数字电子技术课程设计-密码锁.doc

精品文档 *实践教学* 兰州理工大学计算机与通信学院2012年秋季学期 数字电子技术 课程设计题 目： 电子密码锁的设计 专业班级： 计算机二班 姓 名： 温天波 学 号： 10240220 指导教师： 李睿 成 绩： 33欢迎下载33欢迎下载33欢迎下载。 摘要 进入21世纪，随着人们生活水平的提高，怎样实现各种防盗问题也变得尤其突出，传统的机械锁由于其结构的简单，被盗的事件屡见不鲜。在日常的生活中，住宅与部门的安全防范、单位的保密文档和简易的保险箱，都采用加密的方式来实现。数字密码锁具有低成本、低功耗、安全性高、易操作等优点关键字：自锁；密码存储；触发脉冲；编码器 前言 电子密码锁，主要由三个部分组成：数字密码输入电路、密码锁控制电路和密码锁显示电路。作为电子密码锁的输入电路，可供选择的方案有数字机械式键盘和触摸式数字键盘等多种。该系统可以分成三部分来设计，数字密码输入部分、密码锁控制电路和密码锁显示电路。作为密码锁的输入部分，本设计采用通用数字机械键盘。密码锁输入电路：包括时序产生电路、键盘扫描电路、键盘译码电路等几个小的功能电路。密码锁控制电路包括按键数据的缓冲存储电路发生电路)，密码核对(数值比较，解锁电路(开/关门锁电路)等几个小的功能电路。七段数码管显示电路将待显示数据的BCD码转换成数码器的七段显示驱动编码。因此以此为基础设计电子密码锁。 目录1.前言12.总体方案设计22.1 方案比较22.2 方案论证32.3 方案选择33.单元模块设计43.1各单元模块功能介绍及电路设计43.2 电路元件选择和参数计算123.3特殊器件的介绍133.4各单元模块的联接144.软件简介165.系统调试175.1 仿真电路总图175.2 系统仿真参数设置175.3 功能调试176.系统功能、指标参数246.1系统能实现的功能246.2系统指标参数测试246.3 系统功能及指标参数分析247.结论258.总结和体会269.谢辞2710参考文献28附录：系统仿真总图291.1目的：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。1.2意义:本设计的意义在于通过数字电子密码锁解决传统机械锁的不安全性等问题，有效地防止盗窃等事件的发生，并且对盗窃事件有提醒报警的功能。1.3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。1.4要解决的问题：在许多电子密码锁的设计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。1.5方法和手段：本次课程设计采用了4532对密码进行编码，74LS194对输入的密码进行片选输入，4508对密码进行锁存，555构成的单稳态定时和555构成的多谐振荡器来设置报警声的频率，从而报警。1.6成果：本次设计适合大部分城市居民区的单元层的防盗门，电路简单，成本低廉，易于大范围推广使用。 在下面章节中将简单介绍电子密码锁各部分模块的工作原理和调试。2. 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。 2.1 方案比较2.1.1 方案一 自锁报警电路5s定时电路20s定时电路输入按钮开关输入锁存电路锁装置开锁控制电路密码存储电路 图2.1 方案一的原理框图方案一原理为：在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，当第一个密码按下时触发5s定时，5s定时完自锁住按钮开关使其不能再输入密码，密码输入到输入锁存电路中和已存储的密码进行密码比较若密码正确则开锁，若密码不正确触发20s定时报警。2.1.2 方案二20s定时电路5s定时电路输入按钮开关报警电路 自锁复位输入锁存电路锁装置开锁控制电路密码存储电路设置按钮开关确认 图2.2 方案二的原理框图方案二原理为：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。2.2 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，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。2.3 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。3. 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。3.1各单元模块功能介绍及电路设计3.1.1 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图3.2所示。 图3.3 密码设置总电路3.1.2 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。3.1.3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.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-4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-4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分别控制4个4508的STB端和4511的LE端。 图3.8 74HC194构成的片选电路 图3.9 整个密码输入锁存电路3.1.4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.结构框图结果与输入次数相与密码比较 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,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3.1.5 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。