电子密码锁设计(嵌入式系统)(共18页).doc

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1、精选优质文档-倾情为你奉上 嵌入式系统一前言随着科学技术的进步，电子器件和电子系统设计方法日新月异，电子设计自动化技术正是适应了现代电子产品设计的要求，吸收了多学科最新成果而形成的一门新技术。为保证电子产品设计的速度和质量，适应“第一时间推出产品”的设计要求，EDA技术已成为不可缺少的一项先进技术和重要工具，掌握EDA技术是电子信息类专业学生，工程技术人员所必备的基本能力和技能。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的尤其的突出，传统的机械锁由于其构造的简单，被撬的事件屡见不鲜，电子锁由于其保密性高，使用灵活性好，安全系数高，受到了广大用户的亲呢。意外事故或人为破坏可能造成中的灾

2、难性后果的系统称为要害系统。要害系统的保证性包括安全性、可开性和保全性，内涵非常丰富。我们设计的电子密码锁是一类针对要害系统的安全保险器件，其设计概念与常见的保安密码锁有所不同。从系统设计观点看，电子安全密码锁是一个实体域定义的概念，比较机械安全密码锁，具有设计实现简便、密码装订灵活、制造成本低廉等优点。每一位解锁意图码在密码锁内部引发的试图解锁动作，可称为安全密码锁的解锁事件。电子安全密码所有开启意图码驱动，进党开启意图码预设定的安全密码完全匹配时，方可逐步开启密码锁。基于解锁时间概念思考，电子密码锁应具备如下基本功能：1逐位解锁 解锁过程的事件序列特性决定了它内部状态机的多步步进特性。2单

3、次试开 解锁事件是单向不可逆的，因此，安全密码锁内部应含误码锁定组件。3 码鉴别通过后，给出可靠的控制信号。我们构思运用RS触发器构成的数字逻辑电路控制来模拟电子密码锁。二.总体方案设计21. 一号方框图图2.1 一号方案图我定的一号方框图（初稿）为上图。一号方框图中，我共设了8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。密码可在之前任意修改。由键盘输入密码，开始效验，密码输入正确则执行开门，如果密码输入错误则运用555单稳态触发器响鸣10秒钟。大概的思路有：用四个RS触发器串联，输入密码正确与否，输出的电平不同，由此达到密码效验。键盘的输入打算由八个四组开关控制，分为0和

4、1两种情况。而响鸣10秒钟由555定时器构成的单稳态触发器控制时间。开门由灯泡点亮模拟。可有一个问题：本身的密码仅有16种情况，很容易试出密码，因为没有时间次数的限制，贼人能够轻易得到密码。仅仅是这样的设计，此数字密码锁失去意义。于是，我准备再此方案图中加入计时器及锁定电路使其完善：在密码刚输入时开始计时，若计时超过60秒则报警。另外，若三次输入错误密码，锁定输入密码电路5分钟，贼人无法再打开，保护主人利益。修改后的方框图如下：2.2. 二号方框图图2.2 二号方框图共设了8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。输入密码的同时开始计数，超过60秒报警。输入正确开门并取

5、消计数，输入错误三次则锁定5分钟，防止他人非法操作。当上下开关的开关情况一致时， R端为高电平，S端为低电平，输出为低电平，下一阶RS触发器的S端为低电平。若四位密码输入正确，RS4输出为低电平。若四位密码输入错误，上下开关的开关不一致，输出为高电平。由此可以判断输入密码是否正确。如果密码输入错误，计数器计数一次，如果密码输入错误三次，QA、QB同时为高电平，与非端输出为低电平，使555单稳态触发器3号端口输出55秒高电平，并锁定发光二极管使其不发光。如果密码输入正确，Q端输出为高电平，发光二极管亮，模拟开门。2.3. 方框图比较在二号方框图中，我加入计时器及锁定电路，在密码刚输入时开始计时，

6、若计时超过60秒则报警。另外，若三次输入错误密码，锁定输入密码电路5分钟，贼人无法再打开，保护主人利益。由此，可以防止试出密码的现象发生。其缺点是较复杂，可能出现的问题较多。我决定使用二号方框图进行实验设计。三单元模块设计各单元模块功能：3.1 RS触发器图3.1 RS触发器触发器的两个输入信号来自主触发器的输出，为一对互补信号，有，SR=0。表3.1 RS触发器的功能表SR说明00输出状态不变010输出状态与S的状态相同101输出状态与R的状态相同11-输出状态不定3.2 555单稳态触发器555电路含有两个电压比较器，一个基本RS触发器，一个放电开关管T，比较器的参考电压由三只5k的电阻器

