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毕业设计

英文文献翻译

Title: An electronic digital combination lock:A precise and reliable security system

电子数字密码锁：一种精确和可靠的安全系统

Adamu Murtala Zungeru

School of Electrical and Electronic Engineering, University of Nottingham,

Jalan Broga ,43500 Semenyih, Selangor Darul Ehsan, Malaysia

adamuzungeru@ieee.org

摘要：尽管我们拥有各种形式的安全装置和锁具，但是犯罪率持续增加，盗贼袭击没有减少，入侵者和破坏者不断出现，所以研究人员仍然需要找到一种永久的解决方式来保护好个人的生命和财产。为此，我们为建筑，汽车，保险箱以及各种大门小门设计了一种廉价而有效的安全系统来阻止未经授权的人通过使用代码侵入别人的财产，这种安全系统被称为电子密码锁。密码锁的设计是模块化的，密码锁被划分为单元，每个单元分开设计，然后再耦合形成一个完整的功能系统。在设计过程中，我们进行了20组测试，前八组由四个数字组合，之后七组由五个数字组合，最后的五组由六个数字组合。这样做的原因是因为在组合中有两个虚拟开关的参与。从结果来看，第8，11，13组给出了正确的输出组合。其中，第8组作为实际的组合给出了所需要的输出。这个系统的大体操作和执行是靠按键的组合。整个系统已经完整的构建和测试，事实证明，它工作的很好。

关键词：安全系统，运动探测器，传感器，蜂鸣器，超声波，电子电路设计

1 引言

由于在全球范围内科学技术的进步，犯罪率和犯罪的复杂度都有所增加[1]。保证自己和自己的财产安全是很有必要的。但是即使使用机械锁，犯罪率还一直增加，因为这种锁很容易被损坏，因此，我们急需其他类型的锁尤其是电子锁[2-4]。

这项工作是一种电子密码锁的设计与建设，键盘安装在门上用来输入密码。这种带有十转换（非矩阵）键盘的密码单元需要输入四位密码来控制电磁门锁。不像其他的键盘密码锁，这种锁以这样一种方式构建，即一旦任何错误的键被按下，它将自动重置，这使入侵者更难闯入[2,5]。

即使有各种安全装置和锁具，犯罪率、盗贼的袭击、入侵者和破坏者等的增加，构成了推进选择这项设计的主要因素。因此，这个设计的主要目的是：（1）为建筑，汽车，保险箱以及各种大门小门设计一种廉价而有效的安全系统；（2）设计一种像锁一样的电子应用设备；（3）防止未经授权的人通过使用密码对财产的侵入。本研究工作受限于大规模集成电路（VLI）的历史发展和各种模型的工作原理。用于电路建设的材料在本地采购和存放。由于财务和时间的约束，用4043集成电路代替可编程集成电路。作为设计的限制，4043集成电路是一种用于数据存储的数据锁，在密码被攻破的情况下存储的数据不会改变，但是存储在可编程集成电路中的数据在密码被攻破的情况下是可以改变的。

为了清晰、整洁的陈述，我们将文章分为五个主要部分。第一部分简要介绍了安全系统和密码锁。第二部分介绍了相关工作。第三部分详细的描述并给出设计和实现的过程。第四部分介绍了实验结果和对结果的讨论。第五部分，我们总结了工作并提出了一些意见。最后，在文章的最后给出了原稿中的参考文献。

2 相关工作

这部分介绍了锁的历史发展，锁的类型和功能。简要回顾了电子密码锁和在电子密码锁中使用的主要部件的讨论。

2.1 历史发展

埃及锁是现存最早的锁，它由木头制成，和它的锁一起在古亚述，尼尼微的宫殿废墟中被发现[4-5]。在十九世纪，水平锁、汽缸锁和无钥匙锁被发明和改进[3]。在1857年，James Sargent成功发明了第一把有多种组合变化的金属钥匙锁[6]。这把锁被当作现代银行金库锁的原型。

在1958年，第一把电子密码锁问世[3,7]。随着后来的发展，通过材料的改进和增加工作机制的复杂性包括引入自动电子报警和其他安全装置，这种锁得到了巨大的进步[2,8]。

