徐諾 何茜

*通信作者：何茜（1995-），女，工學(xué)碩士，講師。研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)、風(fēng)電系統(tǒng)可靠性建模與仿真。

DOI：10.19981/j.CN23-1581/G3.2024.12.028

摘? 要：產(chǎn)品更新迭代，現(xiàn)在人們使用的防盜手段，已經(jīng)從傳統(tǒng)的機(jī)械鎖轉(zhuǎn)變到電子密碼鎖。該設(shè)計(jì)提出一種基于數(shù)字電路芯片的電子密碼鎖設(shè)計(jì)方法，以數(shù)字芯片為核心設(shè)計(jì)邏輯電路，克服機(jī)械式密碼鎖密碼量少、安全性差的缺點(diǎn)。該系統(tǒng)具有密碼設(shè)置、按鍵提示音、記錄輸入密碼錯誤次數(shù)、3次密碼錯誤后觸發(fā)報(bào)警和輸入正確密碼有指示燈等功能，具有成本低廉、功能實(shí)用的特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：密碼鎖；數(shù)字芯片；邏輯電路；門電路；設(shè)計(jì)

中圖分類號：TP368? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：2095-2945（2024）12-0124-04

Abstract： Product update iteration， now people use anti-theft means， has changed from the traditional mechanical lock to the electronic password lock. In this design， an electronic password lock design method based on digital circuit chip is proposed， and the logic circuit is designed with digital chip as the core， which overcomes the shortcomings of mechanical password lock with less password and poor security. The system has the functions of password setting， key prompt tone， recording the number of password errors， triggering the alarm after three password errors， and inputting the correct password with indicator lights， with the characteristics of low cost and practical function.

Keywords： password lock; digital chip; logic circuit; gate circuit; design

在日常生活和工作中，家庭和公司等地方的安全防范、重要文件及一些個人資料的保存一般都要通過加鎖的辦法來保證安全性。傳統(tǒng)機(jī)械鎖中彈子鎖是使用最廣泛的一種鎖。其一般分上下2個彈子，彈簧在外筒上頂住2個彈子，此時(shí)會把內(nèi)筒和外筒固定住。當(dāng)用正確的鑰匙插入鎖芯之后，上下彈子的縫隙會跟內(nèi)外筒的縫隙一一對齊，此時(shí)內(nèi)筒就可以旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)動一定角度就可開鎖。彈子鎖的彈子越多，開鎖難度就越大，因此為了做出安全性更好的鎖，也會安裝幾排甚至更多彈子，每一排方向各不相同，應(yīng)用這種制造工藝改良后十字鑰匙、圓柱鑰匙就此誕生。

傳統(tǒng)機(jī)械鎖的應(yīng)用，使得人們?nèi)粘３鲂幸獢y帶多把鑰匙，使用很不方便，而且鑰匙也容易丟失，安全性大打折扣。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，人們對鎖的需求已經(jīng)不僅僅限于防護(hù)，還要求更加便捷。為了滿足人們對安全性的需求，用密碼代替鑰匙的密碼鎖應(yīng)運(yùn)而生，密碼鎖具有安全性高、成本低、功耗低和易操作等優(yōu)點(diǎn)，不用攜帶任何門卡或者鑰匙，因此廣泛受到人們的青睞。而具有報(bào)警功能的電子密碼鎖，克服了傳統(tǒng)密碼鎖的一些缺點(diǎn)，大大提升了技術(shù)性能。電子密碼鎖安全性較高的同時(shí)，密碼還可以自由更換，不知道正確密碼則解鎖困難，輸錯密碼達(dá)到一定的次數(shù)，還會觸發(fā)密碼鎖鎖定狀態(tài)，大大提高了密碼鎖的安全可靠性。本設(shè)計(jì)應(yīng)用數(shù)字電路芯片設(shè)計(jì)邏輯電路，以實(shí)現(xiàn)密碼鎖的功能，給出了基于數(shù)字電路芯片的電子密碼鎖設(shè)計(jì)流程，主要包括選取元器件、電路設(shè)計(jì)思路、模擬仿真等步驟。基于數(shù)字電路芯片設(shè)計(jì)的電子密碼鎖能夠?qū)崿F(xiàn)密碼鎖的各項(xiàng)功能，大大提高了密碼鎖的安全可靠性，具有密碼設(shè)置、按鍵提示音、記錄輸入密碼錯誤次數(shù)、3次密碼錯誤后觸發(fā)報(bào)警及輸入正確密碼有指示燈等功能，克服了機(jī)械式密碼鎖密碼量少、安全性差的缺點(diǎn)，具有成本低廉、功能實(shí)用的特點(diǎn)。

