数字电子密码锁的设计.docx
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数字电子密码锁的设计
南宁学院
毕业设计任务书
课题名称数字电子密码锁的设计
院系机电学院
专业应用电子技术
班级11应电1班
学号20110103017
姓名罗国权
指导教师（签名）左仁合年月日
学院院长（签名）年月日
摘要
在日常的生活和工作中，随着人们生活水平的提高，以及科学的技术不断发展，人们对安全保险器件的要求越来越高。
如何实现家庭防盗这一问题也变的尤其的突出。
为满足人们对锁的使用要求，增加其安全性。
而传统的机械锁构造因为简单，安全性有很大的问题，所以用密码代替钥匙的密码锁应运而生。
由于电子锁其保密性高，使用灵活性好，安全系数高，功耗低，操作起来方便而广受大众喜爱。
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，并且有各种附加电路保证电路能够安全工作，有极高的安全系数。
关键词电子密码锁电压比较器555单稳态电路计数器JK触发器UPS电源。
1绪论
1.1数字密码锁的认识
数字密码锁是一种越来越普及的锁具，在近十年内密码锁得到了飞速发展。
从一般的半导体构成的密码锁，到数字芯片构成的集成电路，防盗技术水平也随之发掌，达到了一个又一个新的高度，密码锁从简单的密码对比功能到现在的密码连续出错报警，使锁具突破了传统的结构和功能，向综合的安全装置演变。
实现了锁具功能的多方面扩展。
随着我国经济的不断的发掌，社会问题也不断的凸现。
夜不闭户的时代对现代的人来说已经变得可望不可及了。
锁具的作用也就显得日益重要。
一个好的锁具不仅可以使现代人更有安全感而且为人们的生活提供了必要的保障。
在这个追求效率与便捷的社会电子密码应运而生，电子密码锁实现了人类之前渴望而无能为力的功能。
不可不说密码说是一种新的突破。
随着社会物质财富的日益增长，安全防盗已成为社会问题。
而锁自古以来就是把守门户的铁将军，人们对它要求甚高，既要安全可靠地防盗，又要使用方便，这也是制锁者长期来研制的主题。
目前国内，大部分人使用的还是传统的机械锁。
然而，眼下假冒伪劣的机械锁泛滥成灾，互开率非常之高。
所谓互开率，是各种锁具的一个技术质量标准，也就是1把钥匙能开几把锁的比率。
经国家工商局、国家内贸局、中国消协等部门对锁具市场的调查，发现个别产品的互开率居然超标26倍。
弹子锁质量好坏主要取决于弹子数量的多少以及弹子的大小，而弹子的多少和大小受一定条件的限制。
此外，即使是一把质量过关的机械锁，通过急开锁，甚至可以在不损坏锁的前提下将锁打开，提供了发展的空间.
1.2数字密码锁应用领域
从目前的技术水平和市场认可程度看，除了键盘式电子密码锁使用最为广泛的是数字式电子密码锁，该产品主要应用于保险箱、保险柜和金库，还有一部分应用于保管箱和运钞车。
键盘式电子密码在键盘上输入，与打电话差不多，因而易于掌握，其突出优点是“密码”是记在被授权人脑子里的数字和字符，既准确又可靠，不会丢失（除了忘记），难以被窃（除非自己泄露）。
但是密码不能太简单，太简单了就容易被他人在键盘上试探出来，或者可能被旁观者窥测出来，造成保密性不足。
当然，密码又不能太复杂，太复杂了可能自己都糊涂了，或者输入密码操作成功率低，造成使用不便。
因此，为了发扬优点、克服弱点，数字式密码也在不断发展中，如“任意设定密码”技术使得被授权人可以根据自己的需要或喜好设定密码，常用常新；而“自动更改密码”技术使得本次输入的密码将自动更改成下次应输入的密码，更改的规律不为他人所知，因而不怕旁观者窥测；独出心裁“键盘乱序显示”技术使得键盘上的固定键位每次显示出的字符不固定，并且显示的窄小角度只能由操作者正面看得到，因而即使旁观者看见操作动作也难以窥测出密码。
在输入密码的过程中，为了限制试探密码的企图，通常输入错误码若干次或若干时间内输入不正确，即“封锁”键盘，不再接受输入操作。
总之，尽管新式电子防盗锁层出不穷，但数字密码防盗锁仍然“老树发新芽”，不仅在市场上居于主流地位，而且，还经常作为其他类型电子防盗锁的辅助输入手段。
当然，以上所说的授权技术再高超，都必须由精良的“锁具”担当承载结部件，实现开启、闭锁的功能，而且承担实体防护作用，抵抗住或尽量延迟破坏行为，让电子防盗锁“软、硬不吃”。
一般情况下，锁具防盗的关键是锁身外壳、闭锁的部件（如伸缩的锁舌或锁栓、锁扣盒锁扣板以及依靠电磁力直接闭锁的电磁部件等）的强度（应有足够的机械强度和刚度，能够承受一定数值、一定方向的静压力和冲击力以及力矩）、锁止型式（能承受某些方式和工具的作用）、配合间隙（防止采用机械的、电子的方法探入锁具内部而被开启）和布局（将薄弱的、与锁的开启直接相关的零部件和电路置于壳体保护之下，并且不易被识别出来）。
1.3数字密码锁的特点
