电子密码锁的设计

河南科技学院新科学院电气工程系电子课程设计报告数字密码锁的设计学生姓名所学专业电气工程及其自动化所在班级完成时间数字密码锁的设计摘要现实中很多地方都用到锁，其实锁是一种保护功能。现代信息渠道的发展出现各种密码保护功能的信息保障，电子科技的发展使社会上又出现一种电子密码锁。电子密码锁是采用电子电路构成的，高集成度的电子密码锁可靠性高，保密性强，安全系数高。这些优良的特点使电子密码锁被广泛运用。在设计过程中，通过对电子密码锁功能的了解，经查找各方面的资料，再根据资料设计几种使其功能实现的方案。经过比较，选择一种最合适的方案，运用各种电子元器件组成一个完整的密码锁电路。运用ALTIUM83和MULTISIM，通过对电路进行仿真完成最终电路的设计，待电路组装完毕后进行调试和功能确认。关键词密码，电子密码锁，电子元件，仿真与调试DIGITALCODELOCKDESIGNABSTRACTINREALITYLOCKSAREUSEDINMANYPLACES,INFACT,THELOCKISAPROTECTIVEFUNCTIONTHEDEVELOPMENTOFMODERNINFORMATIONCHANNELSEMERGENCEOFVARIOUSINFORMATIONSECURITYPASSWORDPROTECTION,THEDEVELOPMENTOFELECTRONICTECHNOLOGYTOMAKEITAPPEARANELECTRONICLOCKONTHECOMMUNITYELECTRONICLOCKSARECOMPOSEDOFELECTRONICCIRCUITS,ELECTRONICLOCKSCONFIDENTIALITY,HIGHSAFETYFACTORTHESEEXCELLENTFEATURESMAKEELECTRONICLOCKSAREWIDELYUSEDINTHEDESIGNPROCESS,THROUGHTHEUNDERSTANDINGOFTHEELECTRONICCODELOCKFUNCTION,THROUGHTOFINDINFORMATIONONALLASPECTS,ACCORDINGTOINFORMATIONDESIGNEDSEVERALPROGRAMSTOACHIEVEITSFUNCTIONBYCOMPARISON,CHOOSETHEMOSTAPPROPRIATESOLUTION,USINGAVARIETYOFELECTRONICCOMPONENTSFORMACOMPLETELOCKCIRCUITUSEALTIUM83ANDMULTISIM,CIRCUITSIMULATIONISCOMPLETEDBYTHEFINALCIRCUITDESIGN,DEBUGANDFUNCTIONALCIRCUITSASSEMBLEDUPONCONFIRMATIONKEYWORDSPASSWORD,ELECTRONICLOCKS,ELECTRONICCOMPONENTS,SIMULATIONANDDEBUGGING目录1原理框图12方案的选择121方案一122方案二223方案比较与选择23单元电路的设计231密码输入模块232密码存储模块333定时模块534密码验证及结果显示模块84电路分析95结论14参考文献15致谢16附录17元件清单171原理框图根据设计内容要求，设计简易电子密码锁。要求具有密码输入功能，密码验证功能，密码正确和错误的显示功能，密码更改功能和报警功能。根据密码锁的特点可知，每把锁的密码都是事先设置好的，或者是有初始密码，密码输入正确时锁才能被打开。假设本密码锁事先设置N种密码中的一种，显然密码可以更改的，密码输入可由M个触发开关组成，有种不同的组合，理想情况M2下。密码输入后，经确定，若密码正确则使显示灯绿灯亮，密码错误则MN2报警，显示红灯亮。密码输入有时间限制，可以理解为在指定时间内无论对错从新输入的密码是无效的，这是一种保护措施。555定时器有单稳态触发的功能，输出由低点平到高电平，改变RC的值可以改变设置的时间。因此，运用555定时器组成的单稳态电路设定的时间，在时间T范围内灯是亮的，再次输入密码无效，超过时间T灯熄灭，可以再次输入密码进行密码验证。