毕业论文-触摸式密码电子锁的设计与制作.doc

毕业综合实践文档毕业综合实践文档 课题名称： 触摸式密码电子锁的设计与制作 作 者： 学 号： 系 别： 电气系 专 业： 电子信息工程 指导老师： 专业技术职务 讲师 20122012 年年 3 3 月月 浙江温州浙江温州 温州职业技术学院 毕业综合实践开题报告 姓姓 名：名： 学学 号：号： 专专 业：业： 电子信息工程技术 课题名称：课题名称： 触摸式密码电子锁的设计与制作 指导教师：指导教师： 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课题意义及现状、需解决的问题和拟采用的解决方案 一一 课题意义及现状课题意义及现状： 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。 二二 需解决的问题需解决的问题： 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。 三三 拟采用的解决方法拟采用的解决方法： 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意见： 指导教师： 年 月 日 专业教研室审查意见：专业教研室审查意见： 教研室负责人： 年 月 日 课课 题题 摘摘 要要 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，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。 关键词关键词：电子密码锁，触发器，外接电源，安全实用 目目 次次 1 引言.1 2 方案论证与比较.3 3 系统设计 5 3.1 系统总框图.5 3.2 设计思路 5 3.3 设计电路组成部分.5 3.4 单元电路设计.5 3.4.1 键盘输入.5 3.4.2 密码检测.6 3.4.3 执行电路.6 3.4.4 报警电路 6 3.4.5 开始报警和停止报警.7 3.4.6 电源电路.7 4 电路原理图.9 4.1 电路主功能介绍.9 4.2 总电路图.9 5.3 此设计的不足 .10 5 主元器件的介绍11 5.1 D 触发器的介绍 .11 5.2 双 D 触发电路12 5.3 CD4013 引脚简介.12 5.4 CD4011 集成块.12 5.5 9013 三极管.14 5.6 7812 引脚图及参数.15 5.7 中间继电器的介绍16 5.8 蜂鸣器17 5.9 整流二极管17 6 实物制作过程 .18 6.1 设计前期准备 .18 6.2 PCB 板图布局18 6.3 布线 .19 6.4 设计评审 .20 6.5 完成实物制作 .20 结论 .21 致谢 .22 参考文献 .23 附录 .24 1 1 1 引言引言 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，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，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， 2 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。 3 2 2 方案论证与比较方案论证与比较 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 2.1 所示。 图 2.1 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 2.2 所示 4 触摸键盘输 入 开锁电路密码校验电 路 报警次数检 测 锁定 5 分钟电 路 执行电路 限 时 报 警 电 路 密码复位电 路 +12V 图 2.2 触摸式密码电子锁电路方案 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。 5 3 3 系统设计系统设计 3.13.1 系统总框图系统总框图 键盘输入密码校验电路开锁电路 执行电路 键盘修改电路 限时报 警 报警次数检 测 锁定时间开门 正 确 12V 开 始 计 时 图 3.1 系统总框架图 3.23.2 设计思路设计思路 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。 3.33.3 设计设计电路组成部分电路组成部分 密码锁电路包含：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。 3.43.4 单元电路设计单元电路设计 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。 6 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信号送 往 IC13 的 Q4 脚，执行电路动作，实现开锁。 图 3.2 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 3.3 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。 7 R11 510k R13 100 R12 10k C4 2200pf LS SPEAKER +12V 1 2 3 (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，这样对外的辐射 20 越少，接收外界的干扰也越小。