数字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。
当然由于结构不同，各种密码锁都有不同的优缺点，下面来简单介绍一下：
1.多拨式最简单的密码锁，常见於低安全设定的单车锁，使用多个拨圈。
每个圈的中间有凹位。
锁的中心的一条轴，上有数个凸出的齿，用来卡住拨圈。
当拨圈转到正确的密码组合，锁便可以打开。
这种锁是最容易打开的。
很多这类锁根本无需知道密码都能开启。
除非它的内部组件造得完美无瑕，否则只要把轴向外拉，其中一个齿便会比其他更为拉紧拨圈。
这时轮动被拉紧的拨圈，直至听到小小的卡」声，表示这个齿已进入了正确的凹位。
重覆这步骤，很快便可以把锁打开。
2.单一转盘式用在挂锁或匣万上的密码锁可以是只有一个转盘。
转盘推动背后数个平衡碟片或凸轮。
习惯上，开启这种锁时先把转盘顺时针转到第一个数字，然后反时针转第二个数字，如此直至最后一个数字。
凸轮上通常有凹位，当转入正确的密码后，各位成一直线，锁便可以打开。
这种密码锁较为安全，但亦非全无缺点。
例如，部分密码挂锁可以拉紧锁头，然后转动转盘直至不能再动，这样便能把密码找出。
亦有些转盘密码锁的数字之间有特定关系，使到密码的组合可能性大为降低。
廉价的密码挂锁可以用特别的衬片打开，而无需使用密码。
使用在匣万上的密码锁结构较为严密。
有经验的锁匠可以一面旋转转盘，一面使用听筒小心聆听锁内凸轮的声音，判断可能的密码。
3.其他设计有些门锁上有一个数字键盘，开启时按序键入一个数字系列。
这种锁是使用电子控制，常见於办工室内。
优点是只要告诉员工密码便可，无须复制钥匙。
不过，如果有人把密码告诉外人，这锁便形同虚设。
因此这类密码锁的密码需要经常更换才可以。
1.4数字密码锁的未来
随着科技的发展以及人们生活水平的大幅度提高,特别是近几年国内经济的发展以及科学技术的不断发展，防盗的要求也是与日俱增,同时对使用的便捷性也提出了更高的要求,传统的锁防盗效果已经满足不了现代社会的防盗需求,还存在着需要随身带着钥匙,如果钥匙不慎丢失被他人利用,就有可能使不良之人乘虚而入等诸多弊端.因此近几年一种新型的电子密码锁应运而生.电子密码锁运用电子电路控制机械部分,使两者紧密结合，从而避免了因为机械部分被破坏而导致开锁功能失常.大大增加了密码锁得防盗功能。
同时因为电子密码锁不需要携带钥匙,弥补了钥匙极易丢失和仿造的缺陷,方便了锁具的使用.目前，电子密码锁在国外已大量使用，技术已趋于成熟。
在国内这种锁主要出现在保险柜、密码箱、高级宾馆等场所，家居用的较少，究其原因，不外乎有以下几点：
1.价格原因。
现在普通的家庭买一把一般的机械锁，价格在几十到一两百左右，而电子密码锁的价格一般在300元以上，进口的甚至要几千元。
买一把这样的锁对于一些家庭来说，是很难接受的。
2．厂商推广的力度不够。
电子密码锁属于高科新产品，许多的用户根本不知道有这种锁，更不用说拿它与传统的机械锁作比较。
而一般的商场也不会经营这种产品，用户即使想买也难以买到。
3．密码锁自身的不便以及人们的习惯和意识问题。
机械锁普及已久，人们已经习惯了用一把钥匙开一把锁，如果换成密码锁，不符合习惯。
而且，每次开门时都要输入密码，除了需要记忆密码外，还要担心密码被人看见带来的麻烦。
此外，用户还会担心电子锁的电源断电问题，即万一停电或是电池耗尽，会不会打不开锁而进不了屋。
诸如此类的问题给用户带来了很多的不便，再加上大部分人对“互开锁”、“急开锁”现象不了解，对机械锁的安全问题没有足够的重视，使得人们在选择家用锁的时候更倾向于购买传统的机械锁。
4．国内的技术不够成熟。
对一个小康家庭而言，买一把价钱在一千元以内的国产的电子密码锁，并不是什么难事。
但是人们都希望买一把可靠性、安全性好的锁，如果买回一把电子锁，没用多久就坏了，那还不如买机械锁方便。
至于进口的锁，价钱昂贵，一般用户难以接受。
目前在国内，电子锁还未大批量生产，技术不成熟更是是一个主要的原因。
如果说市场利用价值最大的莫过于记忆数码锁，它更是代表数字密码锁的前沿，也是发挥最大利用价值的新型锁具之一。
1.5密码锁的发展现状
1.普通密码锁
日常生活中，锁具被广泛使用，锁具的发展大致可分为五个阶段：
（1）古代木质锁；
（2）古代机械锁；（3）近代机械锁；（4）普通的电子密码锁，磁片锁，IP卡锁；（5）未来的家用电子锁，遥控电子锁，以及用于特定场合的安全密码锁。
目前最常用的锁是由意大利人设计的机械锁，这种锁结构简单，使用起来方便，而且价格优惠，但在使用中暴露了很多的缺点：
机械锁是靠金属制成的，通过钥匙上的不同齿形和锁芯来配合工作，统计中每四千把锁中就会有两把锁的钥匙齿牙相同或者类似，安全性很低；钥匙一旦丢失，只要捡到钥匙就可以把门打开；机械锁的材料多为黄铜，质地很软，容易损坏。
