电子技术课程设计

题目名称：电子密码锁        

重庆大学电气工程学院

20##年6月

                          电子密码锁

摘要：本文的电子密码锁是利用数字电子技术中基于JK触发器的锁存电路实现主电路的密码的修改和检测功能，再通过555定时器和一些基本的门电路实现对时间和执行信号的控制。其中介绍了此次课程设计的电路设计思路、原理电路图，仿真等。通过这次电子锁的设计来获得到与理论分析相符合的实验数据，验证理论和电路分析的正确性，完成此次课程设计任务

一．设计内容及要求

锁是人们生活中的常用物品，本题要求用电子元器件设计一个密码锁的控制电路，当输入正确代码时，输出开锁信号以推动执行机构工作（例如：利用继电器使电磁铁吸合拉动物件），并用红灯亮、绿灯熄灭表示关锁，用绿灯亮、红灯熄灭表示开锁；

1．在锁的控制电路中储存一个可以修改的4位代码，当开锁按钮开关（可设置成6位至8位，其中实际有效为4位，其余为虚设）的输入代码等于储存代码时，进入开锁状态而使锁打开；

2．从第一个按钮触动后的5秒内若未将锁打开，则电路自动复位并进入自锁状态（自锁时间20秒），使之无法再打开，并由扬声器发出持续20秒的报警信号，由显示电路显示剩余自锁时间。当连续输入3次错误密码时，系统锁定15分钟，锁定时间内禁止输入密码，同时由显示电路显示剩余锁定时间。

二．总体方案原理框图

方案一：以AT89C2051为核心的单片机控制方案；

AT89C2051单片机是51系列单片机的一个成员，是8051单片机的简化版与Intel MCS-51系列单片机的指令和输出管脚相兼容。由于将多功能八位CPU和闪速存储器结合在单个芯片中，因此，AT89C2051构成的单片机系统是具有结构最简单、造价最低廉、效率最高的微控制系统，省去了外部的RAM、ROM和接口器件，减少了硬件开销，节省了成本，提高了系统的性价比。内部自带2K字节可编程FLASH存储器的低电压、高性能COMS八位微处理器，

 

图1 单片机控制方案原理框图

电子密码锁由单片机电路和机械两部分组成，此次设计的电子密码锁可以完成密码的修改、设定及非法入侵报警、驱动外围电路等功能。从硬件上看，它由六部分组成，分别是：LED显示器，显示亮度均匀，显示管各段不随显示数据的变化而变化，且价格低廉，它用于显示键盘输入的相应信息；无须再加外部EPROM存储器，且外围扩展器件较少的AT89C52单片机是整个电路的核心部分；振荡电路为CPU产生赖以工作的时序；显示灯是通过CPU输出的一个高电平，通过三极管放大，驱动继电器吸合，使外加电压与发光二极管导通，从而使发光二极管发光，电机工作。现在来进行修改密码操作。修改密码实质就是输入的新密码去取代原来的旧密码。密码的存储用来存储一位地址加1，密码位数减1，当八个地址均存入一位密码，即密码位数减为零时，密码输入完毕，此时按下确认键，新密码产生，跳出子程序。为防止非管理员任意的进行密码修改，必须输入正确密码后，按修改密码键，才能重新设置密码。密码输入值的比较主要有两部分，密码位数与内容任何一个条件不满足，都将会产生出错信息。当连续三次输入密码出错时，就会出现报警信息，LED显示出错信息，蜂鸣器鸣叫，提醒人注意。

在电路中，P1口连接8个密码按键AN1～AN8，开锁脉冲由P3.5输出，报警和提示音由P3.7输出。BL是用于报警与声音提示的喇叭，发光管D1用于报警和提示，L是电磁锁的电磁线圈。由单片机实现的电子密码锁的硬件接线图参见图2，由于本课程设计为数字电子技术的课程设计的内容，所以用单片机构成的电路只作为方案比较，因此，此部分的软件设计略。

            

 

 图2  用单片机实现的电子密码锁硬件电路图

方案二：以74LS112双JK触发器构成的数字逻辑电路控制方案。

 

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等。

考虑到我们实力有限，对单片机知之甚少，故而采用第二种方案，其原理框图见上，并且限于时间有限，为简化电路，本次设计方案中将整个电源电路直接用一个直流电源代替并进行仿真。

