商丘工學院信息與電子工程學院 劉彥甲

利用數(shù)字電路實現(xiàn)的電子密碼鎖

商丘工學院信息與電子工程學院 劉彥甲

此電子密碼鎖的設計是利用數(shù)字邏輯電路和一些重要的元器件組合完成的。電子密碼鎖具有極高的安全系數(shù)，不僅靈活性好且保密性高。該系統(tǒng)主要由開鎖密碼輸入、密碼檢測與修改、限時輸入鎖定和解鎖電路構成。密碼檢測與修改電路主要由74LS85數(shù)值比較器構成，限時輸入電路主要由555定時器構成，鎖定與解鎖電路主要由74LS74D構成。 【關鍵詞】74LS85與555芯片；檢測與修改；限時輸入；鎖定與解鎖

0 引言

傳統(tǒng)的機械鎖安全性能較低,電子密碼鎖不僅保密性好，其安全指數(shù)遠超機械鎖。此文以鍵盤式電子密碼鎖為例來分析利用數(shù)字電路實現(xiàn)的密碼鎖。

1 設計原理總圖

圖1 設計電路總圖

設計電路總圖是由多個基本元器件組成的，有數(shù)值比較器、計數(shù)器、555定時器和觸發(fā)器構成，經(jīng)過密碼輸入及檢測，輸入正確密碼則開鎖，密碼錯誤后可以重新輸入，但當輸入時間超過15s后則密碼鎖自動進入報警電路并鎖定鍵盤，防止他人的非法操作。

2 密碼輸入電路

2.1 元器件介紹

74LS04D——反相器（1個）

74LS04D是6個非門構成的元器件，它的正常工作電壓為5V，元器件的內(nèi)部存在6個coms反相器，74LS04D的作用就是反相把1變成0，即是與非的關系。平時在使用中要注意不要把芯片的管腳順序弄錯，否則達不到預期的效果。

74LS08D——與門（1個）

74LS161N——十六進制加法計數(shù)器（1個）

74LS160N——十進制加法計數(shù)器（1個）

74LS160是中規(guī)模的集成同步十進制加法計數(shù)器，具有異步清零和同步預置數(shù)的功能。這種計數(shù)器通過置零法或置數(shù)法可以實現(xiàn)任意進制[2]，它只能記十個數(shù)，從0000-1001之后再來時鐘信號就又回到了0，CP是時鐘信號輸入端，RCO是輸出端，-RD是復位端，-LOAD是置數(shù)信號且低電平有效，當其為低電平時，在時鐘信號作用下讀入A到D。為了使74LS160正常工作則CEP和CET端口須接高電平，另外A到D是置數(shù)端，QA到QD是輸出端。

當脈沖信號輸入時，74LS160開始按脈沖的周期計數(shù)，對兩個芯片QA的輸出進行與非門邏輯組合后，輸入到十位芯片的清零端實現(xiàn)重復計時。

2.2 原理

本電路經(jīng)過74LS85D驗證密碼后進入后續(xù)計數(shù)器當中開始計數(shù)。74LS160是十進制加法計數(shù)器，74LS161是十六進制加法計數(shù)器，他們的CP控端接外來時鐘脈沖CP，進位輸出C，在做兩個芯片級聯(lián)時，進位輸出C接高位的74LS160的工作狀態(tài)控制端CEP和CET，當CEP和CET端同為高電平時，高位計數(shù)器才可以計數(shù)。但一般人為輸入密碼時間為15s，為了防止他人的非法操作，設計限時電路可以在15s以后開始報警并將其電路鎖定，這樣就使得密碼鎖的安全系數(shù)大大提高。

密碼錯誤信號發(fā)出后不經(jīng)過限時電路直接進入報警鎖定電路，而輸入密碼時間超過15s，就算密碼正確也會進入報警鎖定電路。555定時器作為脈沖源使得兩個計數(shù)器正常工作，可以使得輸入時間控制在15s以內(nèi)，這樣限時電路的功能就體現(xiàn)出來了。

3 密碼檢測與修改電路

3.1 元器件介紹

74LS85D——數(shù)值比較器

74LS85D為4位數(shù)值比較器，共有54/7485、54/74S85、54/74LS85三種線路結(jié)構形式。

74LS85D可進行二進制碼和BCD碼的比較，對兩個4位字的比較的結(jié)果由三個輸出端（FA＞B，F(xiàn)A=B,FA＜B）輸出[3]。將若干個數(shù)值比較器級聯(lián)就可比較較長的字，此時低級位的FA＞B,FA=B,FA＜B連接到高級位相應的輸入A＞B、A=B、A＜B,并使低級位的A=B為高電平。由密碼輸入電路和密碼設定電路輸出的信號，分別輸入到A、B兩組管腳中，在74LS85D中實現(xiàn)信號的比較，選擇OAEQB管腳輸出，當A、B兩組輸入完全相同時，輸出1，否則為0，從而對密碼進行比較并輸出開關控制及輸出電路，進行處理。

3.2 原理

首先先設定一組密碼（默認碼）,然后進行電子密碼鎖的密碼輸入環(huán)節(jié)，當你輸入完密碼時，74LS85D開始工作，電路將會自動把你輸入的密碼與默認碼相比較，判斷是否正確。如果正確，則會與上面的限時電路發(fā)出的信號一起進入開鎖電路，鎖自動打開。若錯誤或輸入密碼時間超過15s，該錯誤密碼將與上面限時電路發(fā)出的信號一塊進入報警鎖定電路，系統(tǒng)將會報警并鎖定密碼鎖，避免他人進行非法操作，提高其安全性。

