毕业论文-基于中小规模集成电路的电子密码锁.doc

四川信息职业技术学院 毕业设计说明书(论文) 设计(论文)题目: 基于中小规模集成 电路的电子密码锁 专 业: 通 信 技 术 班 级: 通技 06-2 学 号: 姓 名: 指导教师: 二 八年十二月三十日 四川信息职业技术学院毕业设计（论文）任务书四川信息职业技术学院毕业设计（论文）任务书 学 生 姓 名 班级 通技 06-2 专业通信技术 设计（或论文）题目基于中小规模集成电路的电子密码锁 备 注 设计（论文）内容： （1）设计指标 1具有密码输入功能，密码最多为 4 位； 2设置干扰键，以便清除输入错误的密码； 3具有密码输入延时电路，密码输入锁定延时电路； 4当输入密码正确时，点亮发光二极管；当输入密码不正确时，发光二极管不亮并且蜂鸣器报 警，重新输入，当三次密码输入不正确时，系统应锁定键盘 5 分钟。 （2）设计要求 画出电路原理图。 进度安排： 第 5 周：任务下达，理解消化任务要求；初步设计方案确定； 第 6 周第 10 周：设计方案确定，分模块部分完成； 第 11 周：中期检查，查找问题，分析解决难点； 第 12 周第 15 周：分模块调试，整体电路调试，论文书写等； 第 16 周：答辩。 主要参考文献、资料(写清楚参考文献名称、作者、出版单位)： 1 台方微型计算机控制技术中国水利水电出版社2001 2 胡汉才单片机原理及其接口技术清华大学出版社1996 3 赵新民智能仪器设计基础哈尔滨工业大学出版社1999 4 潘新民，王燕芳微型计算机控制技术电子工业出版社2003 5 李钟实实用电子报警器精选百例北京：科学技术文献出版社2002 审 批 意 见 教研室负责人： 年 月 日 备注：任务书由指导教师填写，一式二份。其中学生一份，指导教师一份。 四川信息职业技术学院毕业设计说明书 I 目 录 摘 要.1 第 1 章 绪论.2 第 2 章 方案设计.5 2.1 设计思路.5 2.2 总体方框图.5 第 3 章 单元电路设计.6 3.1 键盘输入、密码修改、密码检测、开锁及执行电路.6 3.2 报警电路.7 3.3 报警次数检测及锁定电路.8 3.4 备用电源电路.9 总 结.11 参考文献.12 附 录 总电路原理图.13 四川信息职业技术学院毕业设计说明书 第 1 页 共 13 页 摘 要 本文的电子密码锁利用数字逻辑电路，实现对门的电子控制，并且有附加供电 电路保证电路能够安全工作，有极高的安全系数。 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。它的种类很多，有简易的电路产品，也有基 于芯片的性价比较高的产品。现在应用较广的电子密码锁是以芯片为核心，通过编 程来实现的。其性能和安全性已大大超过了机械锁，特点如下： 保密性好，编码量多，远远大于弹子锁。随机开锁成功率几乎为零。 密码可变。用户可以经常更改密码，防止密码被盗，同时也可以避免因人员 的更替而使锁的密级下降。 误码输入保护。当输入密码多次错误时，报警系统自动启动。 电子密码锁操作简单易行，一学即会。 关键词 电子密码锁；电压比较器；555单稳态电路 四川信息职业技术学院毕业设计说明书 第 2 页 共 13 页 第 1 章 绪论 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，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呢。锁几乎与私有制同时诞生。早 在公元前3000年的中国仰韶文化遗址中，就留存有装在木结构框架建筑上的木锁。 东汉时，中国铁制三簧锁的技术已具有相当高的水平。三簧锁前后沿用了1000多年。 18世纪初由英国人D波特发明凸轮转片锁。其钥匙编号由三簧锁的20多种发展 到80多种。19世纪中叶，欧洲制造商在凸轮转片锁和三簧锁的基础上改制成滑动转 片锁，其钥匙编号可达1600种。 1848年，美国人L耶尔发明采用圆柱形销栓的弹子锁，该锁已成为世界上使用最 普遍的锁。现代弹子锁的结构又有新的发展，出现双向、三向、四向弹子结构，以 及平面、双面、多面、双排双面、多排多面弹子结构和组合弹子结构，从而大大提 高锁的保密性能，使锁的编号由原有的2500种通过“向”、 “面”的变化达到百万种。 20世纪70年代，随着微电子技术的应用，出现了磁控锁、声控锁、超声波锁、 红外线锁、电磁波锁、电子卡片锁、指纹锁、眼球锁、遥控锁等。