报警多谢震荡器20s定时5s定时3.结构框图 图3.12定时报警模块框图4.protues仿真电路及原理首先，解决5s内密码未输入完成自锁复位和报警，为解决该问题，画出时序图如下： 图3.13 时序图其中D触发器D端接密码密码比较结果输出端06取反后的结果。CP端接5s定时单稳态输出3端取反,5s结束后CP得到有效脉冲。Q端为输出信号到20s定时4端。如下图所示： 图3.14 555定时报警电路（一）其次，解决5s内密码输入错误20s报警和输入正确不报警。解决方案和上面一样。仅将D触发器的CP脉冲改接在确认按钮后。具体555报警电路如图3.15和图3.16所示。 图3.15 555定时报警电路（二） 图3.16 555定时报警电路3.1.6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：LED指示确认自锁键盘5s定时 图3.17自锁开锁模块框图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。 图3.18 开锁和自锁电路3.2 电路元件选择和参数计算3.2.1 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=1.1RC20s定时电路的R为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，其中多谐振荡器公式为：由上述公式计算得R1为100k，R2为21.4k，C为10u。3.2.2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1818k210u1036040.01u5455k121.4k23.3k410k103.3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、主要参数和使用方法作相应说明。3.3.1 555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 3 18V 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 。 图3.14 555定时器的引脚图555定时器的功能主要由两个比较器决定 。两个比较器的输出电压控制 RS触发器和放电管的状态 。若触发输入端 TR 的电压小于VCC /3,则比较器 A2 的输出为 1, 可使 RS 触发器置 1, 使输出端OUT = 1。如果阈值输入端 TH的电压大于 2VCC /3,同时 TR端的电压大于 VCC /3,则 A1的输出为 1, A2的输出为 0,可将 RS触发器置0,使输出为 0电平 。555定时器功能表和参数表如表3.2和表3.3所示。表3.2 555定时器功能表输 入输 出阈值输入触发输入复位输出放电管* 0 0导通1 1截止10导通1不变不变表3.3 555定时器的参数表参数符号值单位电源电压Vcc16V导致温度（焊接10秒）TLEAD300C功耗PD600mW工作温度范围LM555/NE555 TOPR0 +70-40 +85C储存温度范围TSTG-65 +150C3.3.2 74HC161器件介绍时钟CP和四个数据输入端P0P3清零/MR使能CEP，CET置数PE数据输出端Q0Q3以及进位输出TC. (TC=Q0Q1Q2Q3CET)74HC161功能表如表3.4所示。表3.4 74HC161功能表输 入 输 出 CR CPLD EPETD3 D2 D1 D0 Q3 Q2 Q1 Q0 0 0 0 0 0 1 0 d c b a d c b a 1 1 0 Q3 Q2 Q1 Q0 1 1 0 Q3 Q2 Q1 Q0 1 1 1 1 状态码加1从74LS161功能表功能表中可以知道，当清零端CR=“0”，计数器输出Q3、Q2、Q1、Q0立即为全“0”，这个时候为异步复位功能。当CR=“1”且LD=“0”时，在CP信号上升沿作用后，74LS161输出端Q3、Q2、Q1、Q0的状态分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。3.4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。4. 软件简介Proteus软件是来自英国Labcenter Electronics公司的EDA工具软件,Proteus软件除了其具有和其它EDA工具一样的原理布图,PCB自动或人工布线及电路仿真的功能外, 其革命性的功能是,他的电路仿真是互动的,针对微处理器的应用,还可以直接在基于原理图的虚拟原型上编程,并实现软件源码级的实时调试,如有显示及输出, 还能看到运行后输入输出的效果,配合系统配置的虚拟仪器如示波器,逻辑分析仪等,不需要别的,Proteus为建立了完备的电子设计开发环境。具有4大功能模块。u 智能原理图设计（ISIS）丰富的器件库超过27000种元器件，可方便地创建新元件；智能的器件搜索：通过模糊搜索可以快速定位所需要的器件；智能化的连线功能：自动连线功能使连接导线简单快捷，大大缩短绘图时间；支持总线结构：使用总线器件和总线布线使电路设计简明清晰；可输出高质量图纸。u ProSPICE混合仿真：基于工业标准SPICE3F5，实现数字/模拟电路的混合仿真；超过27000个仿真器件：可以通过内部原型或使用厂家的SPICE文件自行设计仿真器件，Labcenter也在不断地发布新的仿真器件，还可导入第三方发布的仿真器件。 u 独特的单片机协同仿真功能支持主流的CPU类型：如ARM7、8051/52、AVR、PIC10/12、PIC16、PIC18、PIC24、dsPIC33、HC11、等。u 实用的PCB设计平台 先进的自动布局/布线功能；支持器件的自动/人工布局；支持无网格自动布线或人工布线；支持引脚交换/门交换功能使PCB设计更为合理；完整的PCB设计功能；可以输出多种格式文件。 