1、電氣信息學院 電氣與電子線路CAD課程設計（學年論文）說明書課題名稱 電子密碼鎖的設計 學生學號 1304201118 專業班級 13電氣1班 學生姓名 謝瀟坤 學生成績 指導教師 易先軍、曾麗 2015年12月21日至12月27日填寫說明：1. 一、二、三項由指導教師在課程設計（學年論文）開始前填寫并交由學生保管；2. 第四項由學生在完成課程設計后填寫，并將此表與課程設計說明書一同裝訂成冊交給指導教師；3. 成績評定由指導教師按評定標準評分。4. 此表格填寫好后與正文一同裝訂成冊。一、課程設計任務和基本要求：1、設計任務 功能： 設計一種電子密碼鎖，該系統通過4×4的矩陣鍵盤輸入或

2、設定開鎖密碼，采用LED數碼管或LCD顯示。可擴展通過特殊按鍵清除用戶密碼，按鍵輸入時LCD只顯示字符個數顯示為*。 任務：該設計要求根據功能要求提出電子密碼鎖的設計方案，設計出系統原理圖，并進行參數計算和元器件選擇，了解電路的工作原理，繪出電子密碼鎖的原理圖及PCB圖。2、基本要求 繪圖設計要求： (1) 畫出電子密碼鎖完整的原理圖。 (2) ERC電氣規則檢測。 (3) 創建項目元件庫文件，生產網絡表及元件清單。 (4) 畫出所設計電路的PCB圖,包括規劃PCB板子大小、元器件布局以及布線，布線方法則可根據具體情況使用自動布線（手工調整）或者手工布線兩種不同方式，生成項目元件封裝庫。 (5

3、) 原理圖中至少有2個自建元件符號，PCB中至少有2個自建封裝元件。 設計報告要求： (1) 紙質檔設計報告，報告應包括以下內容：設計任務書、摘要、目錄、正文、參考文獻。(2) 電子檔，包括自建原理圖元件庫、原理圖、ERC、網絡表、元件清單、自建元件封裝庫、PCB圖、DRC、項目元件封裝庫等。二、進度安排：12月21號：下達設計任務。12月21號12月22號：設計原理圖。12月23號：確定PCB板參數和元件封裝類型。12月23號12月24號：設計PCB版圖。12月25號12月26號：撰寫報告12月27號 ：答辯。三、主要參考資料及主要參考文獻：1 邵群濤. 電氣制圖與電子線路CADM.北京：機

4、械工業出版社，20052 老虎工作室. 電路設計與制版-Protel99入門與提高M.北京：人民郵電出版社,20013 老虎工作室. 電路設計與制板- Protel 99 SE高級應用M.北京：人民郵電出版社,20014 谷樹忠，劉文洲，姜航. Altium Designer教程M.北京：電子工業出版社，2012四、答辯記錄：1、在設計過程中遇到的問題及解決方案（至少2個）。 （1）C1、C2 has no drive 解決方案：將原理圖和PCB放在同一工程和文件夾 （2）部分元件生成不了PCB 解決方案：制作封裝圖，在原理圖的器件上雙擊，在右下方添加封裝圖形 2、 2015 年 月 日課程設

5、計評審標準（指導教師用）評價內容具 體 要 求權重調查論證能獨立查閱文獻和從事其他調研；能提出并較好地論述課題的實施方案；有收集、加工各種信息及獲得新知識的能力。0.1實踐能力能正確選擇研究（實驗）方法，獨立進行研究工作。如裝置安裝、調試、操作。0.2分析解決問題能力能運用所學知識和技能去發現與解決實際問題；能正確處理實驗數據；能對課題進行理論分析，得出有價值的結論。0.2工作量、工作態度按期圓滿完成規定的任務，工作量飽滿，難度較大，工作努力，遵守紀律；工作作風嚴謹務實。0.2質量綜述簡練完整，有見解；立論正確，論述充分，結論嚴謹合理；實驗正確，分析處理科學；文字通順，技術用語準確，符號統一，

6、編號齊全，書寫工整規范，圖表完備、整潔、正確；論文結果有應用價值。0.2創新工作中有創新意識；對前人工作有改進或獨特見解。0.1摘 要隨著人們生活水平的提高，如何實現家庭防盜這一問題也變得尤其的突 出，傳統的機械鎖由于其構造的簡單，被撬的事件也屢見不鮮，因此，人們在日常生活中越來越越離不開密碼的使用。在人們對安全的重視和科技的發展的同時，許多電子智能鎖（指紋識別、IC卡辨認）已相繼問世，但這類產品是針對特定指紋或有效卡。另外，卡片式的IC卡易丟失和損壞，加上其成本較高，在一定程度上限制了這類產品的普及和推廣。鑒于目前的技術水平和市場的接收程度，電子密碼鎖是這類電子防盜產品的主流。據51單片機之