密码锁采用了密码来代替钥匙，省去了佩戴钥匙的烦恼，从根本上解决了普通门锁保密性差的缺点，例如使用六位密码，则密码组合可有10^5次方。
密码锁根据设计和制作原理差异，分为机械密码锁，电磁/卡片式密码锁，指纹密码锁，电子密码锁等类型。
2.机械密码锁
该型锁将解锁密码以机械装定的形似储存在装置的鉴别机构上，在装置的外围设立密码操作键。
密码输入，产生相应的鉴别，即正确的密码输入，鉴别机构产生开锁动作；错误的密码输入，鉴别机构的部件就会发生错位或者不作出响应。
机械密码采用的机械加工制作，皮实，耐用电磁干扰，外界的异常信号很难启动鉴别机构。
但机械密码锁通畅包括了多个复杂的机、电功能组件，装置微小型化需借助先进的制作技术与装配工艺，制造周期长、成本高，几点接口及测试也有一定的难度。
3.电磁/卡片式密码锁
该型锁类似于机械锁，利用光电耦合或电磁感应的原理，将密钥信息预先置于卡片内，加工好的卡片充当钥匙，开锁时将卡片插入锁内或近距离感应就能将锁打开。
该锁的优点是：
成本较低，授权用户一人一卡，可联微机，有开门记录。
缺点是：
卡片设备有磨损，寿命较短；卡片容易复制，不易双向控制；磁卡内存储的信息容易易因外界磁场干扰而错乱，以致卡片（钥匙）无效。
4.指纹密码锁
该类锁通过检验人员生物特征如指纹等方式来识别开锁。
管理员利用采样控制软件，通过指纹采集仪采集、保存指纹；识别软件以来指纹库识别开锁者的身份，通过外围设备、打印和储存。
指纹具有唯一性和终身不变性的特点，一直被当做身份鉴定的可靠手段，从是否允许非法开启角度来说，安全性极好；但从使用是否方便的角度看，对安装环境和使用者的要求很高，安装位置与使用者身高之间必须满足一定的关系；同一个人，在指纹划伤，眼睛红肿充血，或任何被用于开锁的识别部位有损伤的情况下，可能产生错误识别而无法开锁。
5.电子密码锁
到了80年代，在日本产生了最早的电子密码锁。
随着日本经济复苏，电子行业的快速发展，一些利用简单的门电路设计的密码锁出现了。
这类电路安全性差，容易破解。
到了90年代，美国、意大利、德国、日本、加拿大、韩国以及我国的台湾、香港等地的微电子技术的进步和通信技术的发展为密码锁提供了技术上的基础，从而推动密码锁走向实际应用的阶段。
我国于90年代初开始对密码锁进行初步的探索。
到目前为止，在此领域、虽已有较大的发展，采用各种电路进行设计的比较多，技术也相当先进，但是，我们必须正视的一个事实是，出口产品中高档产品只占%15~%20，而我国高档产品在发达国家也只能算是中档产品，价格是普通现象。
此外，我国目前的出口产品，与国外产品相比，无论是品牌知名度还是产品售价，我国产品有着非常大的差距。
电子技术发展至今已达到相当高的水平，电子密码锁技术已非常成熟。
家庭、宾馆已开始使用电子门，贵重物品、机密文件的保管也用到了电子密码锁，电子密码锁控制器在现场与传感器及执行机构相连，进行状态监视和完成控制功能。
小型便携的新型装备，可广泛应用在各个场合其结构简单、造价低廉、安全性好。
通常电子密码锁系统由电路部分和机械执行部分组成。
电路部分有利用密码锁ASIC（专用集成电路）芯片控制、利用单片机控制以及逻辑门电路构成等多种方式。
在现有的电子密码锁中，基本上是用户由键盘通过接口电路将意图解锁码输入到控制器（主要由CPLD组成）中，控制器将输入的密码与电子锁内预置的开锁密码进行比较、鉴别，当确认完全一致时，送出一个信号给功率放大器，然后由继电器带动机械执行部件开锁。
输入的密码将被与电子锁内预置的开锁密码进行比较。
2总体方案设计
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。
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
3设计原理分析
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1所示：
图1键盘输入、密码修改、密码检测、开锁、执行电路
开关K1~K9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IC1~IC4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IC1~IC4，实现清零。
密码修改电路由双刀双掷开关S1~S4组成（如图2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向左，S4向右，即可实现密码的修改，由于输入的密码要经过S1~S4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。
1458RD
图2密码修改电路