7、构成的分压器提供。它们分别使高电平比较器A1的同相输入端和低电平比较器A2的反向输入端的参考电平为2Vcc/3和Vcc/3。A1与A2的输出端控制RS触发器状态和放电管开关状态。当输入信号自6脚，即高电平触发输入并超过参考电平2Vcc/3时，触发器复位，555的输出端3脚输出低电平，同时放电开关管导通；当输入信号自2脚输入并低于Vcc/3时，触发器置位，555的3脚输出高电平，同时放电开关管截止。是复位端（4脚），当=0，555输出低电平。平时端开路或接Vcc。Vcc是控制电压端（5脚），平时输出2Vcc/3作为比较器A1的参考电平，当5脚外接一个电压，即改变了比较器的参考电平，从而实现对输出

8、的另一种控制，在不接外加电压时，通常接一个0.01f的电容器到地，起滤波作用，以消除外来的干扰，以确保参考电平的稳定。T为放电管，当T导通时，将给接于脚7的电容器提供低阻放电通路。555定时器主要是与电阻、电容构成充放电电路，并由两个比较器来检测电容器上的电压，已确定输出电平的高低和放电开关管的通断。这就很方便的构成从微妙到数十分钟的延时电路，可方便的构成但稳态触发器，多谐振档器，施密特触发器等脉冲产生或波形变换器。555定时器构成的单稳态触发器由555定时器格外接定时元件R、C构成。触发电路由Cl、Rl、D构成，其中D为钳位二极管，稳态时555电路输入端处于电源电平，内部放电开关管T导通，输

9、出放电开关管T导通，输出端F输出低电平，当有一个外部负脉冲触发信号经Cl加到2端。并使2端电位瞬时低于Vcc/3，低电平比较器动作，单稳态电路即开始一个暂态过程，电容C开始充电，Vc按指数规律增长。当Vc充电到2Vcc/3时，高电平比较器动作，比较器A1翻转，输出Vo从高电平返回低电平，放电开关管T重新导通，电容C上的电荷很快经放电开关管放电，暂态结束，为下个触发脉冲的到来做好准备。波形图如图 所示。图3.2 555单稳态触发器电路图由555构成的单稳态触发器，电源接通瞬间，电路有一个稳定的过程，电源通过电阻R向电容C充电，当Vc上升到23Vcc时，触发器复位，Vo为低电平，电容C放电，电路进

10、入稳定状态。若VI 23Vcc,触发器发生翻转，电路进入稳暂态，Vo输出高电平。此后电容C充电至23Vcc，电路又发生翻转，Vo输出低电平，电容C放电，电路恢复至稳定状态。TW = RCln3 = 1.1RC通过改变R、C的大小，可使延时时间在几个微秒到几十分钟之间变化。可这种单稳态电路作为计时器时，可直接驱动小型继电器，并可以使用复位端（4脚）接地的方法来中止暂态，重新计时。此外尚需用一个续流二极管与继电线圈并接，以防继电器线圈反电势损坏内部功率管。图3.3 555单稳态触发器工作波形3.3 74LS161计数器图3.4 74LS161的引脚图74LS161是4位二进制同步加计数器,RD是异

11、步清零端，LD是预置数控制端，A、B、C、D是预置数据输入端，EP和ET是计数使能端，RCO是进位输出端，它的设置为多片集成计数器的级连提供了方便。图3.5 74LS161逻辑电路图1 异步清零 当RD=0时，不管其它输入端的状态如何，计数器输出将被直接置零。2 同步并行预置数 在RD=1的条件下，当LD=0、有时钟脉冲CP的上升沿作用时，A、B、C、D输入端的数据将分别被QA至QD接收。由于这个置数操作要与CP上升沿同步，且A到D的数据同时置入计数器，所以称为同步并行预置。3 保持 在RD=LD=1的条件下，当ET*EP=0,即两个计数使能端中有0时，不管有无CP脉冲作用，计数器都将保持原有