根据功能要求，设计电路的四个功能模块，如图11所示。图112方案的选择21方案一密码存储模块由两块74LS138组成，138有3个输入端口、3个功能选择端口和8个输出端口，可以由6个单刀双掷开关对高低电平的选择来控制密码的输入，可以考虑将低电平有效输入端连接作为一个输入，于是便可以实现十个密码输入模块密码存储模块密码验证显示模块定时模块输入，于是密码输入端确定下来。根据74LS138译码器的特点可知74LS138的8个输出端在一次输出时只有一个是高电平，选择不同的输出端连到下一级就有不同的密码，密码的选择和更改可以再74LS138的输出端更改。密码验证和显示功能模块可由D触发器构成，D触发器时上升沿触发的元件，可以由555定时器组成的单稳态触发电路来触发，显示功能可由两个发光二极管显示。555定时器组成的单稳态电路T时间内输出的是高电平，输出信号和D触发器输出的两个相反的信号分别经与非门连接上红绿发光二极管。若密码正确，D触发器Q端输出高电平，经与非门输出为低点平，于是在发光二极管的另一端接上高电平，绿色发光二极管亮红色暗，同时蜂鸣器提示密码输入正确。若密码错误，D触发器Q端输出低点平，经与非门后输出为高电平，让高电平过计数器，当计数器超过三次时蜂鸣器报警绿灯暗红灯亮，显示密码错误。22方案二开始设计该电路时想到用单片机实现，因为单片机是所有芯片中功能比较多而且其硬件电路设计时的连接简单，现实电路板的连接也很容易，所用程序的撰写也比较简单，功能拓展很方便。但该课程设计的要求是电路主要选用中规模TTL集成电路74系列，所以在不考虑单片机的情况下选择其他的方案。密码验证模块时的设计方案可以用与逻辑门电路，同样能达到要求，还有一种普遍的方案是用数据比较器74LS85，它可以并联完成设置更多种密码，使密码安全性更高。其他的模块和方案一的一样。23方案比较与选择密码验证模块用与门时，虽然在设计和仿真时结果正确，但是却要多连很多线，线路就显得比较复杂。用数据比较器74LS85时，虽然它可以通过并联完成设置更多种密码，但只用一片的话只有4位密码输入，也就是说，如果用74LS85的话，密码要想达到较高安全性，就必须使用多个74LS85。这样既需要多个芯片又需要连很多导线，又使电路复杂化，连电路板时出错的机率就更大。由于使用译码器74LS138可使电路连接简单得多，安全性相对来说也不低，因此，决定放弃此其他方案，选择方案一。3单元电路的设计31密码输入模块该模块采用9个单刀双掷开关S1S10控制，槽口连接端的一端接高点平（5V），另一端接低点平（即接地），开关有不同的打开关闭组合就产生不同的密码输入信号，如图31所示。图3132密码存储模块密码存储模块模块主要是用74LS138和74LS175实现，它们分别是3线8线译码器和D触发器。74LS138接密码输入端信号，将信号转翻译转化，经输出端输出，经555定时器单稳态电路送出来的信号源触发由D触发器将信号存储起来，并传递输出到下一级。密码的选择是D触发器和74LS138的8个的不同接法。74LS138有8个输出端，也就是说虽然密码输入有1024种，真正可以选择更改的密码只有64种。两块74LS138的输出端的输出端有64种可能，如图32所示。图32图3374LS138的管脚图A1B2CE456Y097ULSQKR74LS138的真值表如表31由表31可知每个输出端为1时都有唯一的输入码，所以可以把E1E2E3A2A1A0连接密码输入端。且Y0Y7只需要选择其中一端作为密码验证信号输出就行了。有8个选择，也就是修改密码时，只有8个不同的固定密码可以选择。表3174LS138真值表输入输出E1A2A1A0Y0Y1Y2Y3Y4Y5Y6Y70XXXX00000000X1XXX000000001000010000000100010100000010010001000001001100010000101000000100010101000001001011000000010101110000000174LS175是四个D触发器集成的芯片，使用时只需其中一个。