锁的核心控制，共设了9个用户输入键，其中只有四个是有效的密码按键，其它的都是干扰按键，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。如果如果用户输入时间过长（时间可自由设置）电路将报警（时间可自由设置），若连续报警三次，电路将锁定五分钟。密码锁电路包含：触摸键盘输入、密码修改、密码复位、密码检测、开锁电路、执行电路、报警电路、键盘输入次数锁定电路。其设计方案如图所示图触摸式密

10、码电子锁电路方案此方案中电路实现了模块化，而且操作简单，只需要把每个单元模块设计出来，然后连接起来就可以了，而且不需要进行软件编程，也不用软件仿真，如果某个模块出现了问题，也方便易查。考虑到单片机方案原理复杂，而且调试较为繁琐，所以本文采用后一种方案。3系统设计系统总框图图系统总框架图设计思路共设了9个用户输入键，其中只有4个是有效的密码按键，其它的都是干扰按键，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；如果用户输入密码的时间超过10秒（一般情况下，用户不会超过10秒）电路将报警30秒，若电路连续报警三次，电路将锁定键盘3分钟，防止他人的非法操作。设计电路组成部分密

11、码锁电路包含：键盘输入，密码检测，开锁电路，执行电路，报警电路，键盘输入次数锁定。单元电路设计3.4.1键盘输入开关K1K9是用户的输入密码的键盘，用户可以通过开关输入密码，当需要清零时，Q4等于1，Q4的非等于0，通过G3反相后出1，再经R5，C1延时1S经G2改善波形后输入到G1进行对各触发电路自动清零，这时Q4等于0，使继电器KA失电，门锁弹出，门锁住。3.4.2密码检测由4个D触发器组成密码检测电路。由于IC1处于计数状态，当用户按下第一个正确的密码后，CLK端出现了一个正的上升沿，IC1计数，Q端输出为高电平，用户依次按下有效的密码，IC2IC3也依次输出高电平，使其输出开锁的高电平

12、信号送往IC13的Q4脚，执行电路动作，实现开锁。图密码检测电路图3.4.3执行电路执行电路是由一个中间继电器以及由9013和1N4001组成。若13脚输出为1，经过限流电阻，流到9013基极，使得KA得电，常开触头闭合，电磁线圈得电，实现开门，并联的VD2为失电保护，防止回路电流损坏9013。图执行电路图3.4.4报警电路有人走近门时，按动按钮，按钮灵敏度非常高，保证电路可靠的触发，当人手指按到0位时，信号经过与非门的1脚，输出为0，在经过一个与门，输出为1，经过限流电阻，到达T2管，使得扬声器鸣叫，达到报警的功能。图报警电路图3.4.5开始报警和停止报警当用户输入的密码不正确，手指按到0位

13、时，信号经过与门的1脚，输出为0，在经过一个与非门，输出为1，经过限流电阻，到达T2管，使得扬声器鸣叫，达到报警的功能。当经过一定的报警时间后，由于G5的与非门3脚输出为零，输入到G4，经过G4与非门，输出为1，对电容C4进行充电，当C4充满电后，输入到G5的3脚，使之成为高电平，在经过G4与非门，输出为0，扬声器停止鸣叫，此时充放电结束，电路恢复正常。3.4.6电源电路图电源电路图电路原理：上图为密码锁电路的外接电源原理图，主要由MC78L12三端稳压器、变压器、整流二极管及电容组成。电源电路接220V交流电后，经变压器转换成12V交流电，接着送整流二极管转换成12V直流电、再由电容滤波和M

14、C78L12三端稳压器稳压后提供12V直流电。4电路原理图电路主功能介绍（1）按按钮输入密码，初始密码为3879，输完后直接开锁，若输入密码长度小于4位或大于4位，则不能开锁。（2）只有输入正确的密码，电路才能正常运行，通过门电路实现对门锁的控制。（3）当输入密码错误时，会发出提示音，并且报警，蜂鸣器长鸣。（4）本设计均采用集成电路，线路简单，调试方便，利于维护，成本较低，性能稳定。总电路图总电路图见附录E所示，其工作原理如下:工作时接通电源VDD,由Co、Ro组成微分电路即开机清零电路使所有D触发器清零这是由于Co两端电压不能突变，而Ro上产生高电平，使Ro恢复为零，D触发器可工作。在左边第