7、間的串行通信原理，這便于對密碼信息的隨機加密和保護。反應速度快、傳輸效率高、工作穩定可靠。測試結果表明，本系統各項功能已達到本設計的所有要求關鍵詞：單片機； 電子密碼鎖； 安全； 成本AbstractWith the development of living standard, how to ensure guard against theft become a particular problem. Traditional machinery locks being pried-out is not a unusual events. Thus, people get more and m

8、ore rely on the use of password. Many electronic technological locks (fingerprint identifier, IC identification) have appeared in succession. These machine is aim on special fingerprint or card. Whats more, the IC might get lose or destroyed easily with its high cost, which greatly limit the popular

9、ity of these machine in some aspect. For the standard of technology and marketplace reception, electronic password lock is popular during this electronic coded lock. According to the principle of serial communication between 51 single-chip microcomputer, this is easy to encrypt and protect the passw

10、ord information. With its fast response, high transmission efficiency, stable and reliable, Test results show that all the functions of this system have reached all the requirements of the design.Keywords: single chip SCM ; electronic coded lock ; safe; cost目 錄1 方案論證1.1 電氣電子線路CAD設計步驟、要點.11.2 方案論證選擇.

11、21.3 方案設計.32 項目元件庫2.1 元件庫.42.2 封裝元件庫.53 原理圖設計3.1 時鐘電路設計.73.2 指示信號控制電路.73.3 按鍵控制電路設計.83.4 顯示電路設計.93.5 ERC電氣規則檢測.93.6 網絡表及器件清單.104 PCB圖設計4.1 規劃PCB板.114.2 裝入網絡表及元件.114.3 布局及布線.125 結論5.1 設計優劣.135.2 感想啟發.13參考文獻.14附錄1系統原理圖.15附錄2系統PCB圖.16附錄3自建庫圖形.17附錄4生成網絡表.1911 方案論證1.1電氣電子線路CAD設計步驟、要點1、新建一個workspace 新建一個P

12、roject 新建一個文件（schdoc、pcbdoc） 2、 schdoc工作環境設置： 圖紙圖樣、背景網格、網格屬性 3、元件庫的加載（system，desigen/Browse Lib） 4、原理圖基本操作（元件放置、連線等，報表建立） 5、原理圖元件庫的編輯（新建 File/New/SCH.Lib.）6、原理圖到PCB（原理圖環境下：Design/Updata PCB） 7、PCB工作環境 Design/Board Option Design/Board shape View/Toolbar/utili.set Origin8、元器件封裝庫： 新建庫（File/New/Lib./PCB

13、 Lib.） 進入PCB庫編輯環境（File/Open/*.PcbLib） 9、元件封裝的制作（Tools/Comp.Wizard） 10、PCB設計規則（Design/Ruls） 11、布局、布線、后處理（敷銅等） 12、檢查核對1.2方案論證選擇方案一：采用數字電路控制采用74LS112雙JK觸發器構成的數字邏輯電路作為密碼鎖的核心控制，共設了9個用戶輸入鍵，其中只有4個是有效的密碼按鍵，其它的都是干擾按鍵，若按下干擾鍵，鍵盤輸入電路自動清零，原先輸入的密碼無效，需要重新輸入；如果用戶輸入密碼的時間超過3秒（一般情況下，用戶不會超過3秒，若用戶覺得不便，還可以修改）電路將報警60秒，若電路

14、連續報警三次，電路將鎖定鍵盤2分鐘，防止他人的非法操作。采用數字電路設計的方案好處就是設計簡單但控制的準確性和靈活性差。故不采用。方案二：采用一種是用以AT89C51為核心的單片機控制方案采用一種是用以AT89C51為核心的單片機控制方案選用單片機AT89C51 作為本設計的核心元件，利用單片機靈活的編程設計和豐富的IO端口，及其控制的準確性，實現基本的密碼鎖功能。在單片機的外圍電路外接輸入鍵盤用于密碼的輸入和一些功能的控制，外接LED顯示器用于顯示作用，外接蜂鳴器用于輸錯三次密碼報警，發光二級管用于提示作用。因為此方案靈活多變，靈活性好，內容豐富且保密性強、還具有擴展功能。因此選擇者二方案。

15、1.3方案設計（1）硬件方案根據設計的要求可知，系統的硬件原理框圖如圖2.1所示。密碼輸入鍵盤繼電器驅動電路LCD顯示電路單片機信號輸出電路圖1.1 硬件程序設計圖單片機可選用AT89C51，它與8051系列單片機全兼容，但其內部帶有4KB的FLASH ROM，設計時無需外接程序存儲器，為設計和調試帶來極大的方便。南北向和東西向各采用2個數碼管計時，同時需要對該方向的指示燈的點亮時間進行倒計時。鍵盤系統可以根據系統的需要設置不同的鍵的個數，可以選擇線式鍵盤或矩陣式鍵盤。（2）軟件方案 根據設計要求，程序框圖如圖2.2所示。軟件可由匯編語言完成，也可由C語言完成。軟件設計可以分為以下幾個功能主程

