CAD电子密码锁.doc

电气信息学院

《电气与电子线路CAD》
课程设计（学年论文）说明书

课题名称 电子密码锁的设计
学生学号 1304201118
专业班级 13电气1班
学生姓名 谢潇坤
学生成绩
指导教师 易先军、曾丽

2015年12月21日至12月27日

填写说明：
1. 一、二、三项由指导教师在课程设计（学年论文）开始前填写并交由学生保管；
2. 第四项由学生在完成课程设计后填写，并将此表与课程设计说明书一同装订成册交给指导教师；
3. 成绩评定由指导教师按评定标准评分。
4. 此表格填写好后与正文一同装订成册。

一、课程设计任务和基本要求：
1、设计任务
功能： 设计一种电子密码锁，该系统通过4×4的矩阵键盘输入或设定开锁密码，采用LED数码管或LCD显示。可扩展通过特殊按键清除用户密码，按键输入时LCD只显示字符个数[显示为*****]。
任务：该设计要求根据功能要求提出电子密码锁的设计方案，设计出系统原理图，并进行参数计算和元器件选择，了解电路的工作原理，绘出电子密码锁的原理图及PCB图。
2、基本要求
绘图设计要求：
(1) 画出电子密码锁完整的原理图。
(2) ERC电气规则检测。
(3) 创建项目元件库文件，生产网络表及元件清单。
(4) 画出所设计电路的PCB图,包括规划PCB板子大小、元器件
布局以及布线，布线方法则可根据具体情况使用自动布线（手工调整）或者手工布线两种不同方式，生成项目元件封装库。
(5) 原理图中至少有2个自建元件符号，PCB中至少有2个自建封装元件。
设计报告要求：
(1) 纸质档设计报告，报告应包括以下内容：设计任务书、摘要、目录、正文、参考文献。
(2) 电子档，包括自建原理图元件库、原理图、ERC、网络表、元件清单、自建元件封装库、PCB图、DRC、项目元件封装库等。

Ⅰ

二、进度安排：

12月21号：下达设计任务。
12月21号～12月22号：设计原理图。
12月23号：确定PCB板参数和元件封装类型。
12月23号～12月24号：设计PCB版图。
12月25号～12月26号：撰写报告
12月27号 ：答辩。

三、主要参考资料及主要参考文献：

[1] 邵群涛. 电气制图与电子线路CAD[M].北京：机械工业出版社，2005

[2] 老虎工作室. 电路设计与制版--Protel99入门与提高[M].北京：人民邮电出版社,2001
[3] 老虎工作室. 电路设计与制板-- Protel 99 SE高级应用[M].北京：人民邮电出版社,2001
[4] 谷树忠，刘文洲，姜航. Altium Designer教程[M].北京：电子工业出版社，2012

Ⅱ

四、答辩记录：
1、在设计过程中遇到的问题及解决方案（至少2个）。
（1）C1、C2 has no drive

解决方案：将原理图和PCB放在同一工程和文件夹

（2）部分元件生成不了PCB

解决方案：制作封装图，在原理图的器件上双击，在右下方添加封装图形

2、

2015 年 月 日
Ⅲ

课程设计评审标准（指导教师用）
评价内容
具 体 要 求
权重
调查论证
能独立查阅文献和从事其他调研；能提出并较好地论述课题的实施方案；有收集、加工各种信息及获得新知识的能力。
0.1
实践能力
能正确选择研究（实验）方法，独立进行研究工作。如装置安装、调试、操作。
0.2
分析解决问题能力
能运用所学知识和技能去发现与解决实际问题；能正确处理实验数据；能对课题进行理论分析，得出有价值的结论。
0.2
工作量、工作态度
按期圆满完成规定的任务，工作量饱满，难度较大，工作努力，遵守纪律；工作作风严谨务实。
0.2
质量
综述简练完整，有见解；立论正确，论述充分，结论严谨合理；实验正确，分析处理科学；文字通顺，技术用语准确，符号统一，编号齐全，书写工整规范，图表完备、整洁、正确；论文结果有应用价值。
0.2
创新
工作中有创新意识；对前人工作有改进或独特见解。
0.1