15、一个触发器的D1输入端始终接高电平为1，若按序号3879依次逐个按动触发按钮，为CP1CP4逐个提供CP脉冲信号，可使Q1到Q4依次传递1状态信息，当Q4=1时，通过VT1导通驱动继电器KA得电，使得如图所示门锁中栓吸入，门锁打开。VD2用于保护VT1不受KA失电时线圈产生自感电势高压而损坏。当任何一个输入端为正脉冲信号时，则输出也为正脉冲信号，均可将D触发器清零复位，分析如下：1.自动清零复位：当Q4=1时，则Q4=0时，通过G3反相后出1，再经R5、C1延1S经G2改善波形后输入到G1进行对各触发器自动清零，这时Q4=0，使继电器KA失电，门栓弹出，门锁住。2.误操作清零：对非编码按钮其上

16、端并联在一起，若误操作触摸其中任一按钮会使A点出1，经C2、R7微分电路产生正脉输入到门对触发器，门锁不能打开。3.手动清零并发出声响：按住“0”号按钮不放。使B点出1，通过C3、R8微分电路产生正脉冲实现清零。通过VT2放大电路驱动扬声器发出声响。当手指松开“0”号按钮时，声响停止。此设计的不足本密码锁其实存在一些问题，密码原理过于简单，容易被破解，10位的密码换成了4位的，破解工作大大降低，也就是保险力度不够，要对密码电路更行改进，而且要对锁具进行机械加密，这样，安全性就大大的提高了。注：市面上的触摸开关由于价格昂贵，不能大批量采购，故采用按钮开关代替触摸开关，实现对电路的控制。5主元器件

17、的介绍触发器的介绍图触发器逻辑符号5.1.1D触发器的逻辑符号上图为D触发器的逻辑符号。输入端由时钟信号端CP、数据信号端D、反向复位端Rd和反相置位端Sd组成，Rd、Sd控制信号分别从方框小圆圈处输入，表示低电平控制信号有效。D触发器输出端由两个互为反相的Q端和Q非端组成。5.1.2D触发器工作波形图下图为D触发器工作波形图。在时钟端CP第1个时钟脉冲信号上跳沿到来之时，触发器会发生翻转，其翻转的状态由D端信号电平高低来决定，此时D端为低电平，触发器还翻转在Q端为低电平、Q为高电平状态。在t2时刻，虽然D端所施加的数据信号由低电平跃升到高电平，但并不能使触发器发生翻转，直到t3时刻，也就是C

18、P端第2个时钟脉冲信号上跳沿到来之时，触发器才会发生翻转，由于上跳沿时刻之前D端为高电平，Q端翻转到高电平。在t3t4时刻之间，尽管数据端D的信号已由高电平下跌到低电平，在t5时刻CP脉冲信号由高电平跌至低电平，但是D触发器始终处于保持状态，直到t6时刻第3个脉冲信号上跳沿到来之时，触发器才会发生翻转，由于D端为低电平，D触发器翻转到低电平状态。图工作波形图双D触发电路它是由具有Set和复位的2个D型触发器构成的。对D输入施加的信息以时钟脉冲的低电平读入以高电平传输到输出Q。引脚主要功能引脚主要功能1数据出18置位入22数据出19数据入23时钟入110清除入4清除入11时钟入25数据入112数

19、据出26置位入113数据出27电源地14电源引脚简介一个D有6个端子：2个输出，4个控制。4个控制分别是R、S、CP、D。R和S不能同时为高电平。当R为1、S为0时，输出Q一定为0，因此R可称为复位端。当S为1、R为0时，输出Q一定为1。当R、S均为0时，Q在CP端有脉冲上升沿到来时动作，具体是Q=D，即若D为1则Q也为1，若D为0则Q也为0。电路中双D触器,有两个,每个可用作单线关控制,按一下开,再按一下关,重复.也可按制4路集成块CD4011集成块管脚功能：1A数据输入端2A数据输入端3A数据输入端4A数据输入端1B数据输入端2B数据输入端3B数据输入端4B数据输入端CD4011功能及真值

20、表:四2输入与非门CMOS芯片逻辑表达式：Y=真值表图真值表(1)当X=0、Y=0时，将使两个NAND门之输出均为1，违反触发器之功用，故禁止使用。如真值表第一列。(2)当X=0、Y=1时，由于X=1导致NAND-A的输出为”1”，使得NAND-B的两个输入均为”1”，因此NAND-B的输出为”0”，如真值表第二列。(3)当X=1、Y=0时，由于Y=0导致NAND-B的输出为”1”，使得NAND-1的两个输入均为”1，因此NAND-A的输出为”0”，如真值表第三列。(4)当X=1、Y=1时，因为一个”1不影响NAND门的输出，所以两个NAND门的输出均不改变状态，如真值表第四列。CD4011电

