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1、 西华大学电子技术课程设计说明书 电子密码锁电子密码锁 摘摘 要：要：电子密码锁自身有着很高的安全性并且成本低、功耗小、操作简单等 优点。在很多的安全领域内具有技术和报警功能的的数字密码锁已经逐渐取代了传统 的钥匙式机械锁并且克服了机械式密码锁的密码数量少、修改不方便等劣，使密码锁 在性能及技术上都有了很大程度上的提升。该电子密码锁由四部分组成，密码设定及 输入电路、报警电路、计时电路和电源电路。也可以划分为三大模块即密码设定及输 入模块、计时报警模块、电源模块。其中密码设定及输入模块是通过触发器来设定密 码并且进行输入，计时报警模块是用计数器来计用户输入密码的时间若超时即通过 555 来实现
6、术要求.1 1.3 国内外概况.1 1.4 要解决的问题.1 2 2 总体方案设计总体方案设计.2 2 2.1 方案比较 .2 2.2 方案论证 .3 2.3 方案选择 .3 3 3 单元模块设计单元模块设计.4 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 .10 3.3 特殊器件的介绍.11 3.4 各单元模块的联接.13 4 4 系统调试系统调试.1414 4.1 仿线 系统功能、指标参数系统功能、指标参数.2222 5.1 系统能实现的功能.22 5.2 系统指标参数测试.
7、22 5.3 系统功能及指标参数分析 .22 6 6 结论结论.2424 7 7 总结与体会总结与体会.2525 西华大学电子技术课程设计说明书 8 8 致谢致谢.2626 9 9 参考文献参考文献.2727 附录附录 .2828 第 1 页 西华大学电子技术课程设计说明书 1 1 前言前言 在人们的日常生活和工作中, 房屋住宅的安全防范、办公室的文件档案、财务报 表以及其他一些个人资料的保存通常都会使用锁来进行保护。但是使用传统的钥匙式 机械锁来保护需要人们随身携带钥匙这样非常的不方便且发生钥匙丢失后会产生更大 的安全隐患。随着科学技术的不断发展，人们对日常生活 中的安全保险器件的要求越 来
8、越高。人们对密码锁的要求也自然越来越高，所以为了为满足人们对锁的使用要求， 增加其安全性和可靠性，数字密码锁就渐渐的进入了人们的生活。电子密码锁自身有 着很高的安全性并且成本低、功耗小、操作简单等优点。在很多的安全领域内具有技 术和报警功能的的数字密码锁已经逐渐取代了传统的钥匙式机械锁并且克服了机械式 密码锁的密码数量少、修改不方便等劣，使密码锁在性能及技术上都有了很大程度上 的提升。再后来随着大规模集成电路技术的发展，数字密码锁技术更是日新月异，出 现了带微处理器的智能密码锁，它 除具有电子密码锁的功能外， 还引入了智能化管 理，从而使数字密码锁具有很高的安全性、可靠性以及广泛的引用性。 1
9、.11.1 目的及意义目的及意义 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。相对于其他锁，电子密码锁体积小、功耗低、价格便宜、安 全可靠,维护和升级都十分方便,具有较好的应用前景并且更加适应现代生活的需求。 1.21.2 技术要求技术要求 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。 1.31.3 国内外概况国内外概况 随着我国对外开放的不断深入，高档建筑发展很快，高档密码锁具市场的前景乐 观。我国密码锁具行业对密码锁具高新技术的投入正逐年增
10、大，高档密码锁的市场需 求也逐年增加。在安防工程中，锁具产品是关系到整个系统安全性的重要设备，所以 锁具产品的优劣也关系了整个安防工程的质量和验收。 在国外，美国、日本、德国的电子密码锁保密性较好，并结合感应卡技术，生物 识别技术，使电子密码锁系统得到了飞跃式的发展。这几个国家的密码锁识别的密码 更复杂，并且综合性比较好，已经进入了成熟期，出现了感应卡式密码锁，指纹式密 码锁，虹膜密码锁，面部识别密码锁，序列混乱的键盘密码锁等各种技术的系统，它 们在安全性，方便性，易管理性等方面都各有特长，新型的电子密码锁系统的应用也 越来越广。 1.41.4 要解决的问题要解决的问题 在许多电子密码锁的设计
