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电子密码锁数电课程设计

23
2020年4月19日
文档仅供参考，不当之处，请联系改正。
课程设计任务书

学生姓名： 专业班级：
指导教师： 工作单位：
题 目: 《数字电子密码锁》
初始条件：
利用集成集成芯片和门电路等设计一个数字电子密码锁。

要求完成的主要任务: （包括课程设计工作量及其技术要求，以及说明书撰写等具体要求）
（1）设计一个数字电子锁,有其预先设定好的密码，该密码能够修改。
(2) 输入密码按确定键后，若密码正确则锁打开；若密码不正确则电路发出报警信号。任意输入密码而不按确定键的话电路不会有反应。
（3）任意输入密码而不按确定键的话电路不会有反应。
（4）打开的持续时间为Tx，警报持续时间也为Tx，即按下确定键到松开后10秒，按住确定键不放的话一直打开或者报警。

时间安排：
第17周理论讲解,地点:新3-205
第18周理论设计及实验安装调试,地点: 鉴主15楼通信实验室
第19周撰写报告及答辩,地点:鉴主16楼报告厅

指导教师签名： 年 月 日

系主任（或责任教师）签名： 年 月 日

目 录
1 绪论 1
1.1 课程设计的目的 1
1.2 课程设计的任务及要求 1
2 工作原理及方案选择 1
2.1 电路设计的多种方案 1
2.1.1 方案一 2
2.1.2 方案二 2
2.2 电路设计方案的比较 2
3 电路设计及仿真 3
3.1 数字电子密码锁的设计原理框图 3
3.2 各组成部分电路的设计 3
3.2.1 密码输入及验证电路的工作原理 3
3.2.2 密码修改及输出锁定 5
3.2.3 计时模块 6
3.2.4 逻辑组合模块 7
3.3 数字电子密码锁的总电路图 8
3.4 电路参数的选择及计算 8
4 电路软件仿真 10
4.1 开锁的仿真 10
4.2 报警的仿真 10
4.3 数据测试 11
5 电路的安装与调试 14
5.1 焊接电路 14
5.2 总电路的调试 15
5.3 调试中遇到的问题及分析与总结 15
6 心得体会 16
7 附录 17
7.1 仪器仪表电子元器件明细清单 17
7.2参考文献 18

摘 要

电子密码锁是一种经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，经过编程来实现的。其性能和安全性已大大超过了机械锁。其特点如下：
（1） 保密性好，编码量多。随机开锁成功率几乎为零。
（2） 密码可变，用户能够随时更改密码，防止密码被盗，同时也能够避免因人员的更替而使锁的密级下降。
（3）误码输入保护，当输入密码多次错误时，报警系统自动启动。
（4） 无活动零件，不会磨损，寿命长。
（5）使用灵活性好，不像机械锁必须佩带钥匙才能开锁。

Abstract

Electronic locks is a through the password input to control circuit or chips work, so as to control the closing of the mechanical switch, complete the lock, closure of the task of electronic products. There are many kinds of it, there is the simple circuit products, also have the high cost performance based on chip products. Now that are widely used in the electronic locks chips as the core, through the programming to fulfill. Its performance and security has greatly exceed the mechanical lock. The characteristics are as follows:
(1) good secrecy, code more than quantity. Random unlock the success rate is almost zero.
(2) the password variable, the user can change the password, prevent the password is stolen, at the same time it can avoid the replacement for personnel to lock shall fall down.
(3) error input protection, when the input password many errors, alarm system to be automatic startup.
(4) no activity parts, do not wear, long service life.
(5) use flexibility good, not as mechanical lock must wear a key to unlock.

1 绪论
1.1 课程设计的目的
经过对课程的设计掌握电子系统的一般设计方法，掌握模拟IC器件的应用，培养综合应用所学知识来指导实践的能力，为接下来电子信息学习培养兴趣。
1.2 课程设计的任务及要求
初始条件：
利用集成集成芯片和门电路等设计一个数字电子密码锁。
主要任务:
（1）设计一个数字电子锁,有其预先设定好的密码，该密码能够修改。
(2) 输入密码按确定键后，若密码正确则锁打开（此设计用发光二极管S表示锁，锁打开就是点亮发光二极管S）；若密码不正确则电路发出报警信号（用放光二级管J，报警就是点亮放光二级管J）。任意输入密码而不按确定键的话电路不会有反应。
（3）任意输入密码而不按确定键的话电路不会有反应。
（4）打开的持续时间为Tx，警报持续时间也为Tx，即按下确定键到松开后10秒，按住确定键不放的话一直打开或者报警。

