基于数字电路芯片的电子密码锁设计

徐诺 何茜

*通信作者：何茜（1995-），女，工学硕士，讲师。研究方向为电力系统、风电系统可靠性建模与仿真。

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

摘  要：产品更新迭代，现在人们使用的防盗手段，已经从传统的机械锁转变到电子密码锁。该设计提出一种基于数字电路芯片的电子密码锁设计方法，以数字芯片为核心设计逻辑电路，克服机械式密码锁密码量少、安全性差的缺点。该系统具有密碼设置、按键提示音、记录输入密码错误次数、3次密码错误后触发报警和输入正确密码有指示灯等功能，具有成本低廉、功能实用的特点。

关键词：密码锁；数字芯片；逻辑电路；门电路；设计

中图分类号：TP368      文献标志码：A          文章编号：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、重要文件及一些个人资料的保存一般都要通过加锁的办法来保证安全性。传统机械锁中弹子锁是使用最广泛的一种锁。其一般分上下2个弹子，弹簧在外筒上顶住2个弹子，此时会把内筒和外筒固定住。当用正确的钥匙插入锁芯之后，上下弹子的缝隙会跟内外筒的缝隙一一对齐，此时内筒就可以旋转，转动一定角度就可开锁。弹子锁的弹子越多，开锁难度就越大，因此为了做出安全性更好的锁，也会安装几排甚至更多弹子，每一排方向各不相同，应用这种制造工艺改良后十字钥匙、圆柱钥匙就此诞生。

传统机械锁的应用，使得人们日常出行要携带多把钥匙，使用很不方便，而且钥匙也容易丢失，安全性大打折扣。随着科学技术的不断发展，人们对锁的需求已经不仅仅限于防护，还要求更加便捷。为了满足人们对安全性的需求，用密码代替钥匙的密码锁应运而生，密码锁具有安全性高、成本低、功耗低和易操作等优点，不用携带任何门卡或者钥匙，因此广泛受到人们的青睐。而具有报警功能的电子密码锁，克服了传统密码锁的一些缺点，大大提升了技术性能。电子密码锁安全性较高的同时，密码还可以自由更换，不知道正确密码则解锁困难，输错密码达到一定的次数，还会触发密码锁锁定状态，大大提高了密码锁的安全可靠性。本设计应用数字电路芯片设计逻辑电路，以实现密码锁的功能，给出了基于数字电路芯片的电子密码锁设计流程，主要包括选取元器件、电路设计思路、模拟仿真等步骤。基于数字电路芯片设计的电子密码锁能够实现密码锁的各项功能，大大提高了密码锁的安全可靠性，具有密码设置、按键提示音、记录输入密码错误次数、3次密码错误后触发报警及输入正确密码有指示灯等功能，克服了机械式密码锁密码量少、安全性差的缺点，具有成本低廉、功能实用的特点。

1  基于数字电路芯片的电子密码锁设计原理及流程

本设计选用数字电路芯片作为密码锁的主控元器件，即74系列芯片。主控元件主要由74LS85、74LS175、74LS47、74LS147、74LS161和555定时器等芯片组成。

74LS85芯片是数值比较器，输入2组二进制数进行比较大小，大于、小于、等于分别对应一个端口，当比较结果属于大于、小于、等于中任意一类时，相应的这一位就会输出逻辑1。通过按键输入的密码与自行设定的正确密码进行比较，6位密码都与正确密码一致时会给电路提供一个解锁信号，从而开锁。

74LS175芯片是4D触发器，芯片由6个D触发器集成而成，能够构成寄存器、抢答器等功能部件。1引脚输入低电平时，所有Q输出为0，Q非输出为1；9引脚是时钟输入端，是上升沿触发，锁存入D触发器。复位按键一端接地一端接每一片74LS175的复位端，电路工作时，按下复位按键S，Q1、Q2、Q3和Q4输出低电平。在本电路中用于数据的锁存，可以通过控制它的CLK端口实现密码串行输入，按键输入某一位密码时，通过计数器当前数值可以确定出哪一位的74LS175处于工作状态，处于工作状态的芯片导通，把数据输送给74LS85芯片进行比较。

74LS47芯片是BCD-7段数码管译码器驱动器，74LS47的功能用于将二进制数转化成数码管中的数字，可以直接把数字转换为数码管的数字。译码器的作用是把输入的二进制数转化成高、低电平输出。常用的有二进制译码器、二-十进制译码器及显示译码器，应用这些译码器可以驱动不同的数码管进行显示，本设计中将74LS175芯片传输过来的数字转化成数码管中的数字，实现输入密码实时显示。