5. 系统调试简单说明对系统的一些模块用仿真软件进行了具体的调试。5.1 仿真电路总图见附录。5.2 系统仿真参数设置在系统调试之前，我们需要对系统进行参数设置，如表5.1所示。表5.1系统仿真参数序号编号参数序号编号参数序号编号参数1R110K22R243.3K45U27-3074HC1602R210K23R2536046U16:A74LS043R310K24R263.3K47U22:B40134R410K25R2736048U9:A74LS045R510K26R283.3K49U18-21OR6R610K27C110u50U32:A74087R710K28C20.01u51U4-774HC45118R810K29C310u52U23-2674HC45119R910K30C40.01u53U34-3774LS8510R1010K31C510u54U39:A450811R1510K32C60.01u55U2;A450812R1710K33C1110u56U2:B450811R2910K34C120.01u57U3:A450812R121818K35C1310u58U33:A74LS2113R13100K36C140.01u59U10-14NE55514R1421.4K37C1510u60LS1SOUNDER15R181818K38C2110u61LS2SOUNDER16R19100K39C2210u62D1LED-BIRY17R2021.4K40C2310u63D2LED-BIRY18R11455K41C2410u19R2136042U24:A401620R223.3K43U36:B401321R2336044U22:A40135.3功能调试5.3.1定时报警模块的仿真调试调试目的调试5s定时和20s的时间准确度。调试内容用示波器观察555定时器中5s和20s定时。 调试电路如图5.1所示。图5.1 定时模块调试电路调试结果 如图5.2和图5.3所示。图5.2 5s定时电路示波器观察图5.3 20s定时电路示波器观察5.3.2密码设置模块的仿真调试调试目的调试密码设置模块的密码设置功能。调试内容设置密码为2345。调试电路如图5.4所示 图5.4 密码输入模块调试电路调试结果 如图5.5所示。图5.5 密码设置电路仿真5.3.3密码输入锁存模块的仿真调试调试目的调试密码输入模块的密码输入功能。调试内容密码输入为3333。调试电路 如图5.6所示。 图5.6 密码输入模块调试电路调试结果如图5.7所示图5.7 密码输入锁存电路仿真5.3.4 密码比较模块调试 调试目的调试密码比较模块的比较功能 调试内容输入正确密码和错误密码时的输出结果 调试电路如图5.8所示 图5.8 密码比较模块调试电路调试结果密码正确时如图5.9所示。图5.9 密码正确时比较结果密码错误时如图5.10所示。 图5.10密码错误时比较结果5.3.5 开锁模块调试调试目的验证开锁模块的指示功能。 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。 调试电路如图5.11所示图5.11 开锁模块调试电路 调试结果正确密码输入时如图5.12所示。图5.12密码正确时调试结果密码错误时如图5.13所示。图5.13密码错误时调试结果6. 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。6.1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。6.2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。6.3 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6.1所示。 表6.1 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1R110K22R243.3K45U27-3074HC1602R210K23R2536046U16:A74LS043R310K24R263.3K47U22:B40134R410K25R2736048U9:A74LS045R510K26R283.3K49U18-21OR6R610K27C110u50U32:A74087R710K28C20.01u51U4-774HC45118R810K29C310u52U23-2674HC45119R910K30C40.01u53U34-3774LS8510R1010K31C510u54U39:A450811R1510K32C60.01u55U2;A450812R1710K33C1110u56U2:B450811R2910K34C120.01u57U3:A450812R121818K35C1310u58U33:A74LS2113R13100K36C140.01u59U10-14NE55514R1421.4K37C1510u60LS1SOUNDER15R181818K38C2110u61LS2SOUNDER16R19100K39C2210u62D1LED-BIRY17R2021.4K40C2310u63D2LED-BIRY18R11455K41C2410u19R2136042U24:A401620R223.3K43U36:B401321R2336044U22:A40137. 结论用protues仿真软件进行设计的数字密码锁，如同在实验室连接线路，且不受元件的限制。能够充分的发现问题，进行修改。对设计要求可以尽可能地实现并且扩展。本次设计中能够实现密码锁的基本功能，并且设有复位键，能够在普通的，安全性要求不是太高的设备中投入使用。但是在日常中还有一些问题，比如防止密码渗透，设置密码输入错误三次后自锁。不能再开锁。还有本设计的定时工作中两片555定时器构成的20s定时电路有重复工作区，造成了能源浪费，这是一个缺点。在以后设计的电子密码锁这两个问题需要解决，使功能更