1? 基于數(shù)字電路芯片的電子密碼鎖設(shè)計(jì)原理及流程

本設(shè)計(jì)選用數(shù)字電路芯片作為密碼鎖的主控元器件，即74系列芯片。主控元件主要由74LS85、74LS175、74LS47、74LS147、74LS161和555定時(shí)器等芯片組成。

74LS85芯片是數(shù)值比較器，輸入2組二進(jìn)制數(shù)進(jìn)行比較大小，大于、小于、等于分別對應(yīng)一個端口，當(dāng)比較結(jié)果屬于大于、小于、等于中任意一類時(shí)，相應(yīng)的這一位就會輸出邏輯1。通過按鍵輸入的密碼與自行設(shè)定的正確密碼進(jìn)行比較，6位密碼都與正確密碼一致時(shí)會給電路提供一個解鎖信號，從而開鎖。

74LS175芯片是4D觸發(fā)器，芯片由6個D觸發(fā)器集成而成，能夠構(gòu)成寄存器、搶答器等功能部件。1引腳輸入低電平時(shí)，所有Q輸出為0，Q非輸出為1；9引腳是時(shí)鐘輸入端，是上升沿觸發(fā)，鎖存入D觸發(fā)器。復(fù)位按鍵一端接地一端接每一片74LS175的復(fù)位端，電路工作時(shí)，按下復(fù)位按鍵S，Q1、Q2、Q3和Q4輸出低電平。在本電路中用于數(shù)據(jù)的鎖存，可以通過控制它的CLK端口實(shí)現(xiàn)密碼串行輸入，按鍵輸入某一位密碼時(shí)，通過計(jì)數(shù)器當(dāng)前數(shù)值可以確定出哪一位的74LS175處于工作狀態(tài)，處于工作狀態(tài)的芯片導(dǎo)通，把數(shù)據(jù)輸送給74LS85芯片進(jìn)行比較。

74LS47芯片是BCD-7段數(shù)碼管譯碼器驅(qū)動器，74LS47的功能用于將二進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)化成數(shù)碼管中的數(shù)字，可以直接把數(shù)字轉(zhuǎn)換為數(shù)碼管的數(shù)字。譯碼器的作用是把輸入的二進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)化成高、低電平輸出。常用的有二進(jìn)制譯碼器、二-十進(jìn)制譯碼器及顯示譯碼器，應(yīng)用這些譯碼器可以驅(qū)動不同的數(shù)碼管進(jìn)行顯示，本設(shè)計(jì)中將74LS175芯片傳輸過來的數(shù)字轉(zhuǎn)化成數(shù)碼管中的數(shù)字，實(shí)現(xiàn)輸入密碼實(shí)時(shí)顯示。