这些锁具有机械 结构所无法比拟的高保密性能。现代锁还可在特定的系统中、按设定的逻辑关系实 现系统的程序控制。现代锁可按材质、用途、有无钥匙、安全性能和结构进行分类。 我国制锁业现状： 目前我国登记注册的制锁企业有1400多家，以中小企业为主，多为个体、私营 企业，基本上都属于劳动密集型产业。 从区域划分，主要集中在山东、广东、上海、浙江一带，形成了南方以生产执 手锁、球型门锁为主；北方生产挂锁、各种车辆用锁为主的生产格局。2001年销售 收入超过5000万元的制锁企业有七家，年出口交货值超过4000万元的制锁企业近十 家。多数锁具生产厂家是在低水平上重复建设，真正形成规模、拥有知名品牌的企 业寥若星辰。 四川信息职业技术学院毕业设计说明书 第 3 页 共 13 页 制锁行业的产品结构目前是以钢铁挂锁、门锁、车锁为主，智能门锁及其他锁 具为辅。产品的价格竞争激烈，整个行业的利润较低。 造锁设备、刀具、模具是加工机械锁具的关键之一，有了先进的设备和刀具、 模具，才能生产出优质产品。目前造锁用设备主要有钥匙、锁芯、锁体、弹覆盖面 居全国之首，并远销国外。 但从整体水平上来看，我国的制锁设备与国外相比落后10-20年。近几年我国引 进一些先进的钥匙、锁芯加工刀具，但价格昂贵，依赖性强，所以收获不大。天津 六锁近年来在刀具上进行了研发，有些项目达到了国际先进水平。 高档锁具的核心技术掌握在国外，这与我国的其它行业如表面处理、材料工程、 微电子技术的整体水平有关。近几年生产的高档电子锁具如IC卡、TM卡、指纹锁等 产品的核心电子元器件均从国外进口，这就使我们的高档锁具在价格、性能扩展上 同国外相比不具优势。 目前全国锁厂的产品质量高低不一，特别是由于大多数锁具产品技术含量低、 投入少、易于效仿，出现了大量的伪劣假冒产品。仅锁每年打假的费用近千万，损 失收入近10个亿。 从业人员的知识结构需进一步调整。我国的高等教育目前还没有制锁专业、企 业工程技术人员，一般是内部培养，与其他一些行业相比，专业技术水平较低，而 且没有具有一定实力的专业锁具研究机构。 我国加入WTO后，全球经济一体化大潮扑面而来，对于锁具行业来说，是喜忧 参半。对于劳动强度大、劳动密集型的挂锁等低附加值产品，全球市场放开后，我 们在价格可能具有一定优势，但对于高档的锁具将受到国际上一些知名品牌的冲击。 如美国的耶鲁、德国的霍富等。他们的产品在使用性能、表面处理、材料应用上均 比我们高一档次。 未来密码锁的发展方向主要在以下几种产品的外观造型、使用性能上进行突破 中高档机电一体化 IC 卡智能锁、TM 卡锁、射卡锁 这种锁具有计算机技术，精密制造技术，并可实现分级管理，未经授权无法复 制，钥匙丢失可随时废除、携带，使用方便等功能。 滚动码遥控锁 它是钥匙采用keele滚动码技术，每次发射的密码均不相同，任何捕捉和扫描系 统都无法捕捉下次发射的代码，密钥永不重复，安全性能高，是极具挑战性的产品。 四川信息职业技术学院毕业设计说明书 第 4 页 共 13 页 生物识别特征锁 这是目前世界上较为先进的锁具，它利用人体指纹、掌纹、语音、面相等生物 特征各具异性和不变性的显著特点，为用户提供安全可靠的加密手段，使用时只需 将已登录的手指轻放在指纹采集口仅需几秒种，即可完成开锁，操作十分方便，而 且避免了携带机械钥匙、识别卡、密码锁、遥控器等钥匙。它的使用成本为零，能 终生享用，不能假冒，安全系数极大。 汽车锁 随着我国加入WTO，汽车市场不断扩大，车门锁、拉杆锁、行李箱锁、发动机锁 等系列锁具也将呈现一片生机。 住宅高、中档插芯门锁 据国家城建统计资料报道，全国每年购买20万以上公寓的有近4000万户，试想 高中档住宅的配套锁具市场如何。最近市场上出现的表面镀珍珠银、镀24K金的球型 门锁，售价至几百无，将十分热销。 民用锁 改革开放后，农民收入不断增加，富裕后的农民，第一件事就是盖房子。众所 周知，我国有9亿多农民，可见，农村用锁也将是一个广阔的大市场。 防盗锁 近几年，随着国民经济的不断发展和人民生活水平、消费水平的不断变化及房 地产业的不断升温，中、高档防盗门锁市场也在不断扩大。目前我国防盗门行业企 业总数已超5000家，年产量达上百万锁。因此，随着防盗门锁产业的兴起和人们防 盗意识的增加，防盗市场的巨大替力，将促进防盗门锁热销。 设计本课题时构思了两种方案：一种是用以AT89C2051为核心的单片机控制方案； 另一种是用以74LS112双JK触发器构成的数字逻辑电路控制方案。