数电综合设计-电子密码锁的设计.doc

昆明理工大学
数字电路与系统
课程设计报告

题 目： 电子密码锁的设计
学 院： 理 学 院
专业班级：
姓 名：
学 号：
指导教师：
完成时间： 201 年5月26日

2

目录
目录 1
1、 前 言 2
2.总体方案设计 2
2.1 设计目的 2
2.2 技术指标 2
2.3 方案框图 2
3. 单元模块设计 3
3.1.1 密码设置模块设计 3
3.1.2 矩阵键盘模块设计 4
3.1.3密码输入锁存模块 5
3.1.4密码比较模块 6
3.1.5定时报警模块（该模块还有一些问题，有待改进） 7
3.1.6开锁模块 9
3.2电路元件选择和参数计算 10
3.3.1 555定时器介绍 10
3.3.2 74HC161器件介绍 11
3.3.3移位寄存器74HC194介绍 12
3.4各单元模块的联接 12
4 仿真电路总图 13
4.1密码设置模块的仿真调试 13
4.2密码输入锁存模块的仿真调试 14
4.3密码比较模块调试 15
5、总结和体会 2
6、参考文献 2

1.前 言
社会发展，人们生活水平提高，传统的机械锁由于其构造的简单，被撬的事件时常发生，电子密码锁由于其保密性高，使用灵活性好，并且可以减少人们日常忘带钥匙的所带来的麻烦，因此受到了广大用户的喜爱。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、键盘译码电路等电路。密码锁控制包括密码核对(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。以此为基础设计电子密码锁。
2.总体方案设计
2.1 设计目的
基于数字逻辑课程的学习，初步掌握了简单组合电路和时序电路的设计与功能，通过这次大作业，主要培养理论知识结合实践的综合性能力，进一步理解基本逻辑门，触发器，计数器，寄存器，等的功能特性和实际作用，在已知芯片功能的基础上，通过课外知识的拓展，对所学知识有更深刻和全面的认识。具体有以下几点：
1、巩固和加深对数字电路基本知识的理解，提高综合运用本课程所学知识的能力。
2、培养根据设计需要选学参考书籍，查阅相关手册、图表和文献资料的自学能力。
3、通过电路方案的分析、论证和比较，设计计算和选取元器件、电路组装、调试和检测等环节，初步掌握简单实用电路的分析方法。
4、学会简单电路的实验调试和性能指标的测试方法，提高进行数字电子电路实验的基本技能。
2.2 技术指标
1、设计一个数字锁，每把锁都有其预先设定好的（四位十进制数）开锁密码，在一个开锁控制信号作用下用该密码可以打开锁；
2、开锁时，其预先设定好的（四位十进制数）代码与（四位十进制代码）开锁密码信号相符，且开锁控制信号有效时，锁打开；
3、若不符，电路将发出报警信号；
2.3 方案框图
通过查阅大量资料，并结合自己的实际知识，我主要提出以下技术方案来实现系统功能。下面我将对方案的组成框图和实现原理进行说明。

输入按钮开关
报警电路
5s
定时电路
20s
定时电路

输入锁存电路

开锁控制电路
锁装置
密码存储电路

图2.3 方案框图

方案原理为：在输入按钮开关处输入密码，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。

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、
定时模块以及开锁模块。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,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。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。注：各个芯片功能表见3.3。

图3.2 密码设置和显示总电路

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
注：按钮后，R前为输出端，按钮上面对于的数字即为输入相应的数。

图3.3 按键区总电路
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3.4 密码输入模块框图
4.protues仿真原理及电路图
1、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。如下图所示。

2、由于键盘为一组，而要输入四位密码，本设计中用到了74HC194构成的右移的移位寄存器，从而控制了四位密码输入、四个锁存器和译码显示器的工作。
图中2、4、6、12输出端分别控制4个4508的STB端和4511的LE\STB端。

图3.5

图3.6 整个密码输入锁存电路并显示
3.1.4密码比较模块
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3.7 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。

图3.8 密码比较电路
3.1.5定时报警模块（该模块还有一些问题，有待改进）
1.该模块主要想实现定时报警，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。
3.结构框图
报警
多谐震荡器
20s定时
5s定时

图3.9定时报警模块框图
4.protues仿真电路及原理

图3.10 555 5s定时电路

图3.10 555 20s定时电路

图3.11定时报警模块框图
3.1.6开锁模块
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。
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

图3.17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。

图3.12开锁电路
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=1.1RC
20s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。
3.3特殊器件的介绍
3.3.1 555定时器介绍
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3.13 555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3.13和表3.14所示。
表3.13 555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