2 工作原理及方案选择
2.1 电路设计的多种方案
自己设计制作数字电子密码锁，能够使用各种集成（译码器，555定时器，触发器），也能够采用单片机（如89C51）。由于自己知识范围的限制，而且为了进一步掌握数字电子技术的基本理论及实验调试技术，我在这次课程设计中采用集成芯片及门电路设计数字电子密码锁的设计方法。
2.1.1 方案一
设计选用单片机作为本设计的核心元件，利用单片机灵活的编程设计和丰富的I/O端口，及其控制的准确性，实现基本的密码锁功能。在单片机的外围电路外接输入键盘用于密码的输入和一些功能的控制，外接芯片用于密码的存储，外接LCD显示器用于显示作用。当用户需要开锁时，先按键盘开锁键之后按键盘的数字键0－9输入密码。密码输完后按下确认键，如果密码输入正确则开锁，不正确显示密码错误重新输入密码，当三次密码错误则发出报警。除上述基本的密码锁功能外，声光提示等功能，依据实际的情况还能够添加遥控功能。
2.1.2 方案二
设计选用各种集成芯片作为本设计的核心元件，采用逻辑开关及译码器组成密码输入部分。D触发器与密码输入部分不同的接线方式可修改密码。555定时器构成单稳态触发器产生触发信号触发开锁或者报警。
2.2 电路设计方案的比较
方案一：用51单片机实现，其优点是硬件电路简单，功能很多，拓展方便，编程设计灵活多样和I/O端口丰富，控制准确。可是单片机要求知识广泛，需要对硬件有较好的认识和一定的编程能力。再者，单片机加上外围的设备费用要比单用集成芯片打。
方案二：用各种集成芯片及门电路来设计，优点是电路理解轻松，设计比较顺畅，用已有的知识就能够设计。可是电路连线比较繁杂，需要一些逻辑器件，智能化大大降低，而且能拓展的功能比较少。
3 电路设计及仿真
3.1 数字电子密码锁的设计原理框图

密码验证模块

计时模块
开锁信号
报警信号
密码输入
确定输入

逻辑组合模块

修改密码
锁住输入

图3.1.1 数字电子密码锁的设计原理框图
3.2 各组成部分电路的设计
3.2.1 密码输入及验证电路的工作原理
此模块主要是用输入键盘和74LS138实现，输入键盘为六个逻辑开关;74LS138为3线-8线译码器,它的真值表如表3.2.1

表3.2.1.1 74LS138真值表
输入
输出
G1
~G2A+~G2B
C B A
Y0 Y1 Y2 Y3 Y4 Y5 Y6 Y7
0
X
X X X
1 1 1 1 1 1 1 1
X
1
X X X
1 1 1 1 1 1 1 1
1
0
0 0 0
0 1 1 1 1 1 1 1
1
0
0 0 1
1 0 1 1 1 1 1 1
1
0
0 1 0
1 1 0 1 1 1 1 1
1
0
0 1 1
1 1 1 0 1 1 1 1
1
0
1 0 0
1 1 1 1 0 1 1 1
1
0
1 0 1
1 1 1 1 1 0 1 1
1
0
1 1 0
1 1 1 1 1 1 0 1
1
0
1 1 1
1 1 1 1 1 1 1 0
由表3.2.1 可知每个输出端为0时都有唯一的输入码，因此能够把G1 ~G2A ~G2B C B A作为密码输入端，与输入键盘相连,共有26=64种输入情况。Y0—Y7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个不同的固定密码能够选。电路连接图如图3.2.1.1。

图3.2.1.1 密码输入
密码和密码选择端对应表如表3.2.1.2
表3.2.1.3 密码和密码选择端对应表
密码设定端的连接
密码
Y0
100000
Y1
100001
Y2
100010
Y3
100011
Y4
100100
Y5
100101
Y6
100110
Y7
100111

3.2.2 密码修改及输出锁定
此模块用的是九逻辑开关，D触发器74LS175。其电路连接如图3.2.2.1。

图3.2.2.1来自555
密码修改及输出锁定电路
该模块是预先选择密码，即译码器的8个输出端口分别连接到逻辑开关8个接口上面，这样就能够实现选择密码的功能，可是密码只有固定的8种。然后D触发器再把密码验证模块送来的验证结果存住。在按下确定键时，单稳态触发器送过来的上升沿使触发器做出反应。如表3.2.2.1 D触发器真值表。
表3.2.2.1 D触发器真值表
输入
输出
CLK
D
Q

