基于數字電路芯片的電子密碼鎖設計

徐諾 何茜

*通信作者：何茜（1995-），女，工學碩士，講師。研究方向為電力系統、風電系統可靠性建模與仿真。

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

摘? 要：產品更新迭代，現在人們使用的防盜手段，已經從傳統的機械鎖轉變到電子密碼鎖。該設計提出一種基于數字電路芯片的電子密碼鎖設計方法，以數字芯片為核心設計邏輯電路，克服機械式密碼鎖密碼量少、安全性差的缺點。該系統具有密碼設置、按鍵提示音、記錄輸入密碼錯誤次數、3次密碼錯誤后觸發報警和輸入正確密碼有指示燈等功能，具有成本低廉、功能實用的特點。

關鍵詞：密碼鎖；數字芯片；邏輯電路；門電路；設計

中圖分類號：TP368? ? ? 文獻標志碼：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。傳統機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，此時會把內筒和外筒固定住。當用正確的鑰匙插入鎖芯之后，上下彈子的縫隙會跟內外筒的縫隙一一對齊，此時內筒就可以旋轉，轉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，應用這種制造工藝改良后十字鑰匙、圓柱鑰匙就此誕生。

傳統機械鎖的應用，使得人們日常出行要攜帶多把鑰匙，使用很不方便，而且鑰匙也容易丟失，安全性大打折扣。隨著科學技術的不斷發展，人們對鎖的需求已經不僅僅限于防護，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運而生，密碼鎖具有安全性高、成本低、功耗低和易操作等優點，不用攜帶任何門卡或者鑰匙，因此廣泛受到人們的青睞。而具有報警功能的電子密碼鎖，克服了傳統密碼鎖的一些缺點，大大提升了技術性能。電子密碼鎖安全性較高的同時，密碼還可以自由更換，不知道正確密碼則解鎖困難，輸錯密碼達到一定的次數，還會觸發密碼鎖鎖定狀態，大大提高了密碼鎖的安全可靠性。本設計應用數字電路芯片設計邏輯電路，以實現密碼鎖的功能，給出了基于數字電路芯片的電子密碼鎖設計流程，主要包括選取元器件、電路設計思路、模擬仿真等步驟?；跀底蛛娐沸酒O計的電子密碼鎖能夠實現密碼鎖的各項功能，大大提高了密碼鎖的安全可靠性，具有密碼設置、按鍵提示音、記錄輸入密碼錯誤次數、3次密碼錯誤后觸發報警及輸入正確密碼有指示燈等功能，克服了機械式密碼鎖密碼量少、安全性差的缺點，具有成本低廉、功能實用的特點。

1? 基于數字電路芯片的電子密碼鎖設計原理及流程

本設計選用數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定時器等芯片組成。

74LS85芯片是數值比較器，輸入2組二進制數進行比較大小，大于、小于、等于分別對應一個端口，當比較結果屬于大于、小于、等于中任意一類時，相應的這一位就會輸出邏輯1。通過按鍵輸入的密碼與自行設定的正確密碼進行比較，6位密碼都與正確密碼一致時會給電路提供一個解鎖信號，從而開鎖。

74LS175芯片是4D觸發器，芯片由6個D觸發器集成而成，能夠構成寄存器、搶答器等功能部件。1引腳輸入低電平時，所有Q輸出為0，Q非輸出為1；9引腳是時鐘輸入端，是上升沿觸發，鎖存入D觸發器。復位按鍵一端接地一端接每一片74LS175的復位端，電路工作時，按下復位按鍵S，Q1、Q2、Q3和Q4輸出低電平。在本電路中用于數據的鎖存，可以通過控制它的CLK端口實現密碼串行輸入，按鍵輸入某一位密碼時，通過計數器當前數值可以確定出哪一位的74LS175處于工作狀態，處于工作狀態的芯片導通，把數據輸送給74LS85芯片進行比較。

74LS47芯片是BCD-7段數碼管譯碼器驅動器，74LS47的功能用于將二進制數轉化成數碼管中的數字，可以直接把數字轉換為數碼管的數字。譯碼器的作用是把輸入的二進制數轉化成高、低電平輸出。常用的有二進制譯碼器、二-十進制譯碼器及顯示譯碼器，應用這些譯碼器可以驅動不同的數碼管進行顯示，本設計中將74LS175芯片傳輸過來的數字轉化成數碼管中的數字，實現輸入密碼實時顯示。

74LS147芯片是10線-4線的優先編碼器，輸出和輸入都是反碼，輸出需要接反相器取原碼。當某個端口輸入低電平時，即輸入了該端口對應的十進制數，輸出的是這個十進制數的二進制表示形式，Y9非的優先級最高。當9個輸入端全為高電平，代表輸入的是十進制數0。4個輸出端反映輸入十進制數的二進制輸出。在本設計中用于按鍵檢測，標注數字的按鍵接地后對應接入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，代表輸入密碼為1。其余8個按鍵按照按鍵1的方式連接，當標注1—9的按鍵都沒按下時，代表輸入的這一位密碼是十進制數的0。這樣當標注數字的按鍵按下，74LS147芯片就能把相應的十進制數轉化成二進制，接反相器后得到原碼，然后傳輸給數碼管顯示。

