电子密码锁课程设计报告.docx

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电子密码锁课程设计报告

电子密码锁设计任务书

1、设计目的

（1）掌握电子密码锁工作原理。

（2）熟悉数字集成电路的设计和使用方法。

（3）熟悉Protel/multisim软件的使用。

2、设计任务

（1）用电子器件设计制作一个密码锁，使之在输入正确的代码时开锁。

（2）在锁的控制电路中设一个可以修改的8位代码，当输入的代码和控制电路的代码一致时锁打开。

（3）用红灯亮、绿灯灭表示关锁，绿灯亮、红灯灭表示开锁。

（4）当开锁输入码与密码不一致时发出报警信号。

连续3次输入错误则进入自锁状态。

（5）其他功能可以自行扩展。

3、设计要求

（1）合理的设计硬件电路，说明工作原理及设计过程，画出相关的电路原理图；

（2）选择常用的电器元件（说明电器元件选择的过程和依据）；

（3）进行数字电路仿真；

（4）按照规范要求，按时提交课程设计报告（打印或手写），并完成相应答辩。

4、参考资料

（1）毕满清主编.电子技术实验与课程设计.北京：

机械工业出版社，2005

（2）胡奕涛主编.电子技术实践教程.北京：

北京邮电大学出版社，2007

（3）苏文平，等编着.电子技术实践与制作教程.北京：

国防工业出版社，2007

（4）康华光主编.电子技术基础:

模拟部分.北京:

高等教育出版社,1988

电子密码锁设计报告

一．设计任务和要求3

二．设计的方案的选择与论证3

2.1电路设计的多种方案3

2.2方案论证4

2.3方案选择4

三．电路设计计算与分析5

3.1开关编码电路5

3.2密码存储及显示电路7

3.3密码验证电路10

3.4开关锁报警电路10

3.5密码锁定电路12

四．总结及心得13

五．附录16

5.1电路原理图16

5.2元器件明细表17

六．参考文献18

一．设计任务和要求

用电子器件设计制作一个数字密码锁，红灯亮、绿灯灭表示关锁，绿灯亮、红灯灭表示开锁。

具体要求如下：

（1）在锁的控制电路中设一个可以修改的8位数字密码；

（2）设置密码时指示灯不亮，也不会发出报警信号；设置完密码后密码锁处于关锁状态（即红灯亮，绿灯灭），此后输入正确密码时密码锁开锁且不报警，输入错误时密码锁保持关锁状态并报警；

（3）连续3次输入错误时，密码锁立刻自动锁定30秒钟，即在30秒内输不进去密码，因此也开不了锁；30秒之后密码锁自动退出锁定状态，此时可以正常输入密码；

（4）输入密码的过程中不会报警，只有在输入完成后，密码锁才会判断密码是否正确以及执行开/关锁和是否报警的操作。

二．设计的方案的选择与论证

2.1电路设计的多种方案

设计制作数字电子密码锁，可以使用各种集成（译码器，555定时器，触发器），也可以采用单片机（如89C51）。

方案一：

选用单片机作为核心元件，利用其灵活的编程设计和丰富的I/O端口，以及控制的准确性，实现丰富的密码锁功能。

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信号。

除上述基本的密码锁功能外，还可以添加遥控功能。

方案二:

选用各种集成芯片作为本设计的核心元件。

用逻辑开关及编码器组成密码输入部分；D触发器存储输入的密码和控制电路里设置好的密码；接成8进制计数器来对输入密码时密码的个数计数；接成3进制计数器，对重置密码的次数计数，在第3次重置密码时产生高电位的进位信号，触发555定时器构成的单稳态触发器，触发器产生30秒的触发信号控制密码锁输入部分一直置零，这时就输不进去密码了（即从第四次开始输不进去密码），从而实现了连续3次输入密码错误就锁定的功能。