0
0

1
1

X
保持

3.2.3 计时模块
此模块选用555电路单稳态的一种变形。如图3.2.3.1 555定时器组成的单稳态触发器。

至74LS175
B

图3.2.3.1 555定时器组成的单稳态触发器
当按钮按下时C2储存的电荷经过S10泄放，2脚TRI受低电平触发，555置位，3脚输出高电平(Tx≈1.1R1C2)。松开按钮后，定时即开始，此时电源经过电阻R1向C2充电，使C2两端电平不断升高，当升至2/3Vcc时，时基电路复位，定时结束，3脚输出低电平。
3.2.4 逻辑组合模块
此模块的两个输入端是接锁定模块的输出端A和计时模块的输出端B。两个输出端分别接开锁指示灯S和报警指示灯J。它们的真值表如表3.2.4.1 逻辑组合模块的真值表。
表3.2.4.1 逻辑组合模块的真值表
A B
S J
0 0
1 1
0 1
0 1
1 0
1 1
1 1
1 0
因此 ，由此能够选用74LS00.实现该模块的逻辑功能A的非直接用74LS175的3引脚输出。其连接图如图3.2.4.2 开锁指示灯S和报警指示灯J逻辑电路图。

图3.2.4.2 开锁指示灯S和报警指示灯J逻辑电路图

3.3 数字电子密码锁的总电路图

图3.3 数字电子密码锁的总电路图
3.4 电路参数的选择及计算
电路所用的集成芯片有3线-8线译码器（），同步D触发器（74LS175），555计时器（LM555CM），2输入与非门（74LS00）。下面各图为其引脚图。

图4.1.1 74LS138引脚图

图4.1.2 74LS175引脚图

图4.1.3 LM555CM引脚图

由公式 Tx≈1.1R1C2 能够算得，为了是开锁和报警时间维持10秒左右，令R1 =1M欧，C2 =10uF。而对于LED连接的电阻，为了使LED能正常发光，能够确定为500欧。
另外，电源为5V。

4 电路软件仿真
4.1 开锁的仿真
预先将译码器的Y0接口和D触发器的D接口连接，即选择密码为000000。输入密码000000（波动逻辑开关S1-S6）后，按一下确认键（S10），便能够看到LED1 亮了，即电路为开锁状态，此绿灯亮持续11秒的时间，这与理论分析一致。若一直按着确认键（S10）不放，则LED1 一直亮，松开确认键（S10）11秒后，绿灯熄灭。这也就证明的，开锁部分仿真成功。如图5.1 开锁仿真。

图4.1 开锁仿真
4.2 报警的仿真
预先将译码器的Y0接口和D触发器的D接口连接，即选择密码为000000。输入密码100000（波动逻辑开关S1-S6）后，按一下确认键（S10），便能够看到LED2 亮了，即电路为报警状态，此红灯亮持续11秒的时间，这与理论分析一致。若一直按着确认键（S10）不放，则LED2 一直亮，松开确认键（S10）11秒后，红灯熄灭。这也就证明的，报警部分仿真成功。如图5.2 报警仿真。

图4.2 报警仿真

4.3 数据测试
密码选择端选择Y7时，可知道密码为100111。测试的数据如下表5.3 密码选择端Y7对应的测试数据。
表4.3 密码选择端Y7对应的测试数据
密码输入
信号灯
1
2
3
4
5
6
S
J
0
0
0
0
0
0
暗
亮
0
0
0
0
0
1
暗
亮
0
0
0
0
1
0
暗
亮
0
0
0
0
1
1
暗
亮
0
0
0
1
0
0
暗
亮
0
0
0
1
0
1
暗
亮
0
0
0
1
1
0
暗
亮
0
0
0
1
1
1
暗
亮
0
0
1
0
0
0
暗
亮
0
0
1
0
0
1
暗
亮
0
0
1
0
1
0
暗
亮
0
0
1
0
1
1
暗
亮
0
0
1
1
0
0
暗
亮
0
0
1
1
0
1
暗
亮
0
0
1
1
1
0
暗
亮
0
0
1
1
1
1
暗
亮
0
1
0
0
0
0
暗
亮
0
1
0
0
0
1
暗
亮
0
1
0
0
1
0
暗
亮
0
1
0
0
1
1
暗
亮
0
1
0
1
0
0
暗
亮
0
1
0
1
0
1
暗
亮
0
1
0
1
1
0
暗
亮
0
1
0
1
1
1
暗
亮
0
1
1
0
0
0
暗
亮
0
1
1
0
0
1
暗
亮
0
1
1
0
1
0
暗
亮
0
1
1
0
1
1
暗
亮
0
1
1
1
0
0
暗
亮
0
1
1
1
0
1
暗
亮
0
1
1
1
1
0
暗
亮
0
1
1
1
1
1
暗
亮
1
0
0
0
0
0
暗
亮
1
0
0
0
0
1
暗
亮
1
0
0
0
1
0
暗
亮
1
0
0
0
1
1
暗
亮
1
0
0
1
0
0
暗
亮
1
0
0
1
0
1
暗
亮
1
0
0
1
1
0
暗
亮
1
0
0
1
1
1
亮
暗
1
0
1
0
0
0
暗
亮
1
0
1
0
0
1
暗
亮
1
0
1
0
1
0
暗
亮
1
0
1
0
1
1
暗
亮
1
0
1
1
0
0
暗
亮
1
0
1
1
0
1
暗
亮
1
0
1
1
1
0
暗
亮
1
0
1
1
1
1
暗
亮
1
1
0
0
0
0
暗
亮
1
1
0
0
0
1
暗
亮
1
1
0
0
1
0
暗
亮
1
1
0
0
1
1
暗
亮
1
1
0
1
0
0
暗
亮
1
1
0
1
0
1
暗
亮
1
1
0
1
1
0
暗
亮
1
1
0
1
1
1
暗
亮
1
1
1
0
0
0
暗
亮
1
1
1
0
0
1
暗
亮
1
1
1
0
1
0
暗
亮
1
1
1
0
1
1
暗
亮
1
1
1
1
0
0
暗
亮
1
1
1
1
0
1
暗
亮
1
1
1
1
1
0
暗
亮
1
1
1
1
1
1
暗
亮

