商丘工學(xué)院信息與電子工程學(xué)院 劉彥甲

利用數(shù)字電路實(shí)現(xiàn)的電子密碼鎖

商丘工學(xué)院信息與電子工程學(xué)院 劉彥甲

此電子密碼鎖的設(shè)計(jì)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(cè)與修改、限時(shí)輸入鎖定和解鎖電路構(gòu)成。密碼檢測(cè)與修改電路主要由74LS85數(shù)值比較器構(gòu)成，限時(shí)輸入電路主要由555定時(shí)器構(gòu)成，鎖定與解鎖電路主要由74LS74D構(gòu)成。 【關(guān)鍵詞】74LS85與555芯片；檢測(cè)與修改；限時(shí)輸入；鎖定與解鎖

0 引言

傳統(tǒng)的機(jī)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(yuǎn)超機(jī)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(shí)現(xiàn)的密碼鎖。

1 設(shè)計(jì)原理總圖

圖1 設(shè)計(jì)電路總圖

設(shè)計(jì)電路總圖是由多個(gè)基本元器件組成的，有數(shù)值比較器、計(jì)數(shù)器、555定時(shí)器和觸發(fā)器構(gòu)成，經(jīng)過密碼輸入及檢測(cè)，輸入正確密碼則開鎖，密碼錯(cuò)誤后可以重新輸入，但當(dāng)輸入時(shí)間超過15s后則密碼鎖自動(dòng)進(jìn)入報(bào)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(gè)）

74LS04D是6個(gè)非門構(gòu)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(gè)coms反相器，74LS04D的作用就是反相把1變成0，即是與非的關(guān)系。平時(shí)在使用中要注意不要把芯片的管腳順序弄錯(cuò)，否則達(dá)不到預(yù)期的效果。

74LS08D——與門（1個(gè)）

74LS161N——十六進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器（1個(gè)）

74LS160N——十進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器（1個(gè)）

74LS160是中規(guī)模的集成同步十進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器，具有異步清零和同步預(yù)置數(shù)的功能。這種計(jì)數(shù)器通過置零法或置數(shù)法可以實(shí)現(xiàn)任意進(jìn)制[2]，它只能記十個(gè)數(shù)，從0000-1001之后再來時(shí)鐘信號(hào)就又回到了0，CP是時(shí)鐘信號(hào)輸入端，RCO是輸出端，-RD是復(fù)位端，-LOAD是置數(shù)信號(hào)且低電平有效，當(dāng)其為低電平時(shí)，在時(shí)鐘信號(hào)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(dāng)脈沖信號(hào)輸入時(shí)，74LS160開始按脈沖的周期計(jì)數(shù)，對(duì)兩個(gè)芯片QA的輸出進(jìn)行與非門邏輯組合后，輸入到十位芯片的清零端實(shí)現(xiàn)重復(fù)計(jì)時(shí)。

2.2 原理

本電路經(jīng)過74LS85D驗(yàn)證密碼后進(jìn)入后續(xù)計(jì)數(shù)器當(dāng)中開始計(jì)數(shù)。74LS160是十進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器，74LS161是十六進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器，他們的CP控端接外來時(shí)鐘脈沖CP，進(jìn)位輸出C，在做兩個(gè)芯片級(jí)聯(lián)時(shí)，進(jìn)位輸出C接高位的74LS160的工作狀態(tài)控制端CEP和CET，當(dāng)CEP和CET端同為高電平時(shí)，高位計(jì)數(shù)器才可以計(jì)數(shù)。但一般人為輸入密碼時(shí)間為15s，為了防止他人的非法操作，設(shè)計(jì)限時(shí)電路可以在15s以后開始報(bào)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(cuò)誤信號(hào)發(fā)出后不經(jīng)過限時(shí)電路直接進(jìn)入報(bào)警鎖定電路，而輸入密碼時(shí)間超過15s，就算密碼正確也會(huì)進(jìn)入報(bào)警鎖定電路。555定時(shí)器作為脈沖源使得兩個(gè)計(jì)數(shù)器正常工作，可以使得輸入時(shí)間控制在15s以內(nèi)，這樣限時(shí)電路的功能就體現(xiàn)出來了。

3 密碼檢測(cè)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(gòu)形式。

74LS85D可進(jìn)行二進(jìn)制碼和BCD碼的比較，對(duì)兩個(gè)4位字的比較的結(jié)果由三個(gè)輸出端（FA＞B，F(xiàn)A=B,FA＜B）輸出[3]。將若干個(gè)數(shù)值比較器級(jí)聯(lián)就可比較較長(zhǎng)的字，此時(shí)低級(jí)位的FA＞B,FA=B,FA＜B連接到高級(jí)位相應(yīng)的輸入A＞B、A=B、A＜B,并使低級(jí)位的A=B為高電平。由密碼輸入電路和密碼設(shè)定電路輸出的信號(hào)，分別輸入到A、B兩組管腳中，在74LS85D中實(shí)現(xiàn)信號(hào)的比較，選擇OAEQB管腳輸出，當(dāng)A、B兩組輸入完全相同時(shí)，輸出1，否則為0，從而對(duì)密碼進(jìn)行比較并輸出開關(guān)控制及輸出電路，進(jìn)行處理。