2.2方案论证

采用单片机来设计，其优点是硬件电路简单，功能很多，拓展方便，编程设计灵活多样以及I/O端口丰富，控制准确。

但是单片机要求知识广泛，需要对硬件有较好的认识，也要有一定的编程能力。

再者，用单片机设计时需要用到的外围设备多，密码锁制作费用比较大。

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，用已有的知识就可以设计。

但是电路连线比较繁杂，需要一些逻辑器件，智能化大大降低，很容易出现故障，并且能拓展的功能也比较少。

2.3方案选择

论证完方案后反观自身，知识面不够广，电路设计经验不太多，专业基础也不是很扎实，这样的话采用单片机来设计电路可行性不是很高，短时间内有很大难度。

所以，为了进一步巩固理论基础、熟练掌握和运用数字电子技术的基本知识以及丰富电路设计制作的经验，在此次课程设计中，通过两种方案的比较，结合自身实际情况，在满足设计要求的基础上，我采用方案二来设计制作电子密码锁，并适当扩展了其功能。

其系统框图如下：

输入密码

设置密码

密码验证

关锁

数字按键

报警

开锁

计数

锁定

图1电子密码锁设计电路系统框图

三．电路设计计算与分析

设计过程中共用到5个单元电路，分别为开关编码电路、密码存储/显示电路、密码验证电路、开关锁报警电路和密码锁定电路。

下面将一一叙述其实现原理。

3.1开关编码电路

此电路由逻辑开关、二---十进制优先编码器74HC147和一个四输入的与非门组成。

9个开关分别用键盘上的数字1-9控制，其上两个端口分别接高、低电位，用来控制编码器输入端的电位。

图2开关编码电路图

不按数字键时，开关上面的两个端连接导通，编码器上相应的输入端为高电位。

所以初始状态下编码器9个输入端均为高电位，4个输出端也均为高电位，经过四输入的与非门后变成脉冲输出端的低电位。

当按下某一个数字键时，相应的开关下面两个端连接导通，编码器输出4个相应的的高低电位（而且至少有一个低电位），经过与非门之后形成脉冲输出端的高电位。

当松开数字键时编码器的输入端和输出端又都变成高电位，经过与非门之后脉冲输出端又恢复成低电位。

所以每次输入一个数字时（按相应的数字键，按下又松开），该电路脉冲输出端还产生一个脉冲，将此脉冲发送给密码存储单元，可触发其状态发生改变，进行密码存储。

表1二---十进制优先编码器74HC147特性表

输入

输出

I1

I2

I3

I4

I5

I6

I7

I8

I9

Y3

Y2

Y1

Y0

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

×

×

×

×

×

×

×

×

0

0

1

1

0

×

×

×

×

×

×

×

0

1

0

1

1

1

×

×

×

×

×

×

0

1

1

1

0

0

0

×

×

×

×

×

0

1

1

1

1

0

0

1

×

×

×

×

0

1

1

1

1

1

0

1

0

×

×

×

0

1

1

1

1

1

1

0

1

1

×

×

0

1

1

1

1

1

1

1

1

0

0

×

0

1

1

1

1

1

1

1

1

1

0

1

0

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

0

3.2密码存储/显示电路

由于需要存储由8个数字组成的一串密码，所以此电路由8个D触发器和8个七段数码管构成，每个触发器负责存储和输出一个数字，每个数码管负责显示一个数字。

数码管显示的数字由对应的D触发器输出。

电路图如下：

图3密码存储及显示电路图

图中的触发器都是74HC175，其功能特性和普通的单输入触发器类似，唯一的不同就是74HC175有4个D输入端和4个Q输出端。

所以理论上每个触发器都可以存储十进制数0—15之内的任何一个数。

8个触发器的脉冲输入端互相连在一起，置零端（低位有效）也互相连在一起，脉冲输入端和置零端分别受统一的脉冲信号和置零触发信号控制。

8个触发器依次级联，前一个触发器的输出端接后一个触发器的输入端，构成一个四位串行输入的移位寄存器。

表2单输入D触发器特性表

CLR

CLK

D

Q

Q*

0

×

×

×

0

1

0

×

0

0

1

0

×

1

1

1

1

0

×

0

1

1

1

×

1

在置零端无效以及脉冲信号连续的情况下，输入的第一个数字马上由第一个触发器输出，由第一个数码管显示出来，并存储在第二个触发器中；输入的第二个数字还是由第一个触发器输出，由第一个数码管显示出来，并存储在第二个触发器中；之前存储在第二个触发器中的数字此时已经输出，由第二个数码管显示出来，并存储在第三个触发器中。