Ⅳ

摘 要
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得尤其的突 出，传统的机械锁由于其构造的简单，被撬的事件也屡见不鲜，因此，人们在日常生活中越来越越离不开密码的使用。在人们对安全的重视和科技的发展的同时，许多电子智能锁（指纹识别、IC卡辨认）已相继问世，但这类产品是针对特定指纹或有效卡。另外，卡片式的IC卡易丢失和损坏，加上其成本较高，在一定程度上限制了这类产品的普及和推广。鉴于目前的技术水平和市场的接收程度，电子密码锁是这类电子防盗产品的主流。据51单片机之间的串行通信原理，这便于对密码信息的随机加密和保护。反应速度快、传输效率高、工作稳定可靠。测试结果表明，本系统各项功能已达到本设计的所有要求
关键词：单片机； 电子密码锁； 安全； 成本

Abstract
With the development of living standard, how to ensure guard against theft become a particular problem. Traditional machinery locks being pried-out is not a unusual events. Thus, people get more and more rely on the use of password. Many electronic technological locks (fingerprint identifier, IC identification) have appeared in succession. These machine is aim on special fingerprint or card. What’s more, the IC might get lose or destroyed easily with its high cost, which greatly limit the popularity of these machine in some aspect. For the standard of technology and marketplace reception, electronic password lock is popular during this electronic coded lock. According to the principle of serial communication between 51 single-chip microcomputer, this is easy to encrypt and protect the password information. With its fast response, high transmission efficiency, stable and reliable, Test results show that all the functions of this system have reached all the requirements of the design.

Keywords: single chip SCM ; electronic coded lock ; safe; cost

目 录

1 方案论证
1.1 电气电子线路CAD设计步骤、要点……....................................……………………………………….1
1.2 方案论证选择…….................................................................….…………………………2
1.3 方案设计..................……………………………………….……….................………………………………………3
2 项目元件库
2.1 元件库……........................................……………………………………….4
2.2 封装元件库…….......................................................................………………………………………5
3 原理图设计
3.1 时钟电路设计…….................................................................………………………………………7
3.2 指示信号控制电路........................……………………………………….7
3.3 按键控制电路设计.................................................................………………………………………8
3.4 显示电路设计.................................................................……………………………………………..…..9
3.5 ERC电气规则检测................................……………………………………………….…9
3.6 网络表及器件清单..........................................................………………………………………….……10
4 PCB图设计
4.1 规划PCB板....................................................................……………………………………….………11
4.2 装入网络表及元件……...............................……………………………………….………..........11
4.3 布局及布线……...............................……………………………………….………...................12
5 结论
5.1 设计优劣……...............................……………………………………….………...................13
5.2 感想启发……...............................……………………………………….………...................13
参考文献…….......……………………………………….………...................14
附录1系统原理图..................……………………………………….………...................15
附录2系统PCB图..................…………………………………….………...................16
附录3自建库图形..................……………………………………….………...................17
附录4生成网络表..................……………………………………….………...................19

1

1 方案论证

1.1电气电子线路CAD设计步骤、要点
1、新建一个workspace
新建一个Project
新建一个文件（schdoc、pcbdoc）
2、 schdoc工作环境设置：
图纸图样、背景网格、网格属性
3、元件库的加载（system，desigen/Browse Lib）
4、原理图基本操作（元件放置、连线等，报表建立）
5、原理图元件库的编辑（新建 File/New/SCH..Lib..）
6、原理图到PCB（原理图环境下：Design/Updata PCB…）
7、PCB工作环境
Design/Board Option
Design/Board shape
View/Toolbar/utili….set Origin
8、元器件封装库：
新建库（File/New/Lib../PCB Lib..）
进入PCB库编辑环境（File/Open/*.PcbLib）
9、元件封装的制作（Tools/Comp..Wizard…）
10、PCB设计规则（Design/Ruls）
11、布局、布线、后处理（敷铜等）
12、检查核对

1.2方案论证选择
方案一：采用数字电路控制
采用74LS112双JK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3秒（一般情况下，用户不会超过3秒，若用户觉得不便，还可以修改）电路将报警60秒，若电路连续报警三次，电路将锁定键盘2分钟，防止他人的非法操作。采用数字电路设计的方案好处就是设计简单但控制的准确性和灵活性差。故不采用。