2.2 锁的种类和功能

如今，在我们的世界中现存有许多种类的锁，主要包括（1）机械钥匙锁，（2）磁力锁和（3）电子锁。

1. 机械钥匙锁：这种锁一般由一个可来回滑动的螺栓构成，或者用钥匙转动（如挂锁）构成。里面有被称为沃兹或者锁栓的障碍物，只有正确的钥匙才能打开。这主要是用于住宅或商店的大门及窗户。钥匙和钥匙孔如图1所示。

(a)钥匙 (b)钥匙孔

图1：机械钥匙锁的图解

1. 磁力锁：这种锁是基于磁性理论操作的。这种类型的锁由螺栓组成，螺栓和磁铁相连确保被锁上。当钥匙（通常是黑色金属箔）插入时拔出螺栓释放磁力打开锁（如电磁阀）。这类锁主要用于住宅及行政区域如办公室。这种机制如图2所示。

图2：电磁锁的图解

1. 电子锁：这是所有锁中最复杂的锁[6]。这是因为不同于其他两种锁需要钥匙打开，电子锁不需要钥匙，所以不用担心钥匙丢失，这种类型的锁基本通过电子方式驱动。它们主要应用于工业领域及需要安全级别高的地方。以下是一些电子锁：

I：DNA传感器锁：这种电子锁把个人的基因组成储存在记忆中，只有DNA信息在电子锁的记忆库中存在的人才允许进入。它被用于外国一些像五角大楼一样需要安全级别高的地方。

II：卡片锁：这种电子锁使用卡片为钥匙，当插入卡片时，它生成电压，通过关闭电路和激励继电器打开锁。这种锁多用于工业领域。如图3所示。

(a) 卡（导电箔） (b) 锁机制

图3：电子卡片传感器锁图解

III电子眼锁：这种电子锁把人们眼睛的图片储存在记忆库中，只有眼睛图片存在于电子锁记忆库中的人才被允许进入。

IV：拇指指纹传感器锁：这种电子锁将用户手指的拇指指纹当作钥匙，只有拇指指纹存在于电子锁记忆库中的人才能打开锁。

V：电子密码锁：这种电子锁是通过在外设上输入正确的密码来操作，只有知道密码的人能够打开锁。

在本工作中，着重关注电子密码锁，因为它涉及到关于电子数字密码锁的设计与实施，这是一种精确和可靠的安全系统。

2.3 电子密码锁

在现代科技中，电子密码锁的使用再怎么强调也不为过。它能防止盗窃、粗心等造成的损失，并且是以电力驱动的，提供了一个比其他锁具更好更安全的保障系统[2]。

然而如此好的电子密码锁依然存在一些缺点，包括：（1）采用电子方法来驱动，易受电源故障影响。为了避免这种情况，电路需要同时使用交流电主支撑和来自电池或其他能源的直流电支撑。（2）由于它必须安装在建筑外的某一处地方，许多不良分子会被发现敲击按键，甚至导致放置在一起的控制单元的损坏。为了避免这一点，控制单元需要安装在远离输入单元的地方。

3 系统的设计原理

这部分介绍电子密码锁的设计过程。电源、输入、控制和输出单元的图如图4所示。

图4：电子密码锁的结构图

3.1 输入单元

输入单元主要是由键盘组成的，当按键被按下时，每个按键可以生成一个离散的信号。键盘由十个按键组成，其中四位将被用作密码，另外的四位作为复位按键，剩下的两位作为圈套。

图5：键盘

通过使用十个数字，可能的组合的数量是可以计算出来的。通过应用排列原理，数量可以由如下公式算出：

（1）

这意味着有210种可以设置的组合，入侵者破译密码的概率是210分之1。设置密码的键是9，5，0，2，分别是图5和图6中的开关S1-S4控制，其中每一个开关与一个双稳态（触发器）连接。复位开关为3，4，7，8。键1，6为陷阱。下图显示了输入设备的细节。

图6：输入和控制单元

当按键被有次序的按下，Q输出逻辑一或者高电平。开关（S1）负责电压供应。为了稳定大约12V的电压供应，它们通过上拉电阻接地（如R1，R2，R3，R4）。为了实现这个要求，上拉电阻的阻值必须足够高来确保通过电阻有一个对地压降。因此，每一个R1，R2，R3，R4的电阻都选为10KOmega;。