74LS147芯片是10線-4線的優(yōu)先編碼器，輸出和輸入都是反碼，輸出需要接反相器取原碼。當(dāng)某個端口輸入低電平時(shí)，即輸入了該端口對應(yīng)的十進(jìn)制數(shù)，輸出的是這個十進(jìn)制數(shù)的二進(jìn)制表示形式，Y9非的優(yōu)先級最高。當(dāng)9個輸入端全為高電平，代表輸入的是十進(jìn)制數(shù)0。4個輸出端反映輸入十進(jìn)制數(shù)的二進(jìn)制輸出。在本設(shè)計(jì)中用于按鍵檢測，標(biāo)注數(shù)字的按鍵接地后對應(yīng)接入74LS147的輸入端，即按鍵1與74LS147的Y1非引腳相連，表示按下該按鍵時(shí)，代表輸入密碼為1。其余8個按鍵按照按鍵1的方式連接，當(dāng)標(biāo)注1—9的按鍵都沒按下時(shí)，代表輸入的這一位密碼是十進(jìn)制數(shù)的0。這樣當(dāng)標(biāo)注數(shù)字的按鍵按下，74LS147芯片就能把相應(yīng)的十進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)化成二進(jìn)制，接反相器后得到原碼，然后傳輸給數(shù)碼管顯示。

74LS161是四位二進(jìn)制可預(yù)置的同步加法計(jì)數(shù)器，當(dāng)復(fù)位端CR=“0”時(shí)，計(jì)數(shù)器輸出Q3、Q2、Q1、Q0都置零，這個時(shí)候?yàn)楫惒綇?fù)位功能。當(dāng)CR=“1”且LD=“0”時(shí)，CLK信號上升沿作用，74LS161輸出端Q3、Q2、Q1、Q0的狀態(tài)分別與并行數(shù)據(jù)輸入端D3、D2、D1、D0的狀態(tài)一樣，此時(shí)是同步置數(shù)功能。在電路中的主要作用有3個：①與按鍵相連，當(dāng)某一個按鍵按下，也就是輸入一位密碼后，計(jì)數(shù)器就會獲得一個CLK，從而進(jìn)行加一操作一次，這樣就可以通過74LS161計(jì)數(shù)器輸出的二進(jìn)制數(shù)控制74LS175的工作狀態(tài)。②用于報(bào)警電路記錄輸入密碼次數(shù)。③用于按鍵提示音計(jì)數(shù)。

555定時(shí)器可以用來產(chǎn)生周期性的方波信號，改變外接電阻和電容的值可以改變方波頻率。此外還可以用作PWM，實(shí)際上就是通過調(diào)整電阻、電容的數(shù)值改變電路的占空比來實(shí)現(xiàn)的，PWM可以用作電機(jī)調(diào)速的輸入脈沖。555定時(shí)器外接電阻和電容能實(shí)現(xiàn)延時(shí)功能，比較精準(zhǔn)。本設(shè)計(jì)中555定時(shí)器用于制作按鍵提示音。在主控電路外，加入用于輸入密碼的按鍵、用于顯示的數(shù)碼管、用于報(bào)警的蜂鳴器及放大信號用的三極管。輸入正確密碼開鎖，當(dāng)輸入錯誤密碼時(shí)錯誤指示燈亮起，錯誤輸入密碼會記錄錯誤次數(shù)，達(dá)到3次會發(fā)出警報(bào)；電路具備復(fù)位功能以及開機(jī)清零，具有按鍵提示功能，按下會有滴滴聲；按下錯誤密碼，可以使用清零按鍵，清除已經(jīng)按下的數(shù)字；密碼輸入正確，指示燈亮，錯誤次數(shù)清零，蜂鳴器不響。

基于數(shù)字電路芯片的電子密碼鎖的功能原理與設(shè)計(jì)流程如圖1所示。

2? 基于數(shù)字電路芯片的電子密碼鎖電路設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)是6位電子密碼鎖，具備復(fù)位功能以及開機(jī)清零，具有按鍵提示功能，按下會有滴滴聲；錯誤輸入密碼會記錄錯誤次數(shù)，達(dá)到3次會發(fā)出警報(bào)；錯誤按下密碼，可以使用清零按鍵，清除已經(jīng)按下的數(shù)字；密碼輸入正確，指示燈亮，錯誤次數(shù)清零，蜂鳴器不響。各數(shù)字電路實(shí)現(xiàn)方法如下。