输入过程中第一个数码管总是显示最后输入的数字，第二个数码管显示输入的前一个数字。

以此类推，输入完8个数字后，数码管依次显示每个数字，从左往右看时，最后一个数码管显示输入的第一个数字，第一个数码管显示输入的最后一个数字。

这样在效果上就形成了一个串行输入的移位寄存器。

当需要重置密码时，让触发器的置零端有效即可（即使置零端为低电位），此时触发器的输出端Q端均为0。

在密码锁电路设计过程中两次用到此单元电路，分别用来存储设置的密码和输入的密码。

下图就是由开关编码电路和密码存储/显示电路连接而成的密码输入及设置电路，并显示有仿真结果。

图4密码输入及设置电路

图中上边的电路用来存储和显示输入的密码，下边的电路负责存储和显示设置的密码，而左边部分是开关编码电路。

另外此图中由空格键控制的开关负责使输入密码存储电路置零，因为按下空格键时，此开关下方导通，接低电位到密码存储电路中D触发器的置零端（低电位有效），则D触发器都置零。

开关B负责控制电路进入密码设置状态和输入密码状态。

当B打开时接高电位，此时可以开始设置密码，在开关编码电路中按下相应的数字键后触发的脉冲经过与门传送给设置密码存储电路的脉冲输入端，这时电路就可以存储设置的密码了。

当B闭合时接低电位，经过与门后必然也输出低电位，此时开关编码电路产生的脉冲传输不到设置密码存储电路的脉冲输入端，因此设置密码存储电路将保持状态不变，即电路退出了设置密码的状态。

此时应该注意的是，开关B输出端的电位还接到一个三态门的控制端上，而此三态门又可以控制开关编码电路产生的脉冲是否输入到输入密码存储电路的脉冲触发端。

也就是在B闭合时，电路退出了设置密码的状态，此时三态门导通，脉冲可以传到输入密码存储电路中，则此时电路进入了输入密码的状态；而当B打开时，电路进入设置密码的状态，此时三态门截止，脉冲传输不到输入密码存储电路中，将保持状态不变，也即不能存储输入密码，电路退出了输入密码的状态。