三．单元电路设计，参数计算和器件选择。

   （一）密码输入和修改电路

开关K1~K9是用户的输入密码的键盘，其开关值分别有数字1到9控制，用户可以通过数字键盘1到9输入密码，开关两端的电容是为了提高开关速度。                                                                                        

密码修改电路由双刀双掷开关S1~S4组成（如上图）, 它是利用开关切换的原理实现密码的修改。当输入密码和开关预置密码相同时，电路接通，接地的低电平输入JK触发器，产生脉冲。修改密码只需拨动上面开关即可。在实际仿真中，我们分别采用了两个单刀双掷开关来实现其功能，其原理一样均是通过检测输入与预置密码一致使得电路接地端导通，否则便无法导通，产生触发信号。

（二）。密码检测电路

密码检测电路是由两块74LS112（双JK触发器，包含IC1~IC4）组成密码检测电路。开始工作时，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。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。

其中IC6的一口端口接密码锁定电路。当输入密码三次错误，便会产生一个锁定信号输入IC6中，使得IC6的输出始终为低电平，从而无法产生正确的开锁信号，此时，密码输入无效，直到锁定解除方可再次输入密码。

（三）。开锁，执行电路

   首先，左端是一个555定时器组成的单稳态电路，其功能是接受输入来的正确开锁信号产生一个高电平输出作用于后面的执行电路。这里稍作调整的是这是一个下降沿产生出发的单稳态电路，当密码检测端没有正确的开锁电平（高电平）产生时，传送过来的低电平信号经一个与非门产生高电平信号输入到555定时器中，当传送过来的是一个开锁电平（高电平）时，其经过与非门产生低电平输出，进入到555定时器中，产生下降沿触发信号，从而实现输出高电平到执行电路中去。

  执行电路中的开锁动作由一个发光二极管代替，开锁信号（高电平）传送到T10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，时间计算主要是基于单稳态触发器中对电容的充电放电实现的，其参数计算如下：

T=RCln(Vcc-0) /（Vcc-2/3Vcc）=1.1RC=1.1*1*20=20s

（四）报警电路

报警电路实现的功能是：当输入密码的时间超过5秒（一般情况下用户输入不会超过），电路报警20秒，防止他人恶意开锁。

电路包含两大部分，25秒延时和5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25秒计时，超出5秒，电路开始20秒的报警。

上图中IC10以及IC11为555集成定时器，图中参数需要调整为相应时间的定时。                                                                                                                           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。 时间参数计算：

T=1.1RC=1.1*1*39=40s

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。

(五)。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。

   由74161组成的计数器主要是检测密码输入次数。由于考虑到复位端口R计数有可能不可靠，在仿真中采用了由置数端设计的三位计数器达到同样的功能。锁定电路由一个555定时器组成的单稳态触发器电路，其时间参数计算如下：

  T=1.1RC=1.1*5*56=300s

四．工作原理电路图及其仿真分析

工作原理分析：

当按下报警电路的TP端开关使其输入一个低电平信号，通过555定时器输出一个清零信号到密码检测电路的清零信号，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，从而使得JK触发器清零，电路开始工作，输入密码。

首先手动输入密码，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。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。当输入密码正确时，依次触发74112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，实现开锁使其输出高电平送往IC13的输入端，则3脚输出高电平，使T10导通，T11导通，发光二极管发光，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，停止工作。当电路报警的次数即输入密码错误超过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。

仿真分析：

首先将密码预置为2468，按下IC10输入的TP端开关按钮使电路进入工作状态

1.键盘输入2468，观察到D5，LED2均发光，说明开锁成功，密码输入正确；

2.将密码修改电路的S1到S4分别拨向对面，使得预置密码为1357，键盘输入1357，观察到D5，LED2均发光，说明开锁成功，密码修改成功；

3.当输入1之后停止输入，大约5秒钟后，观察到D4发光，蜂鸣器发声；

4.当输入1356时，观察到D4发光，蜂鸣器发声；连续输入三次后发现再输入密码（无论正确与否）电路均无任何改变。

综上可知仿真的电路图满足了设计要求，实现的其任务和功能。

五．对设计电路的综合评价和改进方法

本次电子密码锁设计是利用数字逻辑电路，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。设计电路简单易懂，采用较简单得元器件实现了其多种功能，但其线路较多，需要仔细观察单元电路。对于整个电路的改进方法可以采用74LS85比较器来实现密码修改和检测电路，通过对输入的比较得到结果实现其功能，从而可以使电路得到较大的简化。

六．所需元器件清单

 74112 4只，555定时器电路 5个，开关，电阻，电容，导线，发光二极管等若干。同时，考虑到我们小组时间有限，18周五，日均有考试，故而未能抽出时间来焊接电路板成品，敬请谅解。

七．小组成员分工

组长 ：

成员：

具体分工：

             