2.1? 按鍵檢測電路

檢測按鍵0—9這10個按鍵。首先，這10個按鍵連接10線-4線8421 BCD碼優(yōu)先編碼器74LS147的輸入端口，由于74LS147這個芯片輸入時(shí)是低電平，有效且優(yōu)先級從9端口—1端口依次遞減，所以按鍵另一端要接地，即按鍵按下時(shí)編碼器輸入低電平。1—9每個按鍵分別對應(yīng)芯片的1—9管腳，由于該優(yōu)先編碼器輸出的是反碼，所以在輸出端接上反相器就可以實(shí)現(xiàn)按下標(biāo)注數(shù)字的按鍵輸出得到這個數(shù)的二進(jìn)制形式，例如，當(dāng)代表2的按鍵按下時(shí)，74LS147輸出的二進(jìn)制數(shù)為0010。

接下來為了保證輸入第一位密碼時(shí)，其余位置保持不變，把每個按鍵用與門連在一起，由于沒有10輸入與門，所以本設(shè)計(jì)采用一個8輸入與門和3輸入與門實(shí)現(xiàn)。與門的輸出取反后作為計(jì)數(shù)器74LS161 CLK觸發(fā)，0—9這10個按鍵有任意一個按鍵按下都會觸發(fā)計(jì)數(shù)器一次，記一次數(shù)，然而計(jì)數(shù)器輸出的二進(jìn)制數(shù)可以用來控制鎖存電路的通斷，進(jìn)而達(dá)到輸入某一位密碼時(shí)不會影響其他位置的數(shù)字，進(jìn)而提高了密碼鎖的穩(wěn)定性和可實(shí)現(xiàn)性。每次輸完6位密碼后都會把用于限制密碼串行顯示在數(shù)碼管上的計(jì)數(shù)器（U49）異步清零，即輸完6位密碼后再次進(jìn)行輸入時(shí)自動跳轉(zhuǎn)到密碼的第一位。

圖1? 電路設(shè)計(jì)流程圖

2.2? 數(shù)碼管顯示電路

本電路設(shè)計(jì)采用的數(shù)碼管譯碼芯片為74LS47。74LS47為共陽極數(shù)碼管譯碼器，因此選用共陽極數(shù)碼管。當(dāng)存儲電路的數(shù)據(jù)輸出給74LS47譯碼器時(shí)，數(shù)碼管將顯示存儲電路所存儲的數(shù)據(jù)。共陽極數(shù)碼管的輸入引腳接上拉電阻，目的是分流，避免數(shù)碼管被燒。

2.3? 比較電路

比較電路主要由6片74LS85實(shí)現(xiàn)，U45對計(jì)數(shù)器U4的Q0、Q1、Q2進(jìn)行或非，當(dāng)U4的Q0=Q1=Q2=0時(shí)，說明6位密碼輸入完畢，可進(jìn)行密碼比較。每位數(shù)碼管存儲電路的數(shù)據(jù)輸出給對應(yīng)的74LS85比較器的輸入端，通過與比較器的另外4個輸入端所存數(shù)據(jù)進(jìn)行比較得出二者大小關(guān)系，從而得出單位密碼比較結(jié)果。比較原理即把輸入的按鍵碼數(shù)轉(zhuǎn)化成二進(jìn)制數(shù)與密碼鎖自行設(shè)置的密碼進(jìn)行比較，每一位都進(jìn)行比較。以一位為例，如果輸入一位數(shù)字與密碼相同，那么74LS85芯片就能輸出高電平，判斷密碼是否正確可以在74LS85的輸出端接發(fā)光二極管，可以直觀觀察。當(dāng)然也可以在74LS85芯片6個輸出端接與門，實(shí)現(xiàn)6位密碼都輸入正確的時(shí)候與門才會輸出高電平。

2.4? 報(bào)警電路

6個74LS85接與門后接一個二極管作為指示燈，每一個74LS85輸出A=B進(jìn)行與運(yùn)算，當(dāng)每一位密碼都正確，與門輸出為1，指示燈才能亮。