方案二：采用一种是用以AT89C51为核心的单片机控制方案
采用一种是用以AT89C51为核心的单片机控制方案
选用单片机AT89C51 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IO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LED显示器用于显示作用，外接蜂鸣器用于输错三次密码报警，发光二级管用于提示作用。
因为此方案灵活多变，灵活性好，内容丰富且保密性强、还具有扩展功能。因此选择者二方案。

1.3方案设计
（1）硬件方案
根据设计的要求可知，系统的硬件原理框图如图2.1所示。
密码输入
键盘

继电器
驱动电路
LCD
显示电路

单片机

信号输出电路

图1.1 硬件程序设计图

单片机可选用AT89C51，它与8051系列单片机全兼容，但其内部带有4KB的FLASH ROM，设计时无需外接程序存储器，为设计和调试带来极大的方便。南北向和东西向各采用2个数码管计时，同时需要对该方向的指示灯的点亮时间进行倒计时。键盘系统可以根据系统的需要设置不同的键的个数，可以选择线式键盘或矩阵式键盘。
（2）软件方案
根据设计要求，程序框图如图2.2所示。软件可由汇编语言完成，也可由C语言完成。软件设计可以分为以下几个功能
主程序：初始化及键盘监控。
显示程序模块：4个LED数码管的显示驱动，及选位
键盘扫描程序模块：判断是否有键按下，并求取键号
图1.2 软件程序设计图

2 项目元件库

器件
代号
数目
电容
Cap
2
红灯
Led-red
1
蓝灯
Led-blue
1
4位数码管
HDSP-B04E
1
上拉电阻
Hearder 8
1
按钮
Button
16
晶振
XTAL（自建）
1
继电器
Relay-SPDT
1
蜂鸣器
Speaker（自建）
1
单片机
AT89C51
1

2.1元器件的自建
（1）新建原理图元件库：点击file—new—library—schematic。反键点击左边的工程，点击save，将其更换名字并保存
（2）绘制图形：通过上方工具栏或者按P键，绘制图形的样子
（3）添加引脚：选择place—pin，添加引脚。双击引脚，可设置引脚属性
（4）设置属性：点击tools—component properties，设置元件的属性并在右下方点add添加封装图形
（5）保存，反键点左方程序，点击save
自制图形如下图所示

图2.1 晶振自建元件图

图2.2 蜂鸣器自建元件图
2.1元器件封装的自建
（1）新建封装元件库：点击file—new—library——PCB library，并保存，修改名称及保存位置
（2）放置焊盘：在最上方工具栏Place中选择Pad，放置焊盘，双击焊盘弹出属性框可修改焊盘属性，大小形状
（3）绘制图形：点击Place—line，进行画图，画出所需要的图形
（4）设置器件的参考原点：执行命令Edit—set reference—pin 1，元器件一边拿选1脚
（5）点击tools—component properties，设置元件名称及说明
（6）保存：点击工程文件，反键，然后点save
封装图形如下图所示

图2.3 蜂鸣器封装自建图

图2.1 晶振封装自建图

3 原理图设计

3.1时钟电路设计

图3.1 时钟电路

如图3.1所示，采用内部时钟产生方式，在XTAL1 和XTAL2 两端跨接晶体或陶瓷振荡器，与内部反相器构成稳定的自击震荡。其发出的时钟脉冲直接送入片内定时控制部件。

3.2 指示信号控制电路设计

图3.2.指示信号控制电路（a）

图3.2.指示信号控制电路(b)

如图3.3所示，当输入密码正确时，继电器开关改变
当输入密码错误时，红灯亮，蜂鸣器响
当设置密码的时候，黄灯亮；

3.3 按键控制电路设计

图3.3.键盘控制电路

在键盘中按键数量较多时，为了减少I/O口的占用，通常将按键排列成矩阵形式，如图1所示。在矩阵式键盘中，每条水平线和垂直线在交叉处不直接连通，而是通过一个按键加以连接。这样，一个端口（如P1口）就可以构成4*4=16个按键，比之直接将端口线用于键盘多出了一倍，而且线数越多，区别越明显，比如再多加一条线就可以构成20键的键盘，而直接用端口线则只能多出一键（9键）。由此可见，在需要的键数比较多时，采用矩阵法来做键盘是合理的。矩阵式结构的键盘显然比直接法要复杂一些，识别也要复杂一些，上图中，列线通过电阻接正电源，并将行线所接的单片机的I/O口作为输出端，而列线所接的I/O口则作为输入。这样，当按键没有按下时，所有的输入端都是高电平，代表无键按下。行线输出是低电平，一旦有键按下，则输入线就会被拉低，这样，通过读入输入线的状态就可得知是否有键按下了。