21、气特性:VDD电压范围：功耗：双列普通封装700mW小型封装500mW工作温度范围：CD4011BM-55-+125CD4011BC-40-+85图芯片功能图图引脚图三极管9013是一种外延型晶体管（三极管）9013是一种最常用的普通三极管。它是一种低电压,大电流,小信号的NPN型硅三极管。特性：集电极电流Ic：Max500mA，集电极-基极电压Vcbo：40V，工作温度：-55度+150度，功率(W):，HEF:64202和9012（PNP）相对。它的主要用途：开关应用，射频放大和低噪声放大管。引脚图及参数图引脚图图稳压电路图W7812为三端固定正12V输入的集成稳压器,7812引脚图如图所

22、示.7812主要参数有：输出直流电压U012V，输出电流L:0.1A，M:0.5A，电压调整率10mV/V，输出电阻R0，输入电压UI的范围1517V。因为一般UI要比U0大35V，才能保证集成稳压器工作在线性区。图是三端式稳压器W7812构成的单电源电压输出串联型稳压电源的实验电路图。其中整流部分采用了由四个二极管组成的桥式整流器成品(也叫整流堆,型号为2W06),当然也可以自已用四个速流二极管(如,IN4001)组成。滤波电容C1、C2一般选取几百几千微法。当稳压器距离整流滤波电路比较远时，在输入端必须接入电容器C3（数值为F），以抵消线路的电感效应，防止产生自激振荡。输出端电容C4F)用

23、以滤除输出端的高频信号，改善电路的暂态响应。中间继电器的介绍用于继电保护与自动控制系统中，以增加触点的数量及容量。它用于在控制电路中传递中间信号。中间继电器的结构和原理与交流接触器基本相同，与接触器的主要区别在于：接触器的主触头可以通过大电流，而中间继电器的触头只能通过小电流。所以，它只能用于控制电路中。它一般是没有主触点的，因为过载能力比较小。所以它用的全部都是辅助触头，数量比较多。新国标对中间继电器的定义是K，老国标是KA。一般是直流电源供电。少数使用交流供电。作用如下：（1）隔离。控制系统的输出信号与负载端电气隔离；（2）转换。比如控制系统输出信号为DC24V，但负载使用AC220V供电

24、，对于输入，可逆；（3）“放大”。控制器输出的信号的带负载的能力往往有限，在mA或者数A的级别，如果有需要更大电流的负载，只能通过中间继电器来转换。（4）便于维护。即使是满足负载电流要求的输出端，但因为集成在控制器内部，如果损坏，更换维修比较麻烦，但如果通过中间继电器，输出端的负载只是继电器的线圈，减轻了控制器输出级的负载，从而降低损坏的几率。而当中间继电器触点因为频繁的使用损坏时，很容易通过简单的插拔完成更换。技术参数（1）动作电压：不大于70%额定值。（2）返回电压：不小于5%额定值。（3）动作时间：不大于（额定值下）。（4）返回时间：不大于（额定值下）。（5）电气寿命：继电器在正常负荷下

25、，电寿命不低于1万次。（6）功率消耗：直流回路不大于4W，交流回路不大于5VA。（7）触点容量：在电压不超过250V、电流不超过1A的直流有感负荷（时间常数=5）中，断开容量为50W；在电压不超过250V、电流不超过3A的交流回路中为250VA（功率因数Cos=）,允许长期接通5A电流。（8）绝缘电阻：下列部位用开路电压500V兆欧表测量其绝缘电阻应300MW（常温下）。导电端子与外露非带电金属或外壳之间；动、静触点之间；常开触点与常闭触点之间；触点与电压回路之间。（9）介质强度：对下部位应能承受规定的交流电压试验1分钟而无绝缘击穿或闪络现象。所有导电端子与外露非带电金属或外壳之间2000V/

26、50Hz；动、静触点之间1000V/50Hz；常开触点与常闭触点之间1000V/50Hz。蜂鸣器蜂鸣器是一种一体化结构的电子讯响器，采用直流电压供电，广泛应用于计算机、打印机、复印机、报警器、电子玩具、汽车电子设备、电话机、定时器等电子产品中作发声器件。蜂鸣器主要分为压电式蜂鸣器和电磁式蜂鸣器两种类型。蜂鸣器在电路中用字母“H”或“HA”（旧标准用“FM”、“LB”、“JD”等）表示。整流二极管1N4007主要特性特征：（1）低的反向漏电流（2）较强的正向浪涌承受能力（3）高温焊接保证（4）250/10秒,(9.5mm)引线长度。（5）250/10seconds,(9.5mm)（6）引线可承受