而开关A和空格键控制的开关类似，它是负责使设置密码存储电路置零，因为其输出端与设置密码存储电路中的置零端相连。

3.3密码验证电路

此电路由8个4位数值比较器组成，它们相互级联，用来比较输入的密码和设置的密码，只有两者完全一致时电路输出端才会产生高电位。

其中每个比较器负责比较一对数字，所以此电路可验证8位数字密码是否正确。

图5密码验证电路

3.4开关锁报警电路

此电路主要由计数器、开关锁指示灯、报警装置以及控制开关和一些门电路组成。

电路如图5所示。

图中绿灯模拟开锁状态，红灯模拟关锁状态，而蜂鸣器用来报警。

当输入密码正确时，密码验证电路输出高电位，电路进入开锁状态；不正确时密码验证电路输出低电位，电路保持关锁状态，并报警。

图6开关锁报警电路

打开开关B可控制密码锁进入密码设置状态，此时开关锁指示灯不亮，也不会报警（实际上此状态下密码锁也不需要报警）。

密码设置完成后退出此状态（即闭合开关B）。

此时密码验证电路必然输出低电位，经过非门后又变为高电位。

然后可通过闭合开关D来控制密码锁进入关锁状态（绿灯亮、红灯灭）。

此时只有输入8位正确的数字密码后，才能进入开锁状态（红灯亮、绿灯灭）。

因此需要在密码输入过程中对输入的数字进行计数。

又因为输入的是8位密码，所以只需要8进制的计数器即可。

此电路是通过置数法将同步十进制计数器74LS160接成8进制计数器。

表3同步十进制计数器74LS160的特性表

CLK

RD

LD

EP

ET

工作状态

×

0

×

×

×

置零

1

0

×

×

预置数

×

1

1

0

1

保持

×

1

1

×

0

保持（但C=0）

1

1

1

1

计数

计数器上的脉冲输入端用来接收输入密码时开关编码电路产生的脉冲信号。

由上可知，每输入一个数字，电路均会产生一个脉冲。

在此脉冲触发下，计数器开始计数。

但需要注意的是，计数器开始计数时的初始状态应该是输出0000，如果不是的话需要通过空格键或逻辑开关C使计数器置零。

此外空格键也用来控制输入密码存储电路置零。

等到输入完8位密码以后，计数器也进行了8次计数，并且产生了进位信号。

它和密码验证电路的输出信号共同控制密码锁开锁和报警，而在开关B和D都闭合的情况下，密码验证电路的输出信号单独控制密码锁是否退出关锁状态。

3.5密码锁定电路

此电路主要采用同步十进制计数器74LS160和555定时器。

分别把十进制计数器接成四进制，把555定时器接成单稳态触发器。

图7密码锁定电路

根据设计要求，电路需要实现连续3次输入错误时密码锁自锁30秒钟的功能，因此必然要使用计数器进行计数。

本设计电路中计数器是对重置输入密码的操作次数计数（即按空格键的次数），当输入密码连续错误三次时重置密码的次数也为三次，此时计数器产生高电位的进位信号，触发555定时器构成的单稳态触发器，触发器产生30秒的高电位触发信号，经过非门后变为低电位，控制密码输入部分一直置零，因此从这时开始就输不进去密码了（即从第4次开始就输不进去密码了），实现了3次密码错误就锁定的功能。

至于单稳态触发器中R、C的取值，则可根据公式

来设

定，其中

=30s。

下面简单叙述一下其工作原理并给出电路的电压波形图。

单稳态触发器的触发信号输入端低电平有效。

在没有触发信号时，TRI端处于高电平，单稳态触发器输出低电平，处于稳态；在输入触发信号时，电容充电，单稳态触发器输出高电平，处于暂稳态；经过一段时间后，电容电压达到上限阈值，如果此时输入端的脉冲触发已消失则输出低电平，同时电容迅速放电，电路恢复到稳态。

图8用555定时器接成的单稳态触发器电路的电压波形图

四．总结及心得

这学期我们开始学习数字电子技术这门专业课，这次也是我们第一次做课程设计，所以不免会感到一些吃力。

通过这次课程设计我发现自己还存在诸多方面的不足，比如刚开始拿到原理图和元器件时，没有对原理图的正确性验证就盲目的连接，导致不能达到预期的模拟结果，经过多次调试才发现问题所在。