12、状态不变。4 计数 当RD=LD=EP=ET=1时，74161处与计数状态。其功能表如下：表3.2 74LS161功能表清零预置LD使 能EP ET时 钟CP预置数据输入A B C D输 出L* * * *L L L LHL* *上升沿A B C DA B C DHHL * * * *保 持HH* L* * * *保 持HHH H上升沿* * * *计 数3.4 总电路图：图4.1 总电路图密码锁电路包含：键盘输入、密码修改、密码检测、报警电路、键盘输入次数锁定电路。41 各单元模块功能介绍：411 键盘输入、密码修改电路图如下图所示图4.2 键盘输入、密码修改电路图由四个RS触发器和十六个开

13、关构成四位密码验证电路，可实现密码修改及密码输入，输出电平可验证密码的正确性。根据RS触发器的工作原理可知，其置位端比复位端具有优先权，在EN端接高电平的条件下，只要S端为高电平，不管R端怎样变化，其输出端均输出高电平。只有S端为低电平，R端为高电平，Q端才输出低电平。利用RS触发器的功能，用户可以通过开关的闭合情况调制或输入密码。打开或闭合开关K21、K22、K23、K24、K25、K26、K27、K28可设置调解密码，其中，预设开关K21、K23、K25、K27为0，K22、K24、K26、K28预设为1。而打开或闭合开关K11、K12、K13、K14、K15、K16、K17、K18为输入

14、密码，K11、K13、K15、K17预设为0，K12、K14、K16、K18预设为1。预设的0或1井代表一种字符，与高低电平无关。当上下开关的闭合情况一致时， R端为高电平，S端为低电平，由可知，输出Q为低电平，下一阶RS触发器的S端为低电平。若四位密码输入正确，RS4输出为低电平。若四位密码输入错误，上下开关的开关不一致，输出为高电平。由可以判断输入密码是否正确。4.1.2 密码输入错误三次即锁定电路如下图所示：图4.3 密码输入错误三次即锁定电路如果密码输入错误，或门的输出端为高电平，74LS160的CP端输入高电平，由图3.3.3可知，计数器加计数一次，如果密码连续输入错误三次， 同时为

15、高电平，则与非端输出低电平，输入555触发器的2端。由图3.2.2可知，555触发器所构成的单稳态触发器3号端口连续55秒输出高电平，7432N输入为零零，输出为低电平，由此可以锁定发光二极管使其无法发光，即完成锁定电路功能。另一方面，如果密码输入正确，或门输出为高电平，7432N输入为零一，输出为高电平，使发光二极管亮，模拟开门。由于锁定时间即555计时器所构成的单稳态触发器输出高电平的时间常数 Tw = 1.1RC，可算出当C1 = 1Hz,R = 50M时,能使 Tw =55s，可锁定电路55秒。4.1.3 计时电路如下图所示：图4.4 计时电路CP为0.025Hz连续脉冲信号。输入密码

16、即开关K11或K12任一闭合时开始时计时。若密码正确输入则取消计时，若密码未正确输入，当从0000加计数到1111其间经过40秒后，进位端RCO变为高电平，经Q1、Q2放大后，驱动蜂鸣器发出报警信号。3.5 各单元模块的连接：J1、J2接出连入或门的输出端接报警电路中74LS160的ET端和EP端，在J1或J2闭合时开始加计数，直到计数完毕拉响蜂鸣。键盘输入、密码修改电路图内的 Q1、Q2、Q3、Q4 或逻辑端反相电平与555但稳态触发器的输出反相电平的或逻辑后，接发光二极管。若两者同时为低电平，发光二极管不亮，若其中有一个为高电平，法官二极管亮。键盘输入、密码修改电路图内的 Q1、Q2、Q3

17、、Q4 或逻辑端接入密码输入错误三次即锁定电路74LS161的CP端、Q端及计时电路74LS161的端。由此，可由或门输出电平的高低决定单元模块的有效或无效，从而验证密码的正确性。五.软件设计常用的画电路图软件有protel 99se、protel 2004及ISIS等。由于Multisim 9安装简便、容易上手、画图美观等优点，在本次实验设计中，我所使用的画电路图软件为Multisim。Multisim 是全球独一无二的交互式电路模拟软件，令你产品设计事半功倍。Multisim 完全集成 Multicap，乃构建电路并立即模拟运行的理想工具。Multisim电子电路全功能模拟测试仿真软件，是