功能指令表：
7
8
9
设定密码
4
5
6
无
1
2
3
无
确定
0
DEL
AC
图3.4 键盘清单名

3.4 显示电路设计

图3.5 LED显示电路

如图3.4使用了六个共阴极数码管，使用动态显示技术控制数码管。其6个位选信号与P2.0-P2.5相连，当其中某位为低电平时表示选中该位；8段段选信号与P0口相连，当其中某段为高电平时导通该段，特殊的，由于AT89C51的P0口的驱动能力较弱，不足以驱动数码管点亮，故在此又引入上拉电阻以驱动数码管。
3.5 ERC电气规则检测

图3.5 ERC电气规则检测
修改：将PCB文件与电气图元件放在一个文件工程内，并且将所有不需要的端口接地，使AT89C51的所有端口都被占用

3.6 生成网络表及清单

图3.6 器件清单

图3.7 生成网络表

器件清单表如图3.6所示，点击原理图中的 report—bill of material即可得到
生成网络表见附录，点击design—netlist for projiect—protel即可得

4 PCB图设计

4.1规划PCB板
（1）创建PCB工程文件
选择菜单file—new—projiect—PCB projiect
（2）保存PCB工程文件
选择file—save projiect as，将其存在与原理图同一位置文件夹
（3）利用PCB向导创建PCB
Step1：在PCB左侧工作面板点击file—new from template—PCB Board Wziard
Step2：单击下一步，弹出PCB采用单位
Step3：单击下一步，弹出PCB边框风格
Step4：单击下一步，弹出PCB层数
Step5：单击下一步，弹出PCB过孔风格
Step6：单击下一步，弹出PCB上安装的大多数元件的封装类型和布线逻辑
Step7：单击下一步，弹出导线和过孔尺寸
Step8：单击下一步，完成向导，并保存
（4）规划PCB
Step1：点击菜单中design—layer stack manager，进行板层设计
Step2：点击菜单中design—board layer&color，进行颜色和属性设计
Step3：点击菜单中place—line，画出物理边框

4.2装入网络表及元件
（1激活PCB工作面板
执行design—import changes from
（2）审查器件
检查无误后， validate change是变化生效，单击execute change执行变化，之后就能看到器件在PCB右方

4.3布局及布线
（1）通过移动，旋转器件,将元器件移动到电路板内合适的位置，使电路的布局最合理。同时删除元件盒，单击盒子，然后按delete
（2）执行Place—interacative routing，此时鼠标上为十字形，在单盘处单击鼠标左键开始连线。连线完成后单机鼠标右键结束布线
图4.1 PCB生成图

5 结论

5.1 设计优劣
优点：实原理图清晰易懂
缺点：原理图和PCB图形过于难看，不够美观，器件参数偏差较大

5.2感想启发
实践是检验真理的唯一标准，当然也是检验学习成果的标准。在经过一段时间的学习之后，我们需要了解自己的所学应该如何应用在实践中，因为任何知识都源于实践，归于实践，所以要将所学的知识在实践中来检验。
本次CAD使我更深一步地了解到原理图转变到实物图是件多么困难的事情，大大加深了我对电气知识的了解。过程中充满失败，基本上每做一点都感到十分困难。但凭借老师的期望，晚上熬夜总算有一点点认识，唯一能算成功的莫过于收集了许多元件库。不足之处，到处都是，最明显的莫过于图形凌乱，不够整洁，各部件的参数设定也不够精确
但是越是坎坷的课程设计，得到的东西就越多，通过此次课程设计，使我在没有老师参与的情况下获得了CAD的基础知识，并能稍稍应用，丰富了我对PCD图的认识，为以后的工作和学习提供了极大的帮助。电子锁是信息化时代发展的产物，应时而生，我相信随着科技的不断发展，将来的电子锁一定更加完美，更加人性化，更加便宜，更加安全。