1
0
导通

1
不变
不变
表3.14 555定时器的参数表
参数
符号
值
单位
电源电压
Vcc
16
V
导致温度（焊接10秒）
TLEAD
300
°C
功耗
PD
600
mW
工作温度范围
LM555/NE555
TOPR
0 ~ +70
-40 ~ +85
°C
储存温度范围
TSTG
-65 ~ +150
°C
3.3.2 74HC161器件介绍
时钟CP和四个数据输入端P0~P3清零/MR、使能CEP，CET、置数PE、数据输出端Q0~Q3
以及进位输出TC. (TC=Q0•Q1•Q2•Q3•CET)
74HC161功能表如表3.15所示。
表3.15 74HC161功能表
输 入
输 出
CR
CP
LD
EP
ET
D3
D2
D1
D0
Q3
Q2
Q1
Q0
0
Ф
Ф
Ф
Ф
Ф
Ф
Ф
Ф
0
0
0
0
1
↑
0
Ф
Ф
d
c
b
a
d
c
b
a
1
↑
1
0
Ф
Ф
Ф
Ф
Ф
Q3
Q2
Q1
Q0
1
↑
1
Ф
0
Ф
Ф
Ф
Ф
Q3
Q2
Q1
Q0
1
↑
1
1
1
Ф
Ф
Ф
Ф
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= Q0·Q1·Q2·Q3·CET。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。
3.3.3移位寄存器74HC194介绍
74HC194是4位双向移位寄存器，最高时钟频率为36MHZ。它具有并行输入、并行输出，左移和右移的功能。这些功能均能通过模式控制端S0、S1来控制。74HC194功能表如表3.16所示。
表3.16 74HC194功能表
S0
S1
功能
0
0
保持
0
1
右移
1
0
左移
1
1
并行置数
在ABCD端送入4位二进制数，并使S0=S1=1时，该4位二进制数同时并行输入至寄存器。当CP到来后，在CP上升沿的作用下，4位二进制数并行输出；若S1=0，S0=1时，则该4位二进制数被串行送入到右移数据输入端D，在CP上升沿作用下，同步右移；若S0=1，S1=0，数据同步左移；若S1= S0=0，寄存器保持。
3.4各单元模块的联接
以上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。
（4）开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。
具体联接关系见电路总图。
4 仿真电路总图

4.1密码设置模块的仿真调试
4.1.1调试内容
设置密码为1769。
4.1.2调试电路及结果
如图4.1所示

图4.1 密码设置电路仿真
4.2密码输入锁存模块的仿真调试
4.2.1调试内容
密码输入为1769。
4.2.2调试电路及结果
如图4.2所示。

图4.2 密码输入模块调试电路

4.3密码比较模块调试
4.3.1 调试内容
输入正确密码和错误密码时的输出结果
4.3.2调试电路及结果
如图4.3所示(左边是密码错误时，发光二极管不亮，右图为密码正确时，发光二极管显示为黄色)

图4.3 密码比较模块调试电路

5、总结和体会
本次设计中能够实现密码锁的基本功能，由于个人能力和时间有限，未实现某些较为合理的功能比如：可以加入密码输入次数检测电路，密码输入三次错误，检测到三次报警信号，可以进行电路锁定，以防他人恶意开锁等。尽管还有一些小的问题没有解决（定时报警电路中还存在一些问题），但是我对此次课程设计收获很大。这也是从校园走向工作岗位必须经历的吧，从理论到实践的环节。通过这次课程设计，我们进一步发现了自己的不足，也找到了自己前进的方向。在这次课程设计中，经过三周的查找资料、对电路的分析及仿真等操作，首先加深了我们对数电、模电、电路分析等知识的理解，巩固了我们的学习知识，有助于我们今后的学习和工作；其次，初步学会了对一些仿真软件的使用，如Protues的一些基本使用方法等；最重要的是，在这次课程设计中，理论联系实践能力、对数电知识的分析应用能力等有了相当大的提高，并且培养了我们独立思考问题解决问题的能力。而且，对毕业设计等也打下了良好的基础。
6、参考文献
[1] 王兢. 数字电路与系统[M]. 北京: 电子工业出版社出版，2007
[2] 黄继昌. 实用报警电路[M]. 北京：人民邮电出版社，2005
[3] 【日】汤山俊夫著；彭军译。.电路设计与制作- 北京：科技出版社，2005
[4] Proteus电子线路设计制版与仿真 清华大学出版社出版
附：proteus仿真电路图。