CLK为信号源触发端，接入555定时器组成的单稳态电路的输出信号，上升沿触发。74LS138的管脚图34所示。图3474LS175管脚图D触发器的逻辑功能表,如表32表3274LS175功能表DQN10XQ（N）100111端是强制清零端，低点平有效，为防止清零，要将MR端接高电平。33定时模块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，如图35。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。图35555定时器结构图555定时器的电源电压范围宽，可在45V16V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。555定时器成本低，性能可靠，只需要外接几个电阻、电容，就可以实现多谐振荡器、单稳态触发器及施密特触发器等脉冲产生与变换电路。它也常作为定时器广泛应用于仪器仪表、家用电器、电子测量及自动控制等方面。它内部包括两个电压比较器，三个等值串联电阻，一个RS触发器，一个放电管T及功率输出级。它提供两个基准电压VCC/3和2VCC/3。555定时器构成多谐振荡器如图36，由555定时器和外接元件、C1R2构成多谐振荡器，脚2与脚6直接相连。电路没有稳态，仅存在两个暂稳态，电路亦不需要外接触发信号，利用电源通过、向C充电，以及C通过1R2向放电端放电，使电路产生振荡。电容C在和之间充电和2R放电，从而在输出端得到一系列的矩形波。输出信号的时间参数是T，其中，2170R270为VC由上升到所需的时间，为电容C放电所需的时间。555电路要求R1与R2均应不小于1K，但两者之和应不大于33M。外部元件的稳定性决定了多谐振荡器的稳定性，555定时器配以少量的元件即可获得较高精度的振荡频率和具有较强的功率输出能力。因此，这种形式的多谐振荡器应用很广。图36多谐振荡电路图由555定时器组成的单稳态触发电路如图37所示。2端为信号输入端，3端为信号输出端。与5端相连的电容的作用是防止出现干扰信号，能够过调节或更换RC的组合，有不同的信号输出时间间隔，这是选择单稳态电路的原因。图37单稳态原因定时模块选用555定时器组成的单稳态触发模式，当没有信号输入时，2端输入为高电平，如果接通电源后Q0，2端接0，那么T导通，电容通过放电三极管放电，V00相反，若2端接低点平，V01。TW11。选取3LNRC100K，50UF。由单稳态电路的周期特点可知，即设定理论3R2C1促发时55S。如图38所示31T在开始设计时，开关的选取单触开关都是单置开关，单触开关，即触发后立即复位，开关的连接端接高电平，开关断开时代表接的是低点平，接通时代表节的是高电平。感觉理论上可行，但是在仿真时出现错误，并没有达到预计要求。于是，更改方案，选择比较全面的设计，让开关可以直接接到高电平和低点平，选择单刀双掷开关。这里用简单的单刀双掷开关代替，开关的外部连接槽口一端接高电平，一端接地电平，如图39所示。没输密码时接在高电平，当需要触发时连续按两下开关。第一次按下表示接到低电平，即555定时器开始工作，在输出端口输出时间为T的单脉冲，引发D触发器和与非门的工作。第二次按下表示复位，目的是让定时器输出地单脉冲在T时间内结束。图38定时模块电路45678UESUF图39确定开关电路34密码验证及结果显示模块此模块的密码验证主要是与非门和放光二极管。与非门的两个输入端接的是由D触发器输出端和555定时器组成的单稳态电路输出信号。若D触发器两个输入端接的是Q和Q，两个与非门的输入端是Q、A和Q、A。两个输出端分别接开锁指示灯G和报警指示灯R。它们的真值表如表3表33验证模块显示表QAGR0000010110001110所以QAGR由此可以选用74LS00来实现该模块的逻辑功能，Q为74LS175的一个输出端，A是555定时器发来的信号。其连接图如图310。图310密码验证模块总电路图如311所示图311总电路图将电路所需的元件在ALTIUM83中找出来，按照各模块的设计顺序将电路连接起来，组成完整的功能电路。