11、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。 第 2 页 西华大学电子技术课程设计说明书 2 2 总体方案设计总体方案设计 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。 2.12.1 方案比较方案比较 2.1.12.1.1 方案一方案一 输 入 按 钮 开 关 输入 锁存 电路 阿萨 德密码 储存 电路 阿萨 德 开 锁 控 制 电 路 5 S 定时 电路 阿萨 德 20 S 定时
12、电路 阿萨 德 报 警 电 路 锁 装 置 自锁 图 2.1 方案一的原理框图 原理：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，第一个密码按下时触发 5s 定后自锁住按钮开关使其不能再输入密码，密码 输入到锁存电路中和已存储的密码进行比较若密码正确则开锁，否则触发 20s 定时报警。 2.1.22.1.2 方案二方案二 复 位 输 入 按 钮 开 关 输入 锁存 电路 阿萨 德 密码 储存 电路 阿萨 德 开 锁 控 制 电 路 5 S 定时 电路 阿萨 德 20 S 定时 电路 阿萨 德 报 警 电 路 mn 锁 装 置 自锁 设置 按钮 开关 阿萨 德
13、确认 图 2.2 方案二的原理框图 第 3 页 西华大学电子技术课程设计说明书 原理：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。 2.1.22.1.2 方案三方案三 图 2.3 方案三的原理框图 2.22.2 方案论证方案论证 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，
14、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。 方案三它由四部分组成即输入电路、编码电路、执行电路、报警电路组成。在这 个设计的优点在于电路简单易懂，而且造价便宜。具有一定的保密性。 2.32.3 方案选择方案选择 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。 数 码 开 关
15、 编 码 寄 存 器 驱 动 锁 数码开关 报警 第 4 页 西华大学电子技术课程设计说明书 3 3 单元模块设计单元模块设计 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。 3.13.1 各单元模块功能介绍及电路设计各单元模块功能介绍及电路设计 3.1.13.1.1 密码设置模块设计密码设置模块设计 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
16、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 按钮触发脉 冲 计数存储译码显示 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
17、图 3.3 所示。 第 5 页 西华大学电子技术课程设计说明书 图 3.3 密码设置总电路 3.1.23.1.2 矩阵键盘模块设计矩阵键盘模块设计 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 第 6 页 西华大学电子技术课程设计说明书 由于设计要求，键盘模块内设置了确认按钮以及复位按钮。 3.1.33.1.3 密码输入锁存模块密码输入锁存模块 1.该模块实现的功能是密码输入及锁存。 2.