18、一套完整的系统设计工具，其强大功能包含：元器件编辑、选取、放置；电路图编辑、绘制；电路工作状况测试；电路特性分析；电路图报表输出打印；档案转入/出；PCB文件转换功能；结合SPICE、VHDL、Verilog共同仿真；高阶RF设计功能；虚拟仪器测试及分析功能；计划及团队设计功能； VHDL及Verilog设计与仿真；FPGACPLD组件合成。我们通过人机对话的方式，亲自动手搭接电路，进行元件接线，参数设定。边连线，边测试，边修改，边分析，并与理论计算结果进行对照。通过Multisim软件的componentProperties(元件属性)可随时调整和修改元器件参数，分析各元件参数对电路的作用与

19、影响。调试和测量过程就是最好的学习过程。在这样的实验中，把实验与理论有机的结合起来，加深了我们对理论的认识。我们可以通过一个实际的设计例子来体现Multisim仿真软件的优越性。通过以上设计可见，运用Multisim软件，可方便地在计算机上设计电路，并进行仿真。通过改变电路参数，可以观察不同电路参数对电路性能的影响，用虚拟仪器可以观察各实验点的波形及整个电路的实验结果，一个方案不成功可刷新重来，反复多次后选择出最佳的设计方案。由于该软件具有丰富的元件库和仪器库，可以充分发挥我们的想象力和创造力，大胆进行设计尝试，不必担心元器件会损坏，这样的设计可以随心所欲、花样叠出。若电路设计有误，通过仿真，

20、软件会做出警告或提示，当设计方案正确无误后，再按此方案搭接实际电路。用Multisim软件设计电子电路改变了传统的基于电路板的设计方法，从而可以大大缩短设计时间，节约开发费用，提高效率。Multisim软件是设计电子电路的有效工具。Multisim9是一个虚拟实验室，为使用者造就了一个集成一体化的试验环境，他采用图形化的输入方式，只需进行简单的拖放和连接操作，便可完成电路的搭建与分析。作为一个专业应用软件，他具有以下特点： (1)丰富的元件和测试仪器Multisim9提供了数千种电路元件，包括基本独立元件(电阻、电容、三极管等)、集成电路(74及40系列芯片、DA及AD、集成运放等)、源器件(

21、各种独立源、受控源、时钟信号等)、基本显示器件(伏特表、电流表、数码管等)和其他元器件(继电器、电磁铁、直流电机等)，而且还可以根据需要扩充或新建已有的元器件库，大大方便了使用者。软件中各元器件参数可调，并提供了理想值，这为分析电路的实际值与理论值的差异提供了依据。Multisim9的测试仪器包括数字万用表、函数发生器、多综示波器、扫频仪、频率计、逻辑分析仪等，很难设想实际购置这些仪器设备所需的巨额投资。(2)动态可视化效果Multisim9的元器件采用与实物一致的外形，使用者即便是第一次使用，也能方便地找到所需的元器件。对于测试仪器，其测量结果的显示也与实际设备一致，能实时检测系统的运行。另

22、外，他的数码管能够发光、熔断丝可以烧断、蜂鸣器能够发声、电阻器能够通过键盘随时改变阻值，形象地表征了电路的动态特性，体现了其“软件即仪器”的本质特性。(3)多种分析功能作为虚拟的电子工作台，Multisim9提供了详细的电路分析手段，不仅可以完成电路的瞬态分析、稳态分析、时域和频域分析、器件的线性和非线性分析、电路的噪声分析和失真分析等常规电路分析方法，而且还提供了离散傅里叶分析、电路零极点分析、交直流灵敏度分析和电路容差分析等共计27种电路分析方法，以帮助我们分析电路的性能。此外他还可以对被仿真电路中的元件设置各种故障，如开路、短路和不同程度的漏电等，从而观察到在不同故障情况条件下的电路工作