16、序：初始化及鍵盤監控。顯示程序模塊：4個LED數碼管的顯示驅動，及選位鍵盤掃描程序模塊：判斷是否有鍵按下，并求取鍵號圖1.2 軟件程序設計圖2 項目元件庫器件代號數目電容Cap2紅燈Led-red1藍燈Led-blue14位數碼管HDSP-B04E1上拉電阻Hearder 81按鈕Button16晶振XTAL（自建）1繼電器Relay-SPDT1蜂鳴器Speaker（自建）1單片機AT89C5112.1元器件的自建 （1）新建原理圖元件庫：點擊filenewlibraryschematic。反鍵點擊左邊的工程，點擊save，將其更換名字并保存 （2）繪制圖形：通過上方工具欄或者按P鍵，繪制圖形

17、的樣子 （3）添加引腳：選擇placepin，添加引腳。雙擊引腳，可設置引腳屬性 （4）設置屬性：點擊toolscomponent properties，設置元件的屬性并在右下方點add添加封裝圖形 （5）保存，反鍵點左方程序，點擊save 自制圖形如下圖所示 圖2.1 晶振自建元件圖圖2.2 蜂鳴器自建元件圖2.1元器件封裝的自建（1）新建封裝元件庫：點擊filenewlibraryPCB library，并保存，修改名稱及保存位置（2）放置焊盤：在最上方工具欄Place中選擇Pad，放置焊盤，雙擊焊盤彈出屬性框可修改焊盤屬性，大小形狀（3）繪制圖形：點擊Placeline，進行畫圖，畫出所

18、需要的圖形（4）設置器件的參考原點：執行命令Editset referencepin 1，元器件一邊拿選1腳（5）點擊toolscomponent properties，設置元件名稱及說明（6）保存：點擊工程文件，反鍵，然后點save封裝圖形如下圖所示圖2.3 蜂鳴器封裝自建圖圖2.1 晶振封裝自建圖3 原理圖設計3.1時鐘電路設計圖3.1 時鐘電路 如圖3.1所示，采用內部時鐘產生方式，在XTAL1 和XTAL2 兩端跨接晶體或陶瓷振蕩器，與內部反相器構成穩定的自擊震蕩。其發出的時鐘脈沖直接送入片內定時控制部件。3.2 指示信號控制電路設計圖3.2.指示信號控制電路（a）圖3.2.指示信號控

19、制電路(b) 如圖3.3所示，當輸入密碼正確時，繼電器開關改變 當輸入密碼錯誤時，紅燈亮，蜂鳴器響 當設置密碼的時候，黃燈亮；3.3 按鍵控制電路設計圖3.3.鍵盤控制電路 在鍵盤中按鍵數量較多時，為了減少I/O口的占用，通常將按鍵排列成矩陣形式，如圖1所示。在矩陣式鍵盤中，每條水平線和垂直線在交叉處不直接連通，而是通過一個按鍵加以連接。這樣，一個端口（如P1口）就可以構成4*4=16個按鍵，比之直接將端口線用于鍵盤多出了一倍，而且線數越多，區別越明顯，比如再多加一條線就可以構成20鍵的鍵盤，而直接用端口線則只能多出一鍵（9鍵）。由此可見，在需要的鍵數比較多時，采用矩陣法來做鍵盤是合理的。矩陣

20、式結構的鍵盤顯然比直接法要復雜一些，識別也要復雜一些，上圖中，列線通過電阻接正電源，并將行線所接的單片機的I/O口作為輸出端，而列線所接的I/O口則作為輸入。這樣，當按鍵沒有按下時，所有的輸入端都是高電平，代表無鍵按下。行線輸出是低電平，一旦有鍵按下，則輸入線就會被拉低，這樣，通過讀入輸入線的狀態就可得知是否有鍵按下了。功能指令表：789設定密碼456無123無確定0DELAC圖3.4 鍵盤清單名3.4 顯示電路設計圖3.5 LED顯示電路如圖3.4使用了六個共陰極數碼管，使用動態顯示技術控制數碼管。其6個位選信號與P2.0-P2.5相連，當其中某位為低電平時表示選中該位；8段段選信號與P0口