八．总结和心得体会

以上是我们课程设计所做的电子密码锁电路，它经过多次修改和调试，是一个可靠，实用的设计。在此次实训过程中，我觉得既锻炼了我们的动手能力，也再一次加深巩固了本学期学习的数电知识，对逻辑门电路，各种基本集成芯片都有了进一步的理解。由简单的抽象理解到实际认识。特别是使用multisim软件的仿真使我们对它们的功能有了形象的认识，而且还可以帮助我们检查出错误，为以后的工作需要奠定了一定的基础。但用multisim软件仿真的时候过于理想化，一不小心就容易出错，使用时应考虑到电路的多方面。

密码锁的设计使我学会分析、设计数字逻辑电路的一般方法，让我知道如何根据提出的任何一种需要实现的逻辑功能设计出满足要求的逻辑电路和分析出任何一种给定逻辑电路所具有的逻辑功能。并且掌握了逻辑代数的基础知识和所用半导体器件的电气特性。

通过这次实训，我觉得学习像数电这样实用的知识，不仅要掌握书本上的基本内容，要求熟悉个芯片个器件功能，还要灵活思考，善于变换，比较各种方案的优缺点，学会取舍、汲取精华，并要能够联系实际，这样才能找到最优设计，达到事半功倍的效果。实践，再学习、再实践，才能使自己不被社会淘汰。

在实际电路的调试过程中，我们遇到了很多问题， 这使得我们不得不通过多种途径来解决，增强了我们通过网络，图书馆等途径来查询资料自主解决问题的能力。对于查阅资料仍无法解决的问题，我们通过与同学讨论，询问老师等途径解决了我们面临的困难和问题。

通过这两周的课程设计，我们小组成员都有了很大的收获：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multisim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。

两周的时间紧张而且快乐地过去了，虽说没有焊接电路板让我们相当遗憾，但是我们每个人仍然收获了很多：从设计电路之初的茫然到设计完成仿真完美实现时的欣喜，搭建的电路模块“哑巴”状态到指示灯终于随着按键控制有规律的亮灭，前者让我感受到思维的乐趣，后者让我体验到动手的快乐。思维要缜密，操作要严谨——这就是我们两周时间的最大收获吧。

参考文献

【1】《电子技术基础课程设计 指导书》  唐治德 杨永明 申利平 吕宗伟 王明昌 夏明风 汪金刚  2010.4

【2】《数字电子技术基础》 唐治德  科学出版社

【3】《电子线路设计·实验·测试》（第二版）  谢自美  华中科技大学出版社

【4】《电子技术课程设计指导书》  彭介华  高等教育出版社

 

第二篇：电子密码锁课程设计报告

数字电子密码锁

课程设计报告

课程名称：     数字电子技术基础     

设计题目：        数字密码锁        

       班    级：      08自动化（2）班    

姓    名：           钱璁           

指导教师：           万军           

目录

一、设计目的... 1

二、技术指标... 1

1、基本功能... 1

2、增加功能... 1

三、总体设计方案... 1

1、第一方案... 1

2、第二方案... 2

3、第三方案... 2

4、设计思路... 2

四、元件清单... 2

五、电路框图... 2

六、单元电路的设计... 3

1.密码输入模块... 3

2、密码修改模块... 4

3、密码检验模块... 4

4、开锁模块... 5

5、报警模块... 5

6、音频方波信号模块... 6

7、系统总图... 7

七、总结与体会... 8

1、成品评测... 8

2、制作体会... 8

3、制作回顾... 8

八、参考文献... 8

一、设计目的

1、巩固和加深对电子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和工程设计方法。

4、学会简单电路的实验调试和性能指标的测试方法，提高学生动手能力和进行数字电子电路实验的基本

      技能。

二、技术指标

1、基本功能

1）.设计一个数字锁，每把锁都有其预先设定好的（四位二进制数）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（四位二进制数）代码与（四位二进制代码）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，电路将发出声，光报警信号；