23、状态。 (4)兼容性好Multisim 9的器件模型和分析方法都是建立在SPICE(Simulation Program with Integrated CircuitEmphasis)仿真程序的基础上，因此他与SPICE的网格兼出PCB文件，这样利用Multisim9一个软件，便可完成从电路的设计分析直至印刷电路板格式文件输出等全部设计工作，大大加快了产品的开发速度，提高了设计人员的工作效率。六.系统功能本文的电子密码锁利用逻辑电路，采用4位输入密码，只有在输入了正确的密码后才能实现对灯的电子控制，并且有各种附加电路已达到报警及锁定功能，有极高的安全系数。密码锁电路包含：键盘输入、密码修改、

24、密码检验、报警电路及键盘输入次数锁定电路，具有以上功能。由四个RS触发器和十六个开关构成四位密码验证电路，可实现密码修改及密码输入，输出电平可验证密码的正确性。若四位密码输入正确，RS4输出为低电平。若四位密码输入错误，上下开关的开关不一致，输出为高电平。由可以判断输入密码是否正确。J1、J2接出连入或门的输出端接报警电路中74LS160的ET端和EP端，在J1或J2闭合时开始加计数，直到计数完毕拉响蜂鸣。键盘输入、密码修改电路图内的 Q1、Q2、Q3、Q4 或逻辑端反相电平与555但稳态触发器的输出反相电平的或逻辑后，接发光二极管。若两者同时为低电平，发光二极管不亮，若其中有一个为高电平，法

25、官二极管亮。键盘输入、密码修改电路图内的 Q1、Q2、Q3、Q4 或逻辑端接入密码输入错误三次即锁定电路74LS161的CP端、Q端及计时电路74LS161的端。由此，可由或门输出电平的高低决定单元模块的有效或无效，从而验证密码的正确性。如果密码输入错误，74LS160的CP端输入高电平，计数器加计数一次，如果密码连续输入错误三次，与非端输出低电平，输入555触发器的2端。由图3.2.2可知，555触发器所构成的单稳态触发器3号端口连续55秒输出高电平，7432N输入为零零，输出为低电平，可以锁定发光二极管使其无法发光，即完成锁定电路功能。如果密码输入正确，Q端输出为高电平，发光二极管亮，模拟

26、开门。CP为0.025Hz连续脉冲信号。输入密码，开关K11或K12其一闭合时开始计时。若密码正确输入取消计时，若密码未正确输入， 40秒后，LD变为高电平，拉响蜂鸣，开始报警。七.设计总结以上为我设计的电子密码锁电路，它主要由RS触发器、74LS161及555单稳态触发器构成，经过多次修改和整理，可以满足基本要求。但因为水平有限，此电路中仍存在一定的问题，譬如说电路的密码仅为四位二进制数，共只有十六种可能，容易被猜出。但还要求在规定的时间内按一定的顺序开锁且有锁定功能，所以他人开锁的几率很小。若做十进制数，比较复杂，没有必要，本次设计未涉及。CP脉冲不是很稳定，电路中未加显示电路，但可通过其

27、它数字模块实现这一功能。作为模拟试验，没有用到开门电路，只是运用发光二极管进行模拟。本来原计划锁定时间为5分钟，但考虑到时间太长，所需要的器件要求较高，后改为55秒钟。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。大二期间我学习了数字电子电路和模拟电子电路，在理论上对电子技术有了一些初步了解。通过这次数字密码锁课程设计，我把学到的东西与实践相结合。从中对我们学的知识有了更进一步的理解。通过这两周的学习，我有很大的收获：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，对各种芯片有了更深刻地认识。同时实习也锻炼了我个人的动手能力

28、：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，特别是对于实际技能的掌握。能对protel 2004、和ISIS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。这次的实验设计让我在以后的学习增强了信息。虽然很苦很累，我仍坚持了下来，做出了以上的设计。八.参考文献(1) 康华光主编.电子技术基础（第四版）.高等教育出版社,1998(2) 梁宗善主编.新型集成块应用.华中理工大出版社,2004(3) 刘国权、韩晓东主编.Protel DXP电路原理图设计指南.中国铁道出版社，2004(4) 最新常用集成块速察速用编写组编.最新常用集成块速查速用.机械工业出版社，2005(5) 张庆双主编.电子技术基础技能线路实例.科学出版社，2006(6) 刘修文主编.实用电子电路图集.中国电力出版社，2005(7) 张亦华、延明、肖冰主编.数字逻辑设计实验技术与EDA工具.北京邮电大学出版社，2003九.附录相关设计图：相关设计软件：MultiSim9专心-专注-专业