由表可知，此电路分析结果完全正确，经过选择Y接口能够修改密码。

5 电路的安装与调试
5.1 焊接电路
（1）把芯片插入洞洞板；
（2）分别把各电阻和电容按照电路图插入板，在背面大致确定线路的走向；
（3）安装电压源接口及接地端接口。
（4）焊接，注意安全。
实物如下拍照图5.1 实物拍照

图5.1 实物拍照
5.2 总电路的调试
（1） 把各部分的电路接好，进行整体测试、观察
（2） 针对各阶段出现的问题，逐各排查校验，使其满足实验要求，即能够正常的开锁或者报警。
接上电源后,输入密码,测试,结果与理论分析一致,本次设计是成功的。
5.3 调试中遇到的问题及分析与总结
本设计其电路能够分为5部分：密码输入部分，密码修改部分，密码输出锁定部分，定时器触发部分和开锁/报警逻辑部分。焊接时应该分部分焊接，以便保持思路清晰，焊接顺利，而且能够逐步调试正确性。

6 心得体会
刚开始的时候，由于对理论知识的学习不是很透彻，不知道从哪里开始入手。因此从伍时和老师的《数字电子技术基础》和康华光老师的《电子技术基础（数字部分）》找相关的内容，看了译码器，触发器,计时器等很多内容，从书上的原型有了基本的认识，后来看了谢自美老师的《电子线路设计·实验·测试》后对定时器有了一定的理解。经过网上查阅资料及参考李明喜老师发表的《新型电子密码锁的设计》后决定从本报告的设计方案入手。
画了电路图，算好了参数，我就开始仿真。开始仿真时,明明按照自己设计的电路图来画,可是结果就是与理论的不一样。我查了很久没有结果，于是和同学讨论，而且重新查了各个芯片的引脚图，一对比才知道自己接的线路有一点错误，比如清零端是接高电平还是低电平。经过一天的仿真，我最终把电路成功地设计完善，得到的结果与理论几乎一致。
经过这次课程设计，我对各个集成电路：定时器，触发器，译码器等有了更加深刻的理解，对课程设计有了了解，对自己制作电子设计有了浓厚的兴趣。可是更加深刻的是，我理解了“读万卷书，行万里路”这句话的深刻含义。在以后的专业学习中，我将会注重实践，将理论知识应用到实践中去，以便更好的学习知识。

7 附录
7.1 仪器仪表电子元器件明细清单
名称
型号
数量
2输入端与非门
74LS00
2块
3-8译码器
74LS138
1块
555定时器
LM555CM
1块
同步D触发器
74LS175
1块
发光二极管
LED
2个
杜邦线

1根
插针

1排
芯片插槽
DIP14
1个
芯片插槽
DIP16
2个
芯片插槽
DIP8
1个
万用板
9cm*15cm
1块
电阻
2M
1个
电阻
500欧
2个
电容
10uf
1个
电容
0.047uf
1个
按钮

1个
拨动开关
单刀双掷
6个
二极管

1个

7.2参考文献
（1）《电子线路设计·实验·测试》 第三版，谢自美 主编，华中科技大学出版社
（2）《数字电子技术基础》伍时和 主编，清华大学出版社
（3）《电子技术基础（数字部分）》第五版，康华光 主编，高等教育出版社
（4）《新型电子密码锁的设计》李明喜
（5）《数字电路逻辑设计》第二版，王硫银 主编，高等教育出版社
（6）《555时基电路原理、设计与应用》]叶桂娟 主编，电子工业出版社

本科生课程设计成绩评定表
姓 名

性 别

专业、班级

课程设计题目：
课程设计答辩或质疑记录：

成绩评定依据：

最终评定成绩（以优、良、中、及格、不及格评定）

指导教师签字：

年 月 日