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。 四川信息职业技术学院毕业设计说明书 第 5 页 共 13 页 第 2 章 方案设计 2.1 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40秒（一般情况下，用户不会超过40秒，若用户觉得不 便，还可以修改）电路将报警80秒，若电路连续报警三次，电路将锁定键盘5分钟， 防止他人的非法操作。 2.2 总体方框图 图2-1 密码锁总体方框图 本电路总体由密码锁电路和供电系统组成。其中密码锁电路完成密码输入，密 码修改、密码检测、执行开锁和锁定信号功能。供电系统则提供与之匹配的稳定电 源信号。 四川信息职业技术学院毕业设计说明书 第 6 页 共 13 页 第 3 章 单元电路设计 电路由两大部分组成：密码锁电路和备用电源(UPS)，其中设置UPS电源是为了 防止因为停电。造成的密码锁电路失效，使用户免遭麻烦。 密码锁电路包含：键盘输入、密码修改、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。 3.1 键盘输入、密码修改、密码检测、开锁及执行电路 其电路如下图3-1所示。 图3-1 键盘输入、密码修改、密码检测、开锁、执行电路 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，开关两端 的电容是为了提高开关速度，电路先自动将IC1IC4清零，由报警电路送来的清零信 号经C25送到T11基极，使T11导通，其集电极输出低电平，送往IC1IC4，实现清零。 密码修改电路由双刀双掷开关S1S4组成（如图3-1所示） ， 它是利用开关切换的原 理实现密码的修改。例如要设定密码为1458，可以拨动开关S1向左，S2向右，S3向 四川信息职业技术学院毕业设计说明书 第 7 页 共 13 页 左，S4向右，即可实现密码的修改，由于输入的密码要经过S1S4的选择，也就实 现了密码的校验。本电路有16组的密码可供修改。 图3-2 密码修改电路 由两块74LS112（双JK触发器，包含IC1IC4）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端出现了一个负的下降沿，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， 送入与门IC5，使其输出开锁的高电平信号送往IC13的2脚，执行电路动作，实现开 锁。 执行电路是由一块555单稳态电路（IC13） ，以及由T10、T11组成的达林顿管构 成。若IC13的2脚输入一高电平，则3脚输出高电平，使T10导通，T11导通，电磁阀 开启，实现开门，同时T10集电极上接的D5（绿色发光二极管）发亮，表示开门， 20秒后，555电路状态翻转，电磁阀停止工作，以便节能。其中电磁阀并联的电容 C24使为了提高电磁阀的力矩。 3.2 报警电路 报警电路实现的功能是：当输入密码的时间超过40秒（一般情况下用户输入不 会超过） ，电路报警80秒，防止他人恶意开锁。 电路包含两大部分，2分钟延时和40秒延时电路。其工作原理是当用户开始输入 密码时，电路开始2分钟计时，超出40秒，电路开始80秒的报警。如图3-3所示。 四川信息职业技术学院毕业设计说明书 第 8 页 共 13 页 R11 2M R12 100 R14 1M C5 50U C7 0.1u C9 0.1u C8 47U T5T7 T6 D3 D4 R3 3.3K R15 100 TRIG 2 Q 3 R 4 CVolt 5 THR 6 DIS 7 VCC 8 GND 1 IC10 TRIG 2 Q 3 R 4 CVolt 5 THR 6 DIS 7 VCC 8 GND 1 IC11 T8 RD TP C6 0.01U R16 3.3K B1 3.3K 3.3K 9014 9018 9018 9018 vcc T13 图3-3 报警电路 有人走近门时，触摸了TP端(TP端固定在键盘上，其灵敏度非常高，保证电路 可靠的触发)，由于人体自身带的电，使IC10的2脚出现低电平，使IC10的状态发生 翻转，其3脚输出高电平，T5导通(可以通过R12控制T1的基极电流)，其集电极接的 黄色发光二极管D3发光，表示现在电子锁处于待命状态，T6截止，C8开始通过R14 充电，IC2开始进入延时40秒的状态。 