74LS147芯片是10线-4线的优先编码器，输出和输入都是反码，输出需要接反相器取原码。当某个端口输入低电平时，即输入了该端口对应的十进制数，输出的是这个十进制数的二进制表示形式，Y9非的优先级最高。当9个输入端全为高电平，代表输入的是十进制数0。4个输出端反映输入十进制数的二进制输出。在本设计中用于按键检测，标注数字的按键接地后对应接入74LS147的输入端，即按键1与74LS147的Y1非引脚相连，表示按下该按键时，代表输入密码为1。其余8个按键按照按键1的方式连接，当标注1—9的按键都没按下时，代表输入的这一位密码是十进制数的0。这样当标注数字的按键按下，74LS147芯片就能把相应的十进制数转化成二进制，接反相器后得到原码，然后传输给数码管显示。

74LS161是四位二进制可预置的同步加法计数器，当复位端CR=“0”时，计数器输出Q3、Q2、Q1、Q0都置零，这个时候为异步复位功能。当CR=“1”且LD=“0”时，CLK信号上升沿作用，74LS161输出端Q3、Q2、Q1、Q0的状态分别与并行数据输入端D3、D2、D1、D0的状态一样，此时是同步置数功能。在电路中的主要作用有3个：①与按键相连，当某一个按键按下，也就是输入一位密码后，计数器就会获得一个CLK，从而进行加一操作一次，这样就可以通过74LS161计数器输出的二进制数控制74LS175的工作状态。②用于报警电路记录输入密码次数。③用于按键提示音计数。

555定时器可以用来产生周期性的方波信号，改变外接电阻和电容的值可以改变方波频率。此外还可以用作PWM，实际上就是通过调整电阻、电容的数值改变电路的占空比来实现的，PWM可以用作电机调速的输入脉冲。555定时器外接电阻和电容能实现延时功能，比较精准。本设计中555定时器用于制作按键提示音。在主控电路外，加入用于输入密码的按键、用于显示的数码管、用于报警的蜂鸣器及放大信号用的三极管。输入正确密码开锁，当输入错误密码时错误指示灯亮起，错误输入密码会记录错误次数，达到3次会发出警报；电路具备复位功能以及开机清零，具有按键提示功能，按下会有滴滴声；按下错误密码，可以使用清零按键，清除已经按下的数字；密码输入正确，指示灯亮，错误次数清零，蜂鸣器不响。

基于数字电路芯片的电子密码锁的功能原理与设计流程如图1所示。

2  基于数字电路芯片的电子密码锁电路设计

本设计是6位电子密码锁，具备复位功能以及开机清零，具有按键提示功能，按下会有滴滴声；错误输入密码会记录错误次数，达到3次会发出警报；错误按下密码，可以使用清零按键，清除已经按下的数字；密码输入正确，指示灯亮，错误次数清零，蜂鸣器不响。各数字电路实现方法如下。

2.1  按键检测电路

检测按键0—9这10个按键。首先，这10个按键连接10线-4线8421 BCD码优先编码器74LS147的输入端口，由于74LS147这个芯片输入时是低电平，有效且优先级从9端口—1端口依次递减，所以按键另一端要接地，即按键按下时编码器输入低电平。1—9每个按键分别对应芯片的1—9管脚，由于该优先编码器输出的是反码，所以在输出端接上反相器就可以实现按下标注数字的按键输出得到这个数的二进制形式，例如，当代表2的按键按下时，74LS147输出的二进制数为0010。

接下来为了保证输入第一位密码时，其余位置保持不变，把每个按键用与门连在一起，由于没有10输入与门，所以本设计采用一个8输入与门和3输入与门实现。与门的输出取反后作为计数器74LS161 CLK触发，0—9这10个按键有任意一个按键按下都会触发计数器一次，记一次数，然而计数器输出的二进制数可以用来控制锁存电路的通断，进而达到输入某一位密码时不会影响其他位置的数字，进而提高了密码锁的稳定性和可实现性。每次输完6位密码后都会把用于限制密碼串行显示在数码管上的计数器（U49）异步清零，即输完6位密码后再次进行输入时自动跳转到密码的第一位。

图1  电路设计流程图

2.2  数码管显示电路

本电路设计采用的数码管译码芯片为74LS47。74LS47为共阳极数码管译码器，因此选用共阳极数码管。当存储电路的数据输出给74LS47译码器时，数码管将显示存储电路所存储的数据。共阳极数码管的输入引脚接上拉电阻，目的是分流，避免数码管被烧。

2.3  比较电路

比较电路主要由6片74LS85实现，U45对计数器U4的Q0、Q1、Q2进行或非，当U4的Q0=Q1=Q2=0时，说明6位密码输入完毕，可进行密码比较。每位数码管存储电路的数据输出给对应的74LS85比较器的输入端，通过与比较器的另外4个输入端所存数据进行比较得出二者大小关系，从而得出单位密码比较结果。比较原理即把输入的按键码数转化成二进制数与密码锁自行设置的密码进行比较，每一位都进行比较。以一位为例，如果输入一位数字与密码相同，那么74LS85芯片就能输出高电平，判断密码是否正确可以在74LS85的输出端接发光二极管，可以直观观察。当然也可以在74LS85芯片6个输出端接与门，实现6位密码都输入正确的时候与门才会输出高电平。