组合开关被连接到各自双稳态的输入上，这样在Q输出有一个逻辑高电平时，双稳态的输入必须高。由于虚拟交换机并没有连接到电路中，所以当盗贼试图破坏锁的时候它们充当诱饵。

这个无线电操纵的电路形成了一个作用是执行定时操作的揭穿网络。在设计中，4.7秒作为一个足够长的时间给用户打开锁并且再次锁上。公式是：

（2）

当静止时，电阻R9和R5为Q0输出形成了一个分压网络。电阻R5和R8为R1输入形成了一个分压网络。

二极管D1选用IN4148，因为在电路中它的转换能力是非常必要的，它可以在电流重置的时候通过复位开关或消除抖动电路阻止电流换向。

在开关S1操作之前，第一个双稳态Q输出低电平，所以在R1，D1和R5控制下，复位输入呈现低电平。在C1处的电压可能几乎等同于电源电压（如12V）。D1在C1和R5与R8组成的电路形成的电压控制下提供了对电流的电阻，这会使电容器缓慢的放电。

3.2 控制单元

当一个按键被按下时，控制单元从输入单元接收到信号并且处理这些信号。控制单元包括一个四三态的交叉耦合非门。当处于设置或复位状态时RS锁存器都处于高电平，输出是不可预测的。这意味着为了让密码锁像预期的那样工作，这种情况应该避免，可以通过如下方法实现：当复位电路与负责定时的消除抖动网络连接时，将设置输入连接到按钮开关上（例如S1-S4）。

控制单元的操作原理如下，当地一个按键被按下时，输入S0高电平所以输出Q0也为高电平，当其他开关以正确的顺序被按下时，各自输出高电平使继电器通电。然后输入变为低电平，但是在防抖动电路（如RC电路）决定的时期内，输出仍然表现为高电平，之后，电容器放电使复位输入变成高电平，之后在复位输入变化为0时，输出也变为0，确认继电器断开。

3.3 输出单元

输出单元包括一个电磁驱动继电器和一个用于接口RS，控制单元的输出Q3和继电器的晶体管（连接一个开关）。晶体管T1选用BC457，它用来阻止造成损坏的返回集成电路输出终端的不规律的电压以及增加来自继电器电流需求的电流。同时，在电压波动过程中，开关二极管D2（IN41148）被放置在与继电器平行的地方。

晶体管BC457的数据如下：V_CC=12V，V_BE=0.7V，R_B=4.7KOmega;，h_FE=320。

使用下面的方程，我们可以找到集电极电流如下：

（3）

采用上面的值，我们得到：

（4）

（5）

（6）

从方程可以看出，因为阻值（4.7K）流入晶体管的电流很小（2.4mA）。这是为了确保输出Q1为高电压时，晶体管不被烧坏。

在电路中，双杆继电器可以用来开关电磁阀和锁定与开放指标。

3.4 电源供应单元

电源供应单元是一个需要12V的CMOS逻辑集成电路。这个单元是由降压变压器，桥式整流器和电压调节器构成。图7显示了电源的电路图：

图7：电源供应单元

变压器为500mA，240V/12V，交流电。交流电源应用于初级绕组。

这个12V的全波整流是通过使用一个桥式整流，使电流保持在电子电路允许的范围内，并且提供一些补给来提高电路的可靠性。它还比四个二极管占用更小的空间。470微法的电容C2（图7所示）柔滑由整流二极管输出的波纹电压。C2是电解质，因为它是一种电源滤波电容。通常情况下，电压调节器电路是为了给特定输出函数设计的电路。为了这个设计，集成电路调节器用一个电子电路需要的正12V的直流电压。图8显示了调节电路的电路图。

图8：电压调节电路图

拥有100nF的电容C3，C4用来维持直流电压以及协助消除任何高频组件。整个78系列，100nF的电容都是标准组件。C5本质上是一种用于辅助电压调节器上输入输出电容的电解质，目的是用来稳定控制输出。

图9：完整的电子密码锁系统电路图

4 构建、检测与结果

这部分处理电路构建、包装、检测和获得的结果。证明得到的结果的合理性。

4.1 构建

当所有组件全部安装在一个电路板上时，控制单元是第一个（暂时）测试其功能是否完善的单元。这也使得为了简洁而错误安装的部件重新安排位置变得更加简单。我们也检测了在用一个正12V的直流电

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