4）.不开锁时，锁关闭。

2、增加功能

开锁密码位数，声报警信号扩音等。

三、总体设计方案

1、第一方案

用JK触发器和双联开关组成，要按顺序输入密码，但其密码修改电路机械化，且开关过多，连线较多，操作较繁琐。

2、第二方案

用74HC573锁存器为密码设定电路和修改电路，这方案可以便捷地设定密码和修改密码，但密码的输入要用到8个控制开关且密码输入不分顺序。

3、第三方案

用74ls194芯片接成的移位寄存器，但用到脉冲信号。考虑到复杂程度、密码锁的精确性和器材配置，我们最终决定取第二个方案。

4、设计思路

密码输入，密码存储，密码比较，开锁，声光报警 。通过对上述各方案的设计比较，并在Proteus仿真软件上的实行，最后我们选择用第三种方案。

四、元件清单

五、电路框图

注：

1.        密码输入模块，包括密码输入和CP1信号输入

2.        密码修改模块，包括密码输入和CP2信号输入

3.        密码检验模块，包括两个四位数据比较器

4.        开锁模块，有开锁，有开锁指示

5.        二极管开锁指示模块

6.        报警电路模块，由声光报警两模块组成

7.        声音模块，由555产生一方波信号引入蜂鸣器产生声音

8.        二极管报警指示模块

六、单元电路的设计

1.密码输入模块

原理：预置密码是八位二进制密码（高低电平控制），按下键为1，未按键为0，平时（输入端）均处于0状态。电路用一个开关按键SW1依此输入8位密码，用SW2控制次脉冲信号的产生，每来一个脉冲，就把SW1中代码（0和1）输入到移位寄存器74ls194由两片74ls194接成的8位移位寄存器会依此把密码记入电路，停止输入脉冲信号，改变开关设置不会影响密码的存入，表示密码输入完成。

2、密码修改模块

原理：和密码输入模块同理，每输入一次脉冲信号，控键依此输入8位密码。

3、密码检验模块

原理：模块电路由两块一样的74LS85四位数据比较器组成。从U2的A0到A3和U3的A0到A3输入八位密码，从U2的B0到B3和U3的B0到B3接入原来设置的八位密码，对其进行比较，如果现时输入的密码与原来设定的密码一致，则在U3的第6管脚输出高电平，作为开锁信号，在开锁信号有效的情况下，实现开锁。如果不一致，则在I3第6管脚输出低电平，作为报警信号。

4、开锁模块

原理：密码正确时，从U5:A的第2管脚中输入密码检验信号1,错误是为0；要开锁时，从U5A的第1管脚中输入开锁控制信号1，不开锁时，输入为0。当开锁开关打上（打上为1）且密码正确时 U5:A的1、2管脚均为高电平，则U5:A的第3管脚输出为1,此时，绿灯D1亮，电磁锁在开锁信号下，实现开锁功能。平时不开锁，或密码不正确时，则U5:A的第3管脚输出为0,此时绿灯D1灭，电磁锁在无开锁信号下，关闭锁。

5、报警模块

原理：从四位比较器中传来密码校验的信号，若传来是密码错误则从U4:A的第1管脚中输入信号为0（若密码正确为1）。经过U4:A反相器的变化变为1,并输入到U5:B与门的5管脚，加上从U5:B管脚4中输入的开锁信号1，使U5:B管脚6输出高电平，此时光报警信号红灯D2亮，从U5:B管脚6输出高电平和1KHz的方波分别从U5:C的管脚9和10输入，在U5:B管脚8中输出1KHz的音频信号，蜂鸣器ls1发出声音报警信号。

6、音频方波信号模块

工作原理：该模块为由555定时器构成的多谐振荡器。

参数计算：T1 =(R1 +R2)Cln2 、T2 =R2Cln2，电路的振荡周期为T=(R1 +2R2)Cln2。

注：该模块是产生给报警模块的音频信号，产生的CP信号对占空比没什么要求，频率只要适当就可以，这里取为1KH z。由于实验板上有此模块，所以在接线的时候就省了此步，直接接上实验板上的1KHz方波信号即可。

7、系统总图

七、总结与体会

1、成品评测

成品完全满足课题设计的要求，可以对密码进行精确的校验，并在密码正确和开锁的控制下实现开锁，而且，也满足扩展要求，对原来的四位密码扩展到了8位。各方面都达到标准，并可以在实验板上实现各部分功能。若做成成品，也不失为一款经济实用的电子数字密码锁。电路是纯数字化的，精确度比较高，只要正确连接这些芯片，所有的功能都可以稳定地实现。

2、制作体会

a)学以致用，实践后再反思，使的理论与实际相结合，加深对课本的理解，搭建电路过程中养成严谨作风，也段练了个人动手能力，能够充分利用图书馆和网络查阅资料，增加了许多课本以外的知识。

b)              能对Proteus仿真软件操作。

c)在设计中，我和小组成员还发现电子密码锁目前在中国已经深入到各个领域，井盖用电子密码锁系统、无线电子密码锁、授权控制式光电编码电子密码锁、手提箱的电子密码锁等一百多种相关产品。

3、制作回顾

由于我们的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。

尽管还有一些小的问题没有解决，但是我们小组成员都收获很大。这也是我们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。

八、参考文献

[1]《数字电子技术基础》（第四版）阎石 主编 高等教育出版社 1997

[2]《模拟电子技术基础》（第三版）童诗白 华成英 主编  高等教育出版社