如圖，key=8，key=7，key=6，key=5是設置的起始開鎖密碼，或直接輸入數(shù)字也可以實現(xiàn)設置。key=z，key=x，key=c，key=v是進行密碼的輸入（或直接按鍵輸入也行），并且與之前儲存的密碼相比較。輸入進去后，74LS85D開始工作，在15s之內(nèi)輸入正確的密碼及輸出OAEQB為高電平才可以解鎖(即電路圖中X2亮)，若有一個密碼錯誤或者時間超過15s，則電路進入報警階段并使之鎖定（即電路圖中X1和X3亮）。這是其檢測階段，若想更換密碼，只須將電路圖中的密碼修改區(qū)域的幾個開關換一下位置，交換以后重新設定新的密碼即可。

4 鎖定與解鎖電路

4.1 元器件介紹

74LS74D——觸發(fā)器

在這個報警電路中，我所用到的是74LS74D的芯片（D觸發(fā)器的一種）。我們知道，D觸發(fā)器中，它的狀態(tài)方程總是Q(n+1)=D。因此我們只需要控制D的具體取值即可控制其輸出達到報警的功能。我們這個D的來源是十位芯片的清零控制，經(jīng)過非門之后，進入芯片D端的輸入[4]。這樣當其完成了15s的計時之后，則其D觸發(fā)器就可輸出一個高電平，從而出觸發(fā)報警燈的響應，完成報警功能。

555——定時器（1個）

555定時器是一種多用途的數(shù)字——模擬混合集成電路，利用它能方便地構成施密特觸發(fā)器、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器及多諧振蕩器等脈沖產(chǎn)生與變換電路[5]。使用起來非常靈活、方便，因此555定時器在波形的產(chǎn)生與交換、測量與控制、電子玩具、家用電器等許多領域中都得到廣泛的應用。

555的8腳是集成電路工作電壓輸入端，電壓為5-18V,以Vdd表示；從分壓器上看出，上比較器A1的5腳接在R1和R2之間，所以5腳的電壓固定在2/3倍Vdd上；下比較器A2接在R2與R3之間，A2的同相輸入端電位被固定在 1/3倍Vdd上。

1腳為地。2腳為觸發(fā)輸入端；3腳為輸出端，輸出的電平狀態(tài)受觸發(fā)器控制，而觸發(fā)器受上比較器6腳和下比較器2腳控制。

當觸發(fā)器接受上比較器A1從R腳輸入的高電平時，觸發(fā)器被置于復位狀態(tài)，3腳輸出低電平；2腳和6腳是互補的，2腳只對低電平起作用，對高電平不起作用，即電壓小于1/3倍Vdd，此時3腳輸出高電平。6腳為閾值端，只對高電平有效，低電平不起作用，即輸入電壓大于2/3倍Vdd，稱高觸發(fā)端，3腳輸出為低電平，但有一個先決條件，就是2腳電位必須大于1/3倍Vdd才有效。3腳在高電位接近電源電壓時，輸出電流最大可大于200mA。

4腳是復位端，當4腳電位小于0.4V時，不管2腳和6腳狀態(tài)如何，輸出端3腳都輸出低電平。

5腳是控制端。

7腳是放電端，與3腳輸出同步，輸出電平一致，但7腳并不輸出電流，所以3腳稱為實高（或低），7腳稱為虛高（或低）。

555定時器的工作原理：它含有兩個電壓比較器，一個基本RS觸發(fā)器，一個放電開關T，比較器的參考電壓由三只5千歐姆的電阻器構成分壓，它們分別使高電平比較器A1同相比較端和低電平比較器A2的反相輸入端的參考電平為2/3倍Vdd和1/3倍Vdd。A1和A2的輸出端控制RS觸發(fā)器狀態(tài)和放電管開關狀態(tài)。當輸入信號輸入并超過2/3倍Vdd時，觸發(fā)器復位，555的輸出端3腳輸出低電平，同時放電，開關管導通；當輸入信號自2腳輸入并低于1/3倍Vdd時，觸發(fā)器置位，555的3腳輸出高電平，同時放電，開關管截止。-TR是復位端，當其為0時，555輸出低電平。平時該端開路或接Vdd。

4.2 原理

此控制電路主要由555定時器和觸發(fā)器構成，555定時器規(guī)定密碼輸入的時間，輸入密碼時超過限定時間后觸發(fā)報警系統(tǒng)達到限時報警作用。即輸入密碼與設置密碼不同且輸入時間超過15s時，555定時器發(fā)出信號經(jīng)過觸發(fā)器使得電路進入鎖定狀態(tài)（即X3亮）。并且開始報警（即X1亮，電路處于鎖定狀態(tài)，報警一段時間后，X1燈熄滅，但X3持續(xù)亮，電路一直處于鎖死狀態(tài)，直到其解鎖信號輸入后才能恢復正常。

密碼輸入與限時電路的輸出信號先經(jīng)過計數(shù)器，當密碼錯誤并且輸入時間超過15s，就會經(jīng)觸發(fā)器作用進入報警狀態(tài)并使得電路鎖死。只有密碼正確才可以發(fā)出開鎖信號，密碼鎖才能打開。

[1]豈云開,王振文.利用單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器設計定時-非定時兩用開關[J].長春工業(yè)大學學報,2008(2):238-240.

[2]喬琳君.基于EWB的N進制計數(shù)器仿真設計[J].電子測試,2013(9):12-14.

[3]黃斌.數(shù)顯占空比矩形波信號發(fā)生器設計與制作[J].電子制作,2013(19):242-242.

[4]唐華,吳玉廣.一種多模式工作的TFT LCD柵驅(qū)動芯片設計[J].電子器件,2006(3):620-623.

[5]李加升,周育英,龔吉清.基于Mulisim7的555定時器的應用[J].高等函授學報,2008(2):50-55.

劉彥甲（1984—），男，河南柘城人，碩士，講師，主要從事電子信息技術方面的教育與研究。