21、相連，當其中某段為高電平時導通該段，特殊的，由于AT89C51的P0口的驅動能力較弱，不足以驅動數碼管點亮，故在此又引入上拉電阻以驅動數碼管。3.5 ERC電氣規則檢測圖3.5 ERC電氣規則檢測修改：將PCB文件與電氣圖元件放在一個文件工程內，并且將所有不需要的端口接地，使AT89C51的所有端口都被占用3.6 生成網絡表及清單圖3.6 器件清單圖3.7 生成網絡表 器件清單表如圖3.6所示，點擊原理圖中的 reportbill of material即可得到生成網絡表見附錄，點擊designnetlist for projiectprotel即可得4 PCB圖設計4.1規劃PCB板（1）創

22、建PCB工程文件選擇菜單filenewprojiectPCB projiect（2）保存PCB工程文件選擇filesave projiect as，將其存在與原理圖同一位置文件夾（3）利用PCB向導創建PCBStep1：在PCB左側工作面板點擊filenew from templatePCB Board WziardStep2：單擊下一步，彈出PCB采用單位Step3：單擊下一步，彈出PCB邊框風格Step4：單擊下一步，彈出PCB層數Step5：單擊下一步，彈出PCB過孔風格Step6：單擊下一步，彈出PCB上安裝的大多數元件的封裝類型和布線邏輯Step7：單擊下一步，彈出導線和過孔尺寸St

23、ep8：單擊下一步，完成向導，并保存（4）規劃PCBStep1：點擊菜單中designlayer stack manager，進行板層設計Step2：點擊菜單中designboard layer&color，進行顏色和屬性設計Step3：點擊菜單中placeline，畫出物理邊框4.2裝入網絡表及元件 （1）激活PCB工作面板執行designimport changes from （2）審查器件 檢查無誤后， validate change是變化生效，單擊execute change執行變化，之后就能看到器件在PCB右方 4.3布局及布線 （1）通過移動，旋轉器件,將元器件移動到電路板

24、內合適的位置，使電路的布局最合理。同時刪除元件盒，單擊盒子，然后按delete （2）執行Placeinteracative routing，此時鼠標上為十字形，在單盤處單擊鼠標左鍵開始連線。連線完成后單機鼠標右鍵結束布線圖4.1 PCB生成圖5 結論5.1 設計優劣優點：實原理圖清晰易懂缺點：原理圖和PCB圖形過于難看，不夠美觀，器件參數偏差較大5.2感想啟發實踐是檢驗真理的唯一標準，當然也是檢驗學習成果的標準。在經過一段時間的學習之后，我們需要了解自己的所學應該如何應用在實踐中，因為任何知識都源于實踐，歸于實踐，所以要將所學的知識在實踐中來檢驗。本次CAD使我更深一步地了解到原理圖轉變到實

25、物圖是件多么困難的事情，大大加深了我對電氣知識的了解。過程中充滿失敗，基本上每做一點都感到十分困難。但憑借老師的期望，晚上熬夜總算有一點點認識，唯一能算成功的莫過于收集了許多元件庫。不足之處，到處都是，最明顯的莫過于圖形凌亂，不夠整潔，各部件的參數設定也不夠精確 但是越是坎坷的課程設計，得到的東西就越多，通過此次課程設計，使我在沒有老師參與的情況下獲得了CAD的基礎知識，并能稍稍應用，豐富了我對PCD圖的認識，為以后的工作和學習提供了極大的幫助。電子鎖是信息化時代發展的產物，應時而生，我相信隨著科技的不斷發展，將來的電子鎖一定更加完美，更加人性化，更加便宜，更加安全。參考文獻1 邵群濤.電氣制

26、圖與電子線路CADM.北京：機械工業出版社,20052 胡漢才.單片機原理與接口技術M.北京: 清華大學大學出版社,20043 邵群濤. 電氣制圖與電子線路CADM.北京：機械工業出版社，20054 老虎工作室. 電路設計與制版-Protel99入門與提高M.北京：人民郵電出版社,20015 老虎工作室. 電路設計與制板- Protel 99 SE高級應用M.北京：人民郵電出版社,20016 谷樹忠，劉文洲，姜航. Altium Designer教程M.北京：電子工業出版社，2012附錄1系統原理圖圖附1 系統原理圖附錄2 系統PCB圖圖附2 PCB圖附錄3自建庫圖形圖附3（a） 晶振元件圖圖

27、附3（b） 蜂鳴器元件圖圖附3（c） 晶振封裝元件圖圖附3（d） 揚聲器封裝元件圖 附錄4 生成網絡表C1RAD-0.3CapC2RAD-0.3CapD1LED-1LED-REDD3LED-1LED-BULEDECB82793ButtonDELB82793ButtonDS1B-88HDSP-B04EK1MODULE5BRelay-SPDTLS1PIN2SpeakernoneB82793Buttonnum0B82793Buttonnum1B82793Buttonnum2B82793Buttonnum3B82793Buttonnum4B82793Buttonnum5B82793Buttonnum6B82793Buttonnum7B82793Buttonnum8B82793Buttonnu