3.2 原理

首先先設(shè)定一組密碼（默認(rèn)碼）,然后進(jìn)行電子密碼鎖的密碼輸入環(huán)節(jié)，當(dāng)你輸入完密碼時(shí)，74LS85D開始工作，電路將會(huì)自動(dòng)把你輸入的密碼與默認(rèn)碼相比較，判斷是否正確。如果正確，則會(huì)與上面的限時(shí)電路發(fā)出的信號(hào)一起進(jìn)入開鎖電路，鎖自動(dòng)打開。若錯(cuò)誤或輸入密碼時(shí)間超過15s，該錯(cuò)誤密碼將與上面限時(shí)電路發(fā)出的信號(hào)一塊進(jìn)入報(bào)警鎖定電路，系統(tǒng)將會(huì)報(bào)警并鎖定密碼鎖，避免他人進(jìn)行非法操作，提高其安全性。

如圖，key=8，key=7，key=6，key=5是設(shè)置的起始開鎖密碼，或直接輸入數(shù)字也可以實(shí)現(xiàn)設(shè)置。key=z，key=x，key=c，key=v是進(jìn)行密碼的輸入（或直接按鍵輸入也行），并且與之前儲(chǔ)存的密碼相比較。輸入進(jìn)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(gè)密碼錯(cuò)誤或者時(shí)間超過15s，則電路進(jìn)入報(bào)警階段并使之鎖定（即電路圖中X1和X3亮）。這是其檢測(cè)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(gè)開關(guān)換一下位置，交換以后重新設(shè)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(gè)報(bào)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(dá)到報(bào)警的功能。我們這個(gè)D的來源是十位芯片的清零控制，經(jīng)過非門之后，進(jìn)入芯片D端的輸入[4]。這樣當(dāng)其完成了15s的計(jì)時(shí)之后，則其D觸發(fā)器就可輸出一個(gè)高電平，從而出觸發(fā)報(bào)警燈的響應(yīng)，完成報(bào)警功能。

555——定時(shí)器（1個(gè)）

555定時(shí)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(gòu)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(shí)器在波形的產(chǎn)生與交換、測(cè)量與控制、電子玩具、家用電器等許多領(lǐng)域中都得到廣泛的應(yīng)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(dāng)觸發(fā)器接受上比較器A1從R腳輸入的高電平時(shí)，觸發(fā)器被置于復(fù)位狀態(tài)，3腳輸出低電平；2腳和6腳是互補(bǔ)的，2腳只對(duì)低電平起作用，對(duì)高電平不起作用，即電壓小于1/3倍Vdd，此時(shí)3腳輸出高電平。6腳為閾值端，只對(duì)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(gè)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(shí)，輸出電流最大可大于200mA。

4腳是復(fù)位端，當(dāng)4腳電位小于0.4V時(shí)，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(shí)高（或低），7腳稱為虛高（或低）。

555定時(shí)器的工作原理：它含有兩個(gè)電壓比較器，一個(gè)基本RS觸發(fā)器，一個(gè)放電開關(guān)T，比較器的參考電壓由三只5千歐姆的電阻器構(gòu)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(guān)狀態(tài)。當(dāng)輸入信號(hào)輸入并超過2/3倍Vdd時(shí)，觸發(fā)器復(fù)位，555的輸出端3腳輸出低電平，同時(shí)放電，開關(guān)管導(dǎo)通；當(dāng)輸入信號(hào)自2腳輸入并低于1/3倍Vdd時(shí)，觸發(fā)器置位，555的3腳輸出高電平，同時(shí)放電，開關(guān)管截止。-TR是復(fù)位端，當(dāng)其為0時(shí)，555輸出低電平。平時(shí)該端開路或接Vdd。

4.2 原理

此控制電路主要由555定時(shí)器和觸發(fā)器構(gòu)成，555定時(shí)器規(guī)定密碼輸入的時(shí)間，輸入密碼時(shí)超過限定時(shí)間后觸發(fā)報(bào)警系統(tǒng)達(dá)到限時(shí)報(bào)警作用。即輸入密碼與設(shè)置密碼不同且輸入時(shí)間超過15s時(shí)，555定時(shí)器發(fā)出信號(hào)經(jīng)過觸發(fā)器使得電路進(jìn)入鎖定狀態(tài)（即X3亮）。并且開始報(bào)警（即X1亮，電路處于鎖定狀態(tài)，報(bào)警一段時(shí)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(hào)輸入后才能恢復(fù)正常。

密碼輸入與限時(shí)電路的輸出信號(hào)先經(jīng)過計(jì)數(shù)器，當(dāng)密碼錯(cuò)誤并且輸入時(shí)間超過15s，就會(huì)經(jīng)觸發(fā)器作用進(jìn)入報(bào)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(hào)，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(shè)計(jì)定時(shí)-非定時(shí)兩用開關(guān)[J].長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2008(2):238-240.

[2]喬琳君.基于EWB的N進(jìn)制計(jì)數(shù)器仿真設(shè)計(jì)[J].電子測(cè)試,2013(9):12-14.

[3]黃斌.數(shù)顯占空比矩形波信號(hào)發(fā)生器設(shè)計(jì)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(dòng)芯片設(shè)計(jì)[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(shí)器的應(yīng)用[J].高等函授學(xué)報(bào),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(shù)方面的教育與研究。