報(bào)警電路由計(jì)數(shù)器、與門、三極管及蜂鳴器組成。6位密碼輸入完成后會輸出一個數(shù)字信號，這個信號作為報(bào)警電路的觸發(fā)脈沖，每觸發(fā)一次計(jì)數(shù)器加一，計(jì)數(shù)器輸出的低兩位接與門，低兩位同時(shí)為1時(shí)才能輸出高電平，觸發(fā)蜂鳴器發(fā)聲，0000～0011共3個狀態(tài)，這就實(shí)現(xiàn)了記錄輸入密碼錯誤次數(shù)，當(dāng)輸入3次錯誤密碼，計(jì)數(shù)器（U46）此時(shí)計(jì)數(shù)計(jì)到Q3 Q2 Q1 Q0=0011時(shí)，蜂鳴器（BUZ1）發(fā)出響聲，此后輸入密碼且密碼不正確，U46輸出保持為Q3 Q2 Q1 Q0=0011，蜂鳴器（BUZ1）不停止響聲，直到密碼輸入正確，U46輸出置零，蜂鳴器（BUZ1）才會停止響聲。

2.5? 串行輸入思路

以前2位為例：U46計(jì)數(shù)器1—6分別對應(yīng)一片74LS175的開通，計(jì)數(shù)器輸出1的二進(jìn)制數(shù)Q3 Q2 Q1 Q0=0001時(shí)會給第一片74LS175脈沖，其他幾片由于沒有上升沿觸發(fā)所以都處在不工作的狀態(tài)，直到第二次按下某一個按鈕計(jì)數(shù)器加一，輸出2的二進(jìn)制表示形式Q3 Q2 Q1 Q0=0010，此時(shí)第一片74LS175沒有上升沿觸發(fā)了，停止工作。第二片獲得上升沿脈沖開始工作，3到6片74LS175仍處在不工作的狀態(tài)。以此類推用真值表法設(shè)計(jì)邏輯電路實(shí)現(xiàn)十進(jìn)制1—6的二進(jìn)制數(shù)分別提供一片74LS175的上升沿脈沖。

2.6? 獨(dú)立按鍵復(fù)位電路、自動清零電路

獨(dú)立復(fù)位按鍵是通過控制74LS175 4D觸發(fā)器芯片的MR（復(fù)位端口）實(shí)現(xiàn)的，按下清零按鍵后，6位數(shù)碼管都將清零?；蜉斎?位密碼后，再次輸入一位密碼，除第一位數(shù)碼管顯示所按下按鍵代表的數(shù)字，其余5位數(shù)碼管顯示數(shù)字為0。（觸發(fā)第一片74LS175? CLK信號作為后5片芯片復(fù)位端口的輸入信號，從而實(shí)現(xiàn)第二次輸入密碼時(shí)按下第一位密碼后其余幾位清零，后5片始終保持在置零狀態(tài)）第一位數(shù)碼管存儲電路通過置零端與按鍵相連，當(dāng)按下清零按鍵后，置零端為零電平起作用將其置零。

后5位數(shù)碼管存儲電路清零端受清零按鍵及第一位數(shù)碼管存儲電路的CLK端進(jìn)行與運(yùn)算控制。當(dāng)按鍵按下或者CLK 為高電平時(shí)都可將數(shù)碼管清零。

2.7? 按鍵提示電路

按鍵提示電路每當(dāng)有按鍵按下，會發(fā)出滴滴聲，按鍵按下后發(fā)出滴滴聲的時(shí)間不會因按下時(shí)間長而變長。

此電路用555定時(shí)器組成多諧振蕩器作為74LS161（U53）的時(shí)鐘源，當(dāng)任意按鍵按下時(shí)，EP引腳被置高，74LS161（U53）進(jìn)行計(jì)數(shù)，74LS161（U53）輸出Q3 Q2 Q1 Q0=1000時(shí)，將計(jì)數(shù)器異步清零。當(dāng)按鍵按下時(shí)間過短，74LS161（U53）進(jìn)行計(jì)數(shù)輸出Q3 Q2 Q1 Q0＜1 000，也會將計(jì)數(shù)器異步清零。EP端和RD端由Q3和按鍵共同控制，通過列寫真值表，化簡邏輯函數(shù)式得出其關(guān)系。