74LS161是四位二進制可預置的同步加法計數器，當復位端CR=“0”時，計數器輸出Q3、Q2、Q1、Q0都置零，這個時候為異步復位功能。當CR=“1”且LD=“0”時，CLK信號上升沿作用，74LS161輸出端Q3、Q2、Q1、Q0的狀態分別與并行數據輸入端D3、D2、D1、D0的狀態一樣，此時是同步置數功能。在電路中的主要作用有3個：①與按鍵相連，當某一個按鍵按下，也就是輸入一位密碼后，計數器就會獲得一個CLK，從而進行加一操作一次，這樣就可以通過74LS161計數器輸出的二進制數控制74LS175的工作狀態。②用于報警電路記錄輸入密碼次數。③用于按鍵提示音計數。

555定時器可以用來產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，實際上就是通過調整電阻、電容的數值改變電路的占空比來實現的，PWM可以用作電機調速的輸入脈沖。555定時器外接電阻和電容能實現延時功能，比較精準。本設計中555定時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、用于顯示的數碼管、用于報警的蜂鳴器及放大信號用的三極管。輸入正確密碼開鎖，當輸入錯誤密碼時錯誤指示燈亮起，錯誤輸入密碼會記錄錯誤次數，達到3次會發出警報；電路具備復位功能以及開機清零，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，清除已經按下的數字；密碼輸入正確，指示燈亮，錯誤次數清零，蜂鳴器不響。

基于數字電路芯片的電子密碼鎖的功能原理與設計流程如圖1所示。

2? 基于數字電路芯片的電子密碼鎖電路設計

本設計是6位電子密碼鎖，具備復位功能以及開機清零，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，達到3次會發出警報；錯誤按下密碼，可以使用清零按鍵，清除已經按下的數字；密碼輸入正確，指示燈亮，錯誤次數清零，蜂鳴器不響。各數字電路實現方法如下。

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碼優先編碼器74LS147的輸入端口，由于74LS147這個芯片輸入時是低電平，有效且優先級從9端口—1端口依次遞減，所以按鍵另一端要接地，即按鍵按下時編碼器輸入低電平。1—9每個按鍵分別對應芯片的1—9管腳，由于該優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現按下標注數字的按鍵輸出得到這個數的二進制形式，例如，當代表2的按鍵按下時，74LS147輸出的二進制數為0010。

接下來為了保證輸入第一位密碼時，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，所以本設計采用一個8輸入與門和3輸入與門實現。與門的輸出取反后作為計數器74LS161 CLK觸發，0—9這10個按鍵有任意一個按鍵按下都會觸發計數器一次，記一次數，然而計數器輸出的二進制數可以用來控制鎖存電路的通斷，進而達到輸入某一位密碼時不會影響其他位置的數字，進而提高了密碼鎖的穩定性和可實現性。每次輸完6位密碼后都會把用于限制密碼串行顯示在數碼管上的計數器（U49）異步清零，即輸完6位密碼后再次進行輸入時自動跳轉到密碼的第一位。

圖1? 電路設計流程圖

2.2? 數碼管顯示電路

本電路設計采用的數碼管譯碼芯片為74LS47。74LS47為共陽極數碼管譯碼器，因此選用共陽極數碼管。當存儲電路的數據輸出給74LS47譯碼器時，數碼管將顯示存儲電路所存儲的數據。共陽極數碼管的輸入引腳接上拉電阻，目的是分流，避免數碼管被燒。

2.3? 比較電路

比較電路主要由6片74LS85實現，U45對計數器U4的Q0、Q1、Q2進行或非，當U4的Q0=Q1=Q2=0時，說明6位密碼輸入完畢，可進行密碼比較。每位數碼管存儲電路的數據輸出給對應的74LS85比較器的輸入端，通過與比較器的另外4個輸入端所存數據進行比較得出二者大小關系，從而得出單位密碼比較結果。比較原理即把輸入的按鍵碼數轉化成二進制數與密碼鎖自行設置的密碼進行比較，每一位都進行比較。以一位為例，如果輸入一位數字與密碼相同，那么74LS85芯片就能輸出高電平，判斷密碼是否正確可以在74LS85的輸出端接發光二極管，可以直觀觀察。當然也可以在74LS85芯片6個輸出端接與門，實現6位密碼都輸入正確的時候與門才會輸出高電平。

2.4? 報警電路

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進行與運算，當每一位密碼都正確，與門輸出為1，指示燈才能亮。