布置好线后，移动排布元器件，使线路图清晰好认。4电路分析由74LS138的特点可知，只有一个输出端为高电平状态。所以只有当前一级U1的输出为高电平时，后面一级U2才能正常完成工作。现在假设第二级Y7为密码输出端，则Y7为高电平。不难知道A、B、C三输入端均为高电平输入，使能端E1也为高电平输入，E2、E3均为低电平输入。由于E1为高电平输入，设上一级输出为Y7，则A、B、C、E1、E2、E3输出情况与第二级U2数输入相同，所以电路密码为1111111001。更换UI和U2的不同输入端，可得到64种不同的密码，而输入共有种，所以安全度还是比较高的。下表102是64种密码。表41数字密码锁密码表组合S1S2S3S4S5S6S7S8S9S10Y0Y00001000010Y0Y10001010010Y0Y20001001010Y0Y30001011010Y0Y40001000110Y0Y50001010110Y0Y60001001110Y0Y70001011110Y1Y01001000010Y1Y11001010010Y1Y21001001010Y1Y31001011010Y1Y41001000110Y1Y51001010110Y1Y61001001110Y1Y71001011110Y2Y00101000010Y2Y10101010010Y2Y20101001010Y2Y30101011010Y2Y40101000110Y2Y50101010110Y2Y60101001110Y2Y70101011110Y3Y01101000010Y3Y11101010010Y3Y21101001010Y3Y31101011010Y3Y41101000110Y3Y51101010110Y3Y61101001110Y3Y71101011110Y4Y00011000010Y4Y10011010010Y4Y20011001010Y4Y30011011010Y4Y40011000110Y4Y50011010110Y4Y60011001110Y4Y70011011110Y5Y01011000010Y5Y11011010010Y5Y21011001010Y5Y31011011010Y5Y41011000110Y5Y51011010110Y5Y61011001110Y5Y71011011110Y6Y00111000010Y6Y10111010010Y6Y20111001010Y6Y30111011010Y6Y40111000110Y6Y50111010110Y6Y60111001110Y6Y70111011110Y7Y01111000010Y7Y11111010010Y7Y21111001010Y7Y31111011010Y7Y41111000110Y7Y51111110110Y7Y61111001110Y7Y71111011110由于电路在设计时并不完善，为了密码输入的正确性，修改了电路。修改后的电路如图41所示。图41修改后的总电路图5结论为了巩固对电路数电模电的基础知识，提高综合运用所学知识的能力，我们参加电工电子课程设计。通过对题目的了解，我们在书籍和网络上搜索相关的知识，通过对电路的功能分析和对元器件的认识，运用有限的资源设计出自己的解决方案。在设计过程中，虽然遇到诸多困难，但都被一一排除，我觉得这是一个很锻炼人的课程。本文所设计的电子密码锁电路，是经过多次修改和整理的最终结果。但因为水平有限，此电路中还存在一些的问题。电路的密码不能遗忘，一旦遗忘就会很麻烦，要想打开这个电子密码锁，要么一个一个试，要么拆开装置观察密码设置端后查表找出密码，这样都会耗费很多时间。由于元器件74LS138的限制，该电子密码锁的密码只有64种修改的可能，也就是密码不能实现随机修改。在这次的设计中，我感觉有很大的收获，首先，通过修改设计电路图使自己对课本上的知识进行回顾，加深了印象，并且将这些已经学过的知识应用于实际的电路设计中，达到理论与实际相结合的目的。设计时只靠自己已经学的的知识还远远不够，还要靠网络和各种图书的帮助，有了逻辑思路后在网上找到相关资料以作参考。其次，实习也段练了我综合运用所学知识的能