信号线的过孔要尽量少，关键的线尽量短而粗，并 在两边加上保护地来尽量减小信号的回路面积。 6.46.4 设计评审设计评审 PCB 板图设计完成后，根据相应的质量评审要求，对设计进行设计评审。评审 的内容大体分为下面几个方面： (1)检查定位孔、定位件等机械尺寸是否与结构图一致。 (2)检查高频、高速、时钟等易受干扰的信号线，是否回路面积最小、是否远离 干扰源，是否有多余的过孔和绕线、是否跨地层分割区。 (3)检查晶体、变压器、光耦、电源模块下面是否有信号线穿过，应尽量避免在 其下面穿线，特别是晶体下面应尽量铺设接地的铜皮。 (4)检查器件的序号是否有序排列，丝印标示等是否覆盖焊盘、过孔等。 (5)检查布线完成情况是否百分之百，是否有线头，是否有孤立的铜皮。 6.56.5 完成实物制作完成实物制作 完成 PCB 版图后，实物的制作开始了，我们先借用了学校的实验室，然后将之前 购买的 PCB 板从储备箱中提出来，通过专门仪器将我们设计画好的 PCB 线路影印到 PCB 板上，然后在老师的指导下我们将板子放到化学水中进行显影，因为药水浓度问 题，我们失败了一次，但是这些都不能阻挡我们要成功的心，于是进行第二次的制 作，最后终于成功后的显影了。我们将已经显影好的板子对照着图纸将它打孔，最 后的一切就顺其自然了，元器件的安装，焊接，调试，成品出现，终于在大大小小 的坎坷中完成了。图见附录 B、C、D 图。 21 结论结论 2011 年的 12 月中旬，我开始了大学最后一个阶段，就是毕业论文，经过长达 2 个月的写作加操作，现在论文已经成型了，对于论文的写作，其实是一个非常漫长 的工程，需要不断的对论文进行修改，不断的钻研各方面的知识，最后汇总在一起， 经过 2 个月的努力，毕业论文终于如期完成了，在论文漫长的写作中和实践操作中， 有了许多的艰辛和收获，终于在老师的耐心指导之下，然后再次查阅相关资料，继 续总结，为以后的论文撰写和实践操作打下夯实的基础。 对于这次的毕业设计，同学之间的相互学习和帮助，老师的耐心教导，共同商 量相关的问题，这样的交流，对于我们这些面临毕业的人来说是非常有意义的，大 学三年一起走过，到了最后阶段，我们一起讨论学习，探讨相关问题，进而在以后 的生活和工作中更好的发挥自己的优势，立足于社会。 在此，我要感谢我们的指导老师，是你的耐心教导，使得我们能够顺利的完成 这次毕业设计，对于老师的默默付出，我们都是可以感受的到的，每次对于论文的 检查，周记的检查，老师都是非常仔细严格的，严格到每一个字，最后提出了许多 中肯的意见，这是很难能可贵的。 通过这三周的学习，我感觉有很大的收获：首先，通过学习使自己对课本上的 知识可以应用于实际，使的理论与实际相结合，加深自己对课本知识的更好理解， 同时实习也段练了我个人的动手能力：能够充分利用图书馆去查阅资料，增加了许 多课本以外的知识。能对 PROTEL 99 和 WORD 等软件操作，能达到学以致用。对我们 学生来说，理论与实际同样重要，这是我们以后在工作中说明自己能力的一个重要 标准。 在本次毕业设计中，我感受到了老师对学生的那种悔人不卷的精神，每天的固 定时间，老师都来给我们指导，使我们少走弯路，顺利完成实习任务，请允许我向 你们致意崇高的敬意，感谢你们，老师！ 22 致谢致谢 在本文的撰写工作中，我们的指导老师章老师，她的确付出了许多，她教学严 谨，严于律己，学识渊博，为我们的撰写工作创造了优良的学习氛围，在她的耐心 指导之下，使得我们不仅接受了新的思想观念，同时也树立了明确的学习目标，懂 得了三维的思考方式，更好的是，掌握了更加通俗易懂的研究方法。 再次感谢我们的指导老师，她在我大学的最后学习阶段毕业设计阶段给自 己的指导，从最初的定题，到资料收集，到写作、修改，到论文定稿，她给了我耐 心的指导和无私的帮助。为了指导我们的毕业论文，她们放弃了自己的休息时间， 她们的这种无私奉献的敬业精神令人钦佩，在此我向她们表示我诚挚的谢意。同时， 感谢所有任课老师和所有同学在这 3 年来给自己的指导和帮助，是他们教会了我专 业知识，教会了我如何学习，教会了我如何做人。正是由于他们，我才能在各方面 取得显著的进步，在此向他们表示我由衷的谢意，并祝所有的老师培养出越来越多 的优秀人才，桃李满天下！ 23 参考文献参考文献 （1）陈桂兰，廖任秀，余宏生.电子线路板设计与制作M.北京：人民邮电出版社, 2010. （2）周良权,傅恩锡,李世馨.模拟电子技术基础M.北京：高等教育出版社， 2009. （3）廖芳，莫钊，何其贵.电子产品制作工艺与实训M.北京：工业出版社， 2010. （4）蔡元宇.电路及磁路M.北京：高等教育出版社，2006. （5）赵同贺.新型开关电源典型电路M.北京：机械工业出版社，2010. （6）霍建龙.实用电子技术M.北京：理工大学出版社，2009. （7）皇家善. 电力电子技术M.北京：机械工业出版社，2010. 24 附录附录 附录附录 A 元器件清单图元器件清单图 序号成品名称产品规格数量 12M5 210k3 3510k3 422k2 51001 6 电阻 100k1 71uF2 80.47uF2 91000 uF1 1022 uF1 11 电容 2200pF1 12CD40111 13CD40751 14 集成 芯片 CD40132 15 二极管 1n40074 16 稳压二极管 1N41484 17 三极管 TV90132 18 按钮开关 SW10 19 扬声器 LS1 20 继电器 KA1