开始报警:当用户输入的密码不正确或输入密码的时间超过40秒，IC11的2脚电 位随着C4的充电而下降，当电位下降到1/3Vcc时，3脚变成高电位，T7导通。其集 电极上面接的红色发光二极管D4发亮，表示当前处于报警状态，T8也随之而导通， 使蜂鸣器发声，令贼人生怯，实现报警。 报警结束后，IC10的3脚变成低电平，T5截止，T6导通，强制使强制电路处于 稳态，IC11的3脚输出低电平，使T7，T8截止，蜂鸣器停止报警；或者用户输入的 密码正确，则有开锁电路中的T10集电极输出清除报警信号，解除报警。 3.3 报警次数检测及锁定电路 若用户操作连续失误超过3次，电路将锁定5分钟。其工作原理如下：当电路报 警的次数超过3次，由IC9（74161）构成的3位计数器将产生进位，通过IC7，输出清 零信号送往74161的清零端，以实现重新计数。经过IC8（与门） ，送到IC12（555） 的2脚，使3脚产生5分钟的高电平锁定脉冲（其脉冲可由公式T=1.1RC计算得出） ， 经T9倒相，产生低电平信号送入IC13，使IC13不能开锁，到锁定的目的。电路图如 下图3-4所示。 四川信息职业技术学院毕业设计说明书 第 9 页 共 13 页 TRIG 2 Q 3 R 4 CVolt 5 THR 6 DIS 7 VCC 8 GND 1 IC12 555 P0 3 P1 4 P2 5 P3 6 Q0 14 Q1 13 Q2 12 Q3 11 TC 15 EP 7 ET 10 CP 2 LD 9 RCO 1 RD IC9 74LS161 T9 9018 R19 3.3K C10 68u C11 0.1U R18 5.2M E1 B1 VCC VCC 555 1 2 3 IC8A 74ALS00 图3-4 报警次数检测及锁定电路 3.4 备用电源电路 为了防止停电情况的发生，本电路后备了UPS电源，它包括市电供电电路，停 电检测电路，电子开关切换电路，蓄电池充电电路和蓄电池组成。其电路图如下图 3-5所示。 220V市电通过变压器B降压成12V的交流电，再经过整流桥整流，7805稳压到 5V送往电子切换电路，由于本电路功耗较少，所以选用10W的小型变压器。 图3-5 电源电路 由R8，R9，R6，R7及IC14构成电压比较器，正常情况下，V+V- IC14输出高电平，由 T3，T4构成的达林顿管使继电器J开启，将其常开触电将蓄电池和电路相连，实现市 电和蓄电池供电的切换，保证电子密码锁的正常工作（视电池容量而定持续时间） 。 其电路图如下图3-6所示。 四川信息职业技术学院毕业设计说明书 第 10 页 共 13 页 R8 50K R9 40K R7 30K R6 20K T3 9018 R10 5.1K T4 9014 1 2 3 IC14 741 5V A1 A2 5V A1 A2 VCC 图3-6 停电检测及电子开关切换电路 T1，T2构成的蓄电池自动充电电路，它在电池充满后自动停止充电，其中D1亮 为正在充电，D2为工作指示。由R4，R5，T1构成电压检测电路，蓄电池电压低， 则T1，T2导通，实现对其充电；充满后，T1，T2截止，停止充电，同时D1熄灭， 电路中C4的作用是滤除干扰信号。其电路图如图3-7所示。 R5 470 R2 3K R1 3K T1 9014D2D1 C4 0.1U 3CG21 R4 3K 6V A26V 图3-7 蓄电池自动充电电路 四川信息职业技术学院毕业设计说明书 第 11 页 共 13 页 总 结 以上为实习期间所设计的电子密码锁电路，它经过多次修改和整理，是一个比 较不错的设计，可以满足人们的基本要求，但因为水平有限，此电路中也存在一定 的问题，譬如说电路的密码不能遗忘，一旦遗忘，就很难打开，这可以通过增加电 路解决，但过于复杂，本次设计未应用于其中；用开关作74LS112的CLK脉冲，不 是很稳定，可以调换其它高速开关或计数脉冲；电路密码只有16种可供修改，但由 于他人不知道密码的位数，而且还要求在规定的时间内按一定的顺序开锁，所以他 人开锁的几率很小；电路中未加显示电路，但可通过其它数字模块实现这一功能。 这需要一段时间的进一步改进，如果有好的意见，希望老师给以支持。 通过本次毕业设计，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， 同时设计也锻炼了我个人的动手能力：能够充分