18、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： 输入密码编码锁存显示 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 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 3.7 16 线 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） 。 图中 2.4.6.12
19、分别控制 4 个 4508 的 STB 端和 4511 的 LE 端。 第 7 页 西华大学电子技术课程设计说明书 图 3.8 74HC194 构成的片选电路 图 3.9 整个密码输入锁存电路 3.1.43.1.4 密码比较模块设计密码比较模块设计 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： 密码比较与输入次数相 比 结果 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
20、,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 第 8 页 西华大学电子技术课程设计说明书 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 3.1.53.1.5 定时报警模块定时报警模块 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
21、 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： 5S 定时20S 定时多谐振荡 器 报警 图 3.12 定时报警模块框图 4. 555 定时报警电路仿线 页 西华大学电子技术课程设计说明书 图 3.13 555 定时报警电路 3.1.63.1.6 开锁自锁模块设计开锁自锁模块设计 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： 确认LED 指示 5S 定时自锁键盘 图 3.14 自锁
22、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。 第 10 页 西华大学电子技术课程设计说明书 图 3.15 开锁和自锁电路 3.23.2 电路元件选择和参数计算电路元件选择和参数计算 3.2.13.2.1 元件参数计算元件参数计算 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
23、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 第 11 页 西华大学电子技术课程设计说明书 器公式为： 由上述公式计算得 R1 为 100k，R2 为 21.4k，C 为 10u。 3.2.23.2.2 元件选择元件选择 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 1818k210u10 36040.01u5 455k1 21.4k2 3.3k4 10k10 3.33.3 特殊器件的介绍特殊器件的介绍 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
24、 用方法作相应说明。 3.3.13.3.1 555555 定时器的介绍定时器的介绍 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 318V 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。 第 12 页 西华大学电子技术课程设计说明书 图 3.16 555 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
28、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= Q0Q1Q2Q3CET。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。 3.43.4 各单元模块的联接各单元模块的联接 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
29、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。 （3）定时报警模块、开锁自锁模块及键盘模块的联接关系是定时模块中 D 触发器 的 CLK 端接相应的脉冲信号（在 3.1.5 中有阐述） ，通过定时模块中 5s 定时电路锁住 键盘模块电源，从而达到自锁。键盘模块中有复位按钮，复位按钮是接在所有 D 触发 器的 R 端，达到复位的功能。 （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。 第 14 页
34、 页 西华大学电子技术课程设计说明书 图 4.4 密码输入模块调试电路 4.3.2.4 调试结果 如图 4.5 所示。 第 18 页 西华大学电子技术课程设计说明书 图 4.5 密码设置电路仿线 密码输入锁存模块的仿真调试密码输入锁存模块的仿线 调试目的 调试密码输入模块的密码输入功能。 4.3.3.2 调试内容 密码输入为 1411。 4.3.3.3 调试电路 如图 4.6 所示。 第 19 页 西华大学电子技术课程设计说明书 图 4.6 密码输入模块调试电路 4.3.3.4 调试结果 如图 4.7 所示 图 4.7 密码输入锁存电路仿线 密码比较模块调试密码比较模块调试 4.3.4.1 调试目的 第 20 页 西华大学电子技术课程设计说明书 调试密码比较模块的比较功能 4.3.4.2 调试内容 输入正确密码和错误密码时的输出结果 4.3.4.3 调试电路 如图 4.8 所示 图 4.8 密码比较模块调试电路 4.3.4.4 调试结果 密码正确时如图 4.9 所示。 图 4.9 密码正确时比较结果 第 21 页 西华大学电子技术课程设计说明书 密码错误时如图 4.10 所示。 图 4.10 密码错误时比较结果 4.3.54.3.5 开锁模块调试开锁模块调试 4.3.5.1 调试目的 验证开锁模块的指示功能。 4.3.
36、5.2 调试内容 输入正确和错误密码分别观察指示灯的工作状态。 4.3.5.3 调试电路 如图 4.11 所示 图 4.11 开锁模块调试电路 第 22 页 西华大学电子技术课程设计说明书 4.3.5.4 调试结果 正确密码输入时如图 4.12 所示。 图 4.12 密码正确时调试结果 密码错误时如图 4.13 所示。 图 4.13 密码错误时调试结果 第 23 页 西华大学电子技术课程设计说明书 5 5 系统功能、指标参数系统功能、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。 5.15.1 系统能实现的功能系统能实现的功能 在家庭防盗中各种情况实现对应功能。主要
37、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。 5.25.2 系统指标参数测试系统指标参数测试 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。 5.35.3 系统功能及指标参数分析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 5.1 所示。 表 5.1 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 1R110K22R243.3K45U27-3074HC160 2R210K23R2536046U16:A74LS04 3R310K24R263.3K47U22:B4013 4R410K25R2736048U9:A74LS04 5R510K26R283.3K49U1