27、5磅(2.3kg)拉力。机械数据：（1）端子:镀锡轴向引线（2）极性:色环端为负极特性（1）较强的正向浪涌承受能力：30A（2）最大正向平均整流电流：1A（3）最高反向耐压：1000V（4）低的反向漏电流：5uA（最大值）（5）正向压降：（6）最大反向峰值电流：30uA（7）典型热阻：65/W（8）典型结电容：15pF（9）工作温度：50+150图普通塑封整流二极管6实物制作过程设计前期准备在PCB板图设计之前，硬件项目人员必须准备好以下的材料：(1)要准备需要的元件库。(2)根据准备好原理图SCH的元件库，完成原理图的设计，明确电路的基本原理和各部分的布线要求，然后要经过相关人员的技术评审，

28、以确保整个原理图方案的正确合理性和可行性。(3)PCB结构图，应表明外形尺寸、安装孔大小及定位尺寸、接插件定位尺寸、禁止布线区域等相关机械尺寸。板图布局布局操作的基本原则如下：(1)根据结构图设置板框的尺寸，按结构要素布置安装孔、接插件等需要定位的器件，并给予这些器件锁定状态，然后按工艺设计规范的要求进行尺寸标注，并根据布局区域和元件的特殊要求设置禁止布线区。(2)按照“先大后小，先难后易”的布置原则，即重要的单元电路、核心元器件等应优先布局。(3)按照均匀分布、重心平衡、版面美观的标准优化布局，相同结构的电路部分要尽可能采用“对称式”标准布局。(4)元件布局时，应适当考虑使用同一种电源的器件

29、尽量放在一起，以便于将来的电源分割。(5)对于质量大的元器件应考虑安装位置和安装强度，除温度检测元件以外的温度敏感元件应远离发热元件放置，必要时还应考虑热对流措施。(6)同类型插装元器件在X或Y方向上应朝一个方向放置，同一种类型的有极性分立元件也要力争在X或Y方向上保持一致，便于生产和检验。(7)每个集成电路IC最好加一个去耦电容，IC去耦电容的布局要尽量靠近IC的电源管脚，并使之与电源和地形成的回路最短。(8)布局完成后应检查器件封装的正确性，并且确认单板、背板和接插件的信号对应关系，经确认无误后方可开始布线。布线布线时主要按以下原则进行：(1)一般情况下，首先应对电源线和地线进行布线，以保

30、证电路板的电气性能。在条件允许的范围内，尽量加宽电源、地线宽度，最好是地线比电源线宽。还有就是遵守“20H规则”，由于电源层和地层的电场是变化的，在板的边缘会向外辐射电磁干扰，称为边缘效益。这样我们通过将电源层内缩，使得电场只在接地层的范围内传导，以一个H(电源和地之间的介质厚度)为单位，若内缩20H则可以把70%的电场限制在接地层边沿内。(2)PCB设计中应避免产生锐角和直角，尽可能采用45的折线布线，不可使用90折线，以减小高频信号的辐射，要求高的线还要用双弧线。(3)器件去耦规则：在PCB板上增加必要的去耦电容，滤波电源上的干扰信号，使电源稳定。在多层板中，对去耦电容的位置一般要求不太高

31、。但对双层板，去耦电容的布局及电源布线方式等直接影响到整个系统的稳定性，一般应该使电流先经过滤波电容再供器件使用，同时还要充分考虑到期间产生的电源噪声对下游的器件的影响，一般来谁，采用总线结构设计的电源模式;(4)为防止不同工作频率的模块之间的互相干扰，一般尽量缩短高频部分的布线长度，同时对模拟与数字电路应分别布置在PCB板的两面，分别使用不同的层布线，中间用地层隔离的方式。(5)振荡器外壳接地，时钟线要尽量短，且不能引得到处都是。时钟振荡电路下面、特殊高速逻辑电路部分要加大地的面积，而不应该走其它信号线，以使周围电场趋近于零。(6)预先对要求比较严格的线(如高频线)进行布线，输入端与输出端的边线应避免相邻平行，以免产生反射干扰。必要时应加地线隔离，两相邻层的布线要互相垂直，以避免平行走线容易产生寄生耦合和层间的窜扰。(7)设计布线时应让布线长度尽量短，以减少由于走线过长带来的干扰为问题，特别是一些重要信号线，如时钟线，务必将其振荡器放在离器件很近的地方。一般不要出现一端浮空的布线，以避免出现“天线效应”，减少不必要的干扰辐射和接受，否则带来不可预知的结果;(8)任何信号线都不要形成环路，如不可避免，环路应尽量小