3? Proteus仿真驗(yàn)證

根據(jù)上文設(shè)計(jì)思路，搭建Proteus仿真電路，對本文所設(shè)計(jì)的密碼鎖進(jìn)行測試。例如：設(shè)置密碼為888888（密碼可以自行修改），輸入密碼時(shí)按鍵有提示音，當(dāng)輸入正確密碼時(shí)指示燈亮起。當(dāng)密碼輸入錯誤時(shí)，指示燈不亮，但是當(dāng)連續(xù)輸入錯誤密碼3次時(shí)，就會觸發(fā)報(bào)警，再次輸入正確密碼可以解除警報(bào)。

經(jīng)過測試，預(yù)設(shè)功能得以實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)具有輸入正確密碼開鎖和報(bào)警功能，仿真驗(yàn)證了本設(shè)計(jì)的實(shí)用性、正確性，可以應(yīng)用在日常生活中，保障財(cái)產(chǎn)生命安全。

4? 結(jié)束語

我國民用智能鎖誕生于2001年，直到現(xiàn)在電子密碼鎖已經(jīng)從早期的指紋解鎖發(fā)展到使用密碼、卡、物聯(lián)網(wǎng)和生物識別等電子技術(shù)實(shí)現(xiàn)上鎖及解鎖，應(yīng)用這些技術(shù)的產(chǎn)品包含了門鎖、掛鎖、交通鎖和家具鎖等絕大多數(shù)鎖類產(chǎn)品，隨著萬物互聯(lián)，鎖類產(chǎn)品也逐漸地開始向智能家居、物聯(lián)網(wǎng)等新興技術(shù)靠攏，產(chǎn)值自誕生至今已經(jīng)翻了數(shù)番。密碼鎖采用電子技術(shù)，內(nèi)部裝有芯片組成的電路。對于本設(shè)計(jì)來說，當(dāng)需要開鎖輸入密碼時(shí)，鎖內(nèi)的74系列芯片會對輸入的密碼與設(shè)定的密碼進(jìn)行比較、驗(yàn)證，當(dāng)密碼輸入正確時(shí)，內(nèi)部74系列芯片會發(fā)出密碼正確的信號，門鎖打開；反之，門鎖將保持上鎖狀態(tài)，當(dāng)達(dá)到一定的試錯次數(shù)后密碼鎖會發(fā)出警報(bào)。

電子密碼鎖在現(xiàn)實(shí)生活中應(yīng)用廣泛，主要用于重要場合或者重要物品的防護(hù)，其容易操作、不用攜帶實(shí)物型開鎖物品是領(lǐng)先于傳統(tǒng)機(jī)械鎖的最大特點(diǎn)?，F(xiàn)在大多密碼鎖是應(yīng)用單片機(jī)來實(shí)現(xiàn)的，本設(shè)計(jì)用純數(shù)字電路實(shí)現(xiàn)密碼鎖的功能。本設(shè)計(jì)以數(shù)字芯片為核心設(shè)計(jì)邏輯電路，系統(tǒng)具有按鍵提示音、記錄輸入密碼錯誤次數(shù)，3次后觸發(fā)報(bào)警，輸入正確有指示燈，經(jīng)過仿真測試證實(shí)了密碼鎖的可實(shí)現(xiàn)性?；跀?shù)字電路芯片的電子密碼鎖設(shè)計(jì)，克服了機(jī)械式密碼鎖密碼量少、安全性差的缺點(diǎn)，具有成本低廉、功能實(shí)用的特點(diǎn)。

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