2.4  报警电路

6个74LS85接与门后接一个二极管作为指示灯，每一个74LS85输出A=B进行与运算，当每一位密码都正确，与门输出为1，指示灯才能亮。

报警电路由计数器、与门、三极管及蜂鸣器组成。6位密码输入完成后会输出一个数字信号，这个信号作为报警电路的触发脉冲，每触发一次计数器加一，计数器输出的低两位接与门，低两位同时为1时才能输出高电平，触发蜂鸣器发声，0000～0011共3个状态，这就实现了记录输入密码错误次数，当输入3次错误密码，计数器（U46）此时计数计到Q3 Q2 Q1 Q0=0011时，蜂鸣器（BUZ1）发出响声，此后输入密码且密码不正确，U46输出保持为Q3 Q2 Q1 Q0=0011，蜂鸣器（BUZ1）不停止响声，直到密码输入正确，U46输出置零，蜂鸣器（BUZ1）才会停止响声。

2.5  串行输入思路

以前2位为例：U46计数器1—6分别对应一片74LS175的开通，计数器输出1的二进制数Q3 Q2 Q1 Q0=0001时会给第一片74LS175脉冲，其他几片由于没有上升沿触发所以都处在不工作的状态，直到第二次按下某一个按钮计数器加一，输出2的二进制表示形式Q3 Q2 Q1 Q0=0010，此时第一片74LS175没有上升沿触发了，停止工作。第二片获得上升沿脉冲开始工作，3到6片74LS175仍处在不工作的状态。以此类推用真值表法设计逻辑电路实现十进制1—6的二进制数分别提供一片74LS175的上升沿脉冲。

2.6  独立按键复位电路、自动清零电路

独立复位按键是通过控制74LS175 4D触发器芯片的MR（复位端口）实现的，按下清零按键后，6位数码管都将清零。或输入6位密码后，再次输入一位密码，除第一位数码管显示所按下按键代表的数字，其余5位数码管显示数字为0。（触发第一片74LS175  CLK信号作为后5片芯片复位端口的输入信号，从而实现第二次输入密码时按下第一位密码后其余几位清零，后5片始終保持在置零状态）第一位数码管存储电路通过置零端与按键相连，当按下清零按键后，置零端为零电平起作用将其置零。

后5位数码管存储电路清零端受清零按键及第一位数码管存储电路的CLK端进行与运算控制。当按键按下或者CLK 为高电平时都可将数码管清零。

2.7  按键提示电路

按键提示电路每当有按键按下，会发出滴滴声，按键按下后发出滴滴声的时间不会因按下时间长而变长。

此电路用555定时器组成多谐振荡器作为74LS161（U53）的时钟源，当任意按键按下时，EP引脚被置高，74LS161（U53）进行计数，74LS161（U53）输出Q3 Q2 Q1 Q0=1000时，将计数器异步清零。当按键按下时间过短，74LS161（U53）进行计数输出Q3 Q2 Q1 Q0＜1 000，也会将计数器异步清零。EP端和RD端由Q3和按键共同控制，通过列写真值表，化简逻辑函数式得出其关系。

3  Proteus仿真验证

根据上文设计思路，搭建Proteus仿真电路，对本文所设计的密码锁进行测试。例如：设置密码为888888（密码可以自行修改），输入密码时按键有提示音，当输入正确密码时指示灯亮起。当密码输入错误时，指示灯不亮，但是当连续输入错误密码3次时，就会触发报警，再次输入正确密码可以解除警报。

经过测试，预设功能得以实现，系统具有输入正确密码开锁和报警功能，仿真验证了本设计的实用性、正确性，可以应用在日常生活中，保障财产生命安全。

4  结束语

我国民用智能锁诞生于2001年，直到现在电子密码锁已经从早期的指纹解锁发展到使用密码、卡、物联网和生物识别等电子技术实现上锁及解锁，应用这些技术的产品包含了门锁、挂锁、交通锁和家具锁等绝大多数锁类产品，随着万物互联，锁类产品也逐渐地开始向智能家居、物联网等新兴技术靠拢，产值自诞生至今已经翻了数番。密码锁采用电子技术，内部装有芯片组成的电路。对于本设计来说，当需要开锁输入密码时，锁内的74系列芯片会对输入的密码与设定的密码进行比较、验证，当密码输入正确时，内部74系列芯片会发出密码正确的信号，门锁打开；反之，门锁将保持上锁状态，当达到一定的试错次数后密码锁会发出警报。

电子密码锁在现实生活中应用广泛，主要用于重要场合或者重要物品的防护，其容易操作、不用携带实物型开锁物品是领先于传统机械锁的最大特点。现在大多密码锁是应用单片机来实现的，本设计用纯数字电路实现密码锁的功能。本设计以数字芯片为核心设计逻辑电路，系统具有按键提示音、记录输入密码错误次数，3次后触发报警，输入正确有指示灯，经过仿真测试证实了密码锁的可实现性。基于数字电路芯片的电子密码锁设计，克服了机械式密码锁密码量少、安全性差的缺点，具有成本低廉、功能实用的特点。

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