参考文献

[1] 邵群涛.电气制图与电子线路CAD[M].北京：机械工业出版社,2005
[2] 胡汉才.单片机原理与接口技术[M].北京: 清华大学大学出版社,2004
[3] 邵群涛. 电气制图与电子线路CAD[M].北京：机械工业出版社，2005
[4] 老虎工作室. 电路设计与制版--Protel99入门与提高[M].北京：人民邮电出版社,2001
[5] 老虎工作室. 电路设计与制板-- Protel 99 SE高级应用[M].北京：人民邮电出版社,2001
[6] 谷树忠，刘文洲，姜航. Altium Designer教程[M].北京：电子工业出版社，2012

附录1系统原理图

图附1 系统原理图

附录2 系统PCB图

图附2 PCB图

附录3自建库图形

图附3（a） 晶振元件图

图附3（b） 蜂鸣器元件图

图附3（c） 晶振封装元件图

图附3（d） 扬声器封装元件图

附录4 生成网络表
[
C1
RAD-0.3
Cap
]
[
C2
RAD-0.3
Cap
]
[
D1
LED-1
LED-RED
]
[
D3
LED-1
LED-BULE
]
[
DEC
B82793
Button
]
[
DEL
B82793
Button
]
[
DS1
B-88
HDSP-B04E
]
[
K1
MODULE5B
Relay-SPDT
]
[
LS1
PIN2

Speaker
]
[
none
B82793
Button
]
[
num0
B82793
Button
]
[
num1
B82793
Button
]
[
num2
B82793
Button
]
[
num3
B82793
Button
]
[
num4
B82793
Button
]
[
num5
B82793
Button
]
[
num6
B82793
Button
]
[
num7
B82793
Button
]
[
num8
B82793
Button
]
[
num9
B82793
Button
]
[
RP1
HDR1X8
Header 8
]
[
set
B82793
Button
]
[
space
B82793
Button
]
[
U1
DIP-40
AT89C51
]
[
Y1
XTAL
XTAL
]
[
yes
B82793
Button
]
(
VCC
D1-1
D3-1
K1-5
RP1-1
U1-40
)
(
NetC1_2
C1-2
U1-19
Y1-1
)
(
NetC2_2
C2-2
U1-18
Y1-2
)
(
NetD1_2
D1-2
U1-11
)
(
NetD3_2
D3-2
U1-13
)
(
NetDEC_1
DEC-1
none-1
set-1
space-1
U1-8
)
(
NetDEC_2
DEC-2
DEL-2
num0-2
U1-4
yes-2
)
(
NetDEL_1
DEL-1
num3-1
num6-1
num9-1
U1-7
)
(
NetDS1_1
DS1-1
RP1-6
U1-35
)
(
NetDS1_2
DS1-2
RP1-5
U1-36
)
(
NetDS1_4
DS1-4
RP1-4
U1-37
)
(
NetDS1_5
DS1-5
RP1-8
U1-33
)
(
NetDS1_6
DS1-6
U1-24
)
(
NetDS1_7
DS1-7
RP1-3
U1-38
)
(
NetDS1_8
DS1-8
U1-23
)
(
NetDS1_9
DS1-9
U1-22
)
(
NetDS1_10
DS1-10
RP1-7
U1-34
)
(
NetDS1_11
DS1-11
RP1-2
U1-39
)
(
NetDS1_12
DS1-12
U1-21
)
(
NetK1_4
K1-4
U1-10
)
(
NetLS1_1
LS1-1
U1-12
)
(
Netnone_2
none-2
num4-2
num5-2
num6-2
U1-2
)
(
Netnum0_1
num0-1
num2-1
num5-1
num8-1
U1-6
)
(
Netnum1_1
num1-1
num4-1
num7-1
U1-5
yes-1
)
(
Netnum1_2
num1-2
num2-2
num3-2
space-2
U1-3
)
(
Netnum7_2
num7-2
num8-2
num9-2
set-2
U1-1
)
(
GND
C1-1
C2-1
K1-1
LS1-2
U1-9
U1-14
U1-15
U1-16
U1-17
U1-20
U1-25
U1-26
U1-27
U1-28
U1-29
U1-30
U1-31
U1-32
)

26