報警電路由計數器、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字信號，這個信號作為報警電路的觸發脈沖，每觸發一次計數器加一，計數器輸出的低兩位接與門，低兩位同時為1時才能輸出高電平，觸發蜂鳴器發聲，0000～0011共3個狀態，這就實現了記錄輸入密碼錯誤次數，當輸入3次錯誤密碼，計數器（U46）此時計數計到Q3 Q2 Q1 Q0=0011時，蜂鳴器（BUZ1）發出響聲，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計數器1—6分別對應一片74LS175的開通，計數器輸出1的二進制數Q3 Q2 Q1 Q0=0001時會給第一片74LS175脈沖，其他幾片由于沒有上升沿觸發所以都處在不工作的狀態，直到第二次按下某一個按鈕計數器加一，輸出2的二進制表示形式Q3 Q2 Q1 Q0=0010，此時第一片74LS175沒有上升沿觸發了，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。以此類推用真值表法設計邏輯電路實現十進制1—6的二進制數分別提供一片74LS175的上升沿脈沖。

2.6? 獨立按鍵復位電路、自動清零電路

獨立復位按鍵是通過控制74LS175 4D觸發器芯片的MR（復位端口）實現的，按下清零按鍵后，6位數碼管都將清零?；蜉斎?位密碼后，再次輸入一位密碼，除第一位數碼管顯示所按下按鍵代表的數字，其余5位數碼管顯示數字為0。（觸發第一片74LS175? CLK信號作為后5片芯片復位端口的輸入信號，從而實現第二次輸入密碼時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）第一位數碼管存儲電路通過置零端與按鍵相連，當按下清零按鍵后，置零端為零電平起作用將其置零。

后5位數碼管存儲電路清零端受清零按鍵及第一位數碼管存儲電路的CLK端進行與運算控制。當按鍵按下或者CLK 為高電平時都可將數碼管清零。

2.7? 按鍵提示電路

按鍵提示電路每當有按鍵按下，會發出滴滴聲，按鍵按下后發出滴滴聲的時間不會因按下時間長而變長。

此電路用555定時器組成多諧振蕩器作為74LS161（U53）的時鐘源，當任意按鍵按下時，EP引腳被置高，74LS161（U53）進行計數，74LS161（U53）輸出Q3 Q2 Q1 Q0=1000時，將計數器異步清零。當按鍵按下時間過短，74LS161（U53）進行計數輸出Q3 Q2 Q1 Q0＜1 000，也會將計數器異步清零。EP端和RD端由Q3和按鍵共同控制，通過列寫真值表，化簡邏輯函數式得出其關系。

3? Proteus仿真驗證

根據上文設計思路，搭建Proteus仿真電路，對本文所設計的密碼鎖進行測試。例如：設置密碼為888888（密碼可以自行修改），輸入密碼時按鍵有提示音，當輸入正確密碼時指示燈亮起。當密碼輸入錯誤時，指示燈不亮，但是當連續輸入錯誤密碼3次時，就會觸發報警，再次輸入正確密碼可以解除警報。

經過測試，預設功能得以實現，系統具有輸入正確密碼開鎖和報警功能，仿真驗證了本設計的實用性、正確性，可以應用在日常生活中，保障財產生命安全。

4? 結束語

我國民用智能鎖誕生于2001年，直到現在電子密碼鎖已經從早期的指紋解鎖發展到使用密碼、卡、物聯網和生物識別等電子技術實現上鎖及解鎖，應用這些技術的產品包含了門鎖、掛鎖、交通鎖和家具鎖等絕大多數鎖類產品，隨著萬物互聯，鎖類產品也逐漸地開始向智能家居、物聯網等新興技術靠攏，產值自誕生至今已經翻了數番。密碼鎖采用電子技術，內部裝有芯片組成的電路。對于本設計來說，當需要開鎖輸入密碼時，鎖內的74系列芯片會對輸入的密碼與設定的密碼進行比較、驗證，當密碼輸入正確時，內部74系列芯片會發出密碼正確的信號，門鎖打開；反之，門鎖將保持上鎖狀態，當達到一定的試錯次數后密碼鎖會發出警報。

電子密碼鎖在現實生活中應用廣泛，主要用于重要場合或者重要物品的防護，其容易操作、不用攜帶實物型開鎖物品是領先于傳統機械鎖的最大特點?，F在大多密碼鎖是應用單片機來實現的，本設計用純數字電路實現密碼鎖的功能。本設計以數字芯片為核心設計邏輯電路，系統具有按鍵提示音、記錄輸入密碼錯誤次數，3次后觸發報警，輸入正確有指示燈，經過仿真測試證實了密碼鎖的可實現性?；跀底蛛娐沸酒碾娮用艽a鎖設計，克服了機械式密碼鎖密碼量少、安全性差的缺點，具有成本低廉、功能實用的特點。

參考文獻：

[1] 程志遠.基于單片機的電子密碼鎖設計[J].科技視界，2021（15）：2-4.

[2] 李勇際.基于D觸發器的觸摸式電子密碼鎖設計[J].電子技術，2022（8）：2-5.

[3] 王海軍.一種單片機和云平臺的電子密碼鎖設計[J].電子世界，2020（24）：3-5.

[4] 陳昱行.基于STC89C52的多功能密碼鎖設計[J].物聯網技術，2022，12（10）：710-72.

[5] 趙永濤.基于51單片機的RFID門禁密碼鎖設計[J].自動化應用，2022（12）：185-187，191.