历时两周的数电课程设计现在即将结束，回想一下，感觉这个过程中发生了好多，自己也有很深的体会。

虽然很辛苦，但给我带来了从未有过的体验与喜悦。

在设计实践的过程中，我深深地体会到必须要有扎实的知识基础，要熟练地掌握课本上的知识，这样才能对试验中出现的问题进行分析解决。

在整个电路的设计过程中，花费时间最多的是利用Multisim软件仿真。

因为之前没有好好学习这个软件，所以我必须从头学起，自行摸索的学习。

我在各个单元电路的连接上花费了大量时间。

在设计时曾提出了两种方案可供选择，我们仔细比较分析其原理和可行性，并结合自身实际情况，最终确定了设计方案和电路。

实习过程中，我深刻地体会到在设计过程中，要考虑到各个元器件的功能和特性，要翻阅大量资料，参考别人的经验，只有这样才能把自己的电路设计得更完善。

通过这次对电子密码锁的设计与制作，我了解了设计电路的一般步骤，也明白了关于电子密码锁的原理与设计理念。

在此次的电子密码锁设计过程中，我更进一步地熟悉了芯片的结构、管脚图、功能表以及掌握了各芯片的工作原理和其具体的使用方法。

这些知识对我们大学生来说是十分宝贵的实践经验，是无法在课堂上获得的，是当今社会最重视的，同时也是我们最需要提高的部分。

在设计电路中,完成电路图只是完成了设计的一小部分，更加困难的是对电路的验证和纠错，在这过程中我接触到了很多未接触过的检查方法和思想。

在电路的仿真过程中出错的原因都主要是由接线的错误所引起的。

所以在接线的时候一定要细心，不要接错，同时也要学会如何判别芯片的功能，要是芯片不具备要求的功能，或者不匹配，即使接线再正确也出不来理想的模拟结果。

在此过程中要仔细研究考虑自己的设计，看是否可行，尤其是进位输出，得着重看看进位输出端输出的的CP脉冲是否正确等。

总体来说，通过这次课程设计学习，我越发感觉电子设计不是死板的东西，是有很大科学性与艺术性的。

不同芯片的使用，不同的接线方法，不同的变量，不同的实现思路，经过组合后几乎可以称之为艺术。

这次课程设计使我对各种电路都有了大概的了解，也学会了常用EDA软件的使用，在平时的理论学习中遇到的问题现在都已经一一解决了，这加深了我对本专业的了解，培养了我对学习的兴趣，为以后的学习打下了良好的基础，所以我受益匪浅。

同时，这次课设使我明白：

电子设计容不得纸上谈兵，只有自己动手实际操作才会有深刻理解，才会有收获，正所谓“千里之行，始于足下”。

这次课程设计最大的意义在于让我们迈出了通往工程师的第一步。

所以我非常感谢指导老师的答疑解惑指导和帮助过我的同学们。

理论知识终究不是实践能力，在实践面前一系列的问题会突发出现，但是没有扎实的理论知识，实践能力又无从存在，二者可谓缺一不可。

所以在以后的学习工作中，学习和动手我要两手抓，而且两手都要硬，不能留下软肋，让问题钻了空子。

五．附录

5.1电路原理图

5.2元器件明细表

数量

描述

标号

封装

1

74HC_4V,74HC147N_4V

U1

Generic\NO16

1

74HC_4V,74HC175N_4V

U2

Generic\NO16

15

74HC_4V,74HC175N_4V

U4,U5,U6,U11,U12U13,U14,U15,U16,U17U18,U27,U28,U29,U30

IPC-2221A/2222\NO16

1

74LS,74LS20D

U10

IPC-7351\DO14

2

SPDT

S11,S12

Generic\SPDT

11

SWITCH,PB_DPST

S1,S2,S3,S4,S5,S6S7,S8,S9,S10,S15

Ultiboard\DIGTAS1

1

74HC_4V,74HC125N_4V

U7

IPC-2221A/2222\NO14

8

74HC_4V,74HC85AD_4V

U8,U9,U39,U40U41,U42,U43,U44

IPC-7351\DO16

2

74LS,74LS160D

U46,U48

IPC-7351\DO16

1

TIMER,LM555CM

U53

IPC-7351\M08A

3

74STD,7404N

U47,U50,U54

IPC-2221A/2222\NO14

1

74STD,7400N

U52

IPC-2221A/2222\NO14

5

74AS,74AS08M

U3,U45,U49,U51,U55

IPC-7351\M14A

1

BUZZER,BUZZER200Hz

alarm

Generic\BUZZER

4

DIPSW1

S13,S14,S16,S17

Ultiboard\DIPSW1H

1

LED_green

True

Ultiboard\LED9R2_5Vg

1

LED_red

Flase

Ultiboard\LED9R2_5V

六．参考文献

1.阎石.数字电子技术基础（第五版）.北京：

高等教育出版社，2006；

2.郭海文.电工电子实验技术.徐州：

中国矿业大学出版社，2012；

3.路勇.电子电路实验及仿真.北京:

清华大学出版社,2004；

4.苏文平.电子技术实践与制作教程.北京：

国防工业出版社，2007；

5.毕满清.电子技术实验与课程设计.北京：

机械工业出版社，2005；

6.胡奕涛.电子技术实践教程.北京：

北京邮电大学出版社，2007；

7.刘修文.实用电子电路设计制作.北京：

中国电力出版社，2005；

8.康华光.电子技术基础:

模拟部分.北京:

高等教育出版社,1988；

9.唐程山.电子技术基础.北京：

高等教育出版社,2005；

10.陈立周.电气测量.北京：

机械工业出版社，1991；

11.方建中.电子线路综合实验.杭州：

浙江大学出版社，2007；

12.康华光.电子技术基础：

数电部：

高等教育出版社，2000；

13.滕国仁.电器实验技术.北京：

煤炭工业出版社，2003；

14.童诗白.模拟电子技术基础.北京：

高等教育出版社，2000；