由两块74LS112（双JK触发器，包含IC1~IC4）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，IC2~IC3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，以节电。
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所示
图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，C4开始通过R14充电（充电时间是40秒,此时为用户输入密码的时间，即用户输入密码的时间不能超过40秒，否则电路就开始报警,由于用户经常输入密码，而且知道密码，一般输入密码的时间不会超过40秒），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（即40秒延时结束时候）,3脚变成高电位（延时时是低电平）,通过R15使（R15的作用是为了限制T7的导通电流防止电流过大烧毁三极管）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.
停止报警:
当达到了80秒的报警时间，IC10的6,7脚接的电容C5放电结束,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，送至T12（PNP），T12导通，强制使T7基极至低电位，解除报警信号。
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，送IC6输入端，使IC6输出低电平，使IC13不能开锁，到锁定的目的。
电路图如下图4所示：
图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5所示：
图5电源电路
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。
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6所示：
图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7所示：
图7蓄电池自动充电电路
4总结与体会
虽然这个电路经过多次修改和整理，还是存在一定的问题，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，本次设计未考虑；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。
在没有做课程设计以前，觉得课程设计只是对知识的单纯总结，但是通过这次课程设计发现自己的看法有点太片面，课程设计不仅是对前面所学知识的一种检验，也是对自己能力的一种提高，通过这次课程设计使自己明白了原来的那点知识是非常欠缺的，要学习的东西还很多，通过这次课程设计，明白学习是一个长期积累的过程，在以后的工作和生活中都应该不断的学习，努力提高自己的知识和综合素质。
通过这两周的学习，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，同时实习也段练了我个人的动手能力：
能够充分利用图书馆去查阅资料，增加了许多课本以外的知识。
能对protel99等仿真软件操作，能达到学以致用。
对我们学生来说，理论与实际同样重要，这是我们以后在工作中说明自己能力的一个重要标准。
在整个设计过程中懂得了许多东西，也培养了独立思考和设计的能力，树立了对知识应用的信心，相信会对今后的学习工作和生活有非常大的帮助，并且提高了自己的动手实践操作能力，使自己充分体会到了在设计过程中的成功喜悦。
虽然这个设计做的不怎么好，但是在设计过程中所学到的东西是这次课程设计的最大收获和财富，使我终身受益。
五、致谢
在论文完成之际，我要特别感谢我的指导老师左仁合的热情关怀和悉心指导。
在我撰写论文的过程中，左老师倾注了大量的心血和汗水，无论是在论文的选题、构思和资料的收集方面，还是在论文的研究方法以及成文定稿方面，我都得到了左老师悉心细致的教诲和无私的帮助，特别是他广博的学识、深厚的学术素养、严谨的治学精神和一丝不苟的工作作风使我终生受益，在此表示真诚地感谢和深深的谢意。
在论文的写作过程中，也得到了许多同学的宝贵建议，同时还到许多在工作过程中许多同事的支持和帮助，在此一并致以诚挚的谢意。
感谢所有关心、支持、帮助过我的良师益友。
最后，向在百忙中抽出时间对本文进行评审并提出宝贵意见的各位老师表示衷心地感谢！
5.2参考文献
1、康华光.电子技术基础（第四版）[M].北京:
高等教育出版社,1998
2、梁宗善.新型集成块应用[M].武汉:
华中理工大出版社,2004
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