聲控電子密碼鎖

1、物理與電子信息學院數(shù)字電路課程設(shè)計成績評定表專業(yè)：電子信息工程班級：12電信本學號：120802054 姓名： 鐘吉森 課題名稱聲控電子鎖設(shè)計任務與要求1、設(shè)計制作一個由掌聲控制的電子鎖電路，輸入的掌聲信號中出現(xiàn)“啪啪的節(jié)奏時，即輸入開鋇代碼1101(代碼可自行沒定)，使電路輸出一個高電平脈沖，推動執(zhí)行機構(gòu)動作，可將鎖打開。執(zhí)行機構(gòu)的動作可用發(fā)光二極管模擬，例如，用紅燈亮表示關(guān)鎖綠燈表示開鎖。2、擊掌的速度與電路的時鐘脈沖一致，例如每秒1次，電路中應設(shè)置一個指示燈指示時鐘脈沖的變化。3、擊掌距離要求在1m范圍內(nèi)有效。4、若輸入一次開鎖信號末將鎖打開，可至復進行，若連續(xù)四次未將鎖打開，電路發(fā)出報

2、警信號并自鎖。設(shè)計報告成績評分標準：有合理的方案設(shè)計和論證、電路參數(shù)的計算、總原理圖和清單。（0-20分）電路板制作、調(diào)試規(guī)范，有詳細制作和調(diào)試過程。（0-10分）電路板測試合理，對性能指標測試數(shù)據(jù)完整，正確；進行數(shù)據(jù)處理規(guī)范，進行了誤差計算和誤差分析。（0-15分）對課程設(shè)計進行了總結(jié)，有體會，并能提出設(shè)計的改進、建設(shè)性意見。 （0-5分）設(shè)計報告成績：電子作品成績評分標準：電路正確，能完成設(shè)計要求提出的基本功能。（0-30分）電路板焊接工藝規(guī)范，焊點均勻，布局合理。（0-20分） (其中直流電源部分占20%，功能部分80%)電子作品成績：課程設(shè)計成績 總成績： 指導教師：2014年1月15

3、日數(shù)字電路課程設(shè)計報告設(shè)計課題： 聲控電子鎖 專業(yè)班級： 12電信本 學生姓名： 鐘吉森 學號：120802054指導教師： 陳建萍 設(shè)計時間：2014.3-2014.1 聲控電子鎖一、設(shè)計任務與要求1設(shè)計制作一個由掌聲控制的電子鎖電路，輸入的掌聲信號中出現(xiàn)“啪啪的節(jié)奏時，即輸入開鎖代碼1101(代碼可自行設(shè)定)，使電路輸出一個高電平脈沖，推動執(zhí)行機構(gòu)動作，可將鎖打開。執(zhí)行機構(gòu)的動作可用發(fā)光二極管模擬，綠燈表示開鎖。2 .擊掌的速度與電路的時鐘脈沖一致，例如每秒1次，電路中應設(shè)置一個指示燈指示時鐘脈沖的變化。3. 擊掌距離要求在1m范圍內(nèi)有效。4. 若輸入一次開鎖信號末將鎖打開，可重復進行，若

4、連續(xù)四次未將鎖打開，電路發(fā)出報警信號并自鎖。二、方案設(shè)計與論證分析課題要求可知該題的主要任務是識別開鎖的掌聲信號，當檢測到開鎖的掌聲節(jié)拍代碼與設(shè)定的代碼相符時，電路輸出開鎖信號。若用LED發(fā)光二極管模擬執(zhí)行機構(gòu)的動作，則相應的指示燈發(fā)亮。 本題電路可由三大部分組成。其是開鎖信號形成電路，它完成由擊掌聲到序列脈外的變換。可以設(shè)想用壓電陶瓷片將聲音節(jié)拍變成電脈沖信號，然后經(jīng)放大、整形變換成標準脈沖信號。其二是所設(shè)定的代碼，如1101這開鎖代碼的檢測電路，該電路在檢測到輸入脈沖中出現(xiàn)1101代碼時，即輸出開鎖信號。其三是報警電路，當發(fā)現(xiàn)連續(xù)三次有開鎖信號到來但未獲成功時報報警電路進入工作狀態(tài)，并實現(xiàn)

5、電路白鎖。1.方案一本方案采用數(shù)字邏輯電路來設(shè)計實現(xiàn)，其原理框圖如下： 圖2-1 方案一原理框圖方案原理：當敲擊通過傳聲器轉(zhuǎn)化為電信號，此電信號為負相脈沖信號，為尖波。電信號通過放大整形電路轉(zhuǎn)化為正脈沖信號。脈沖信號分別送到四個計數(shù)器中，同時脈沖信號輸入10秒延時電路中，觸發(fā)電路延時，同時觸發(fā)脈沖產(chǎn)生電路輸出周期為1秒的脈沖信號，脈沖信號的高、低由指示電路顯示。將脈沖信號送到計數(shù)器5中，將計數(shù)結(jié)果送到138譯碼器中，譯碼器輸出Y1、Y2、Y3、Y4分別接在計數(shù)器的功能端，且分別選通計數(shù)器。 由于計數(shù)器由譯碼器選通，因此在敲擊的時候也要注意時間的把握，計數(shù)器在高電平時選通，因此在38譯碼器的輸出

6、端分別接上非門，脈沖信號計數(shù)器在每個脈沖上升時候計數(shù)一次，同時選通4個并聯(lián)計數(shù)器中的一個，所以要脈沖信號為高電平后敲擊，由電路可以知道，必須先敲擊啟動開鎖電路，然后再按照正確的開鎖密碼開鎖。當敲擊信號轉(zhuǎn)化為電信號為1101時，計數(shù)器1計數(shù)器4的Q1分別1101，計數(shù)器3輸出通過非門再與其他計數(shù)器輸出相與得到一個高電平，即開鎖電平。開鎖電平驅(qū)動開鎖電路和開鎖指示電路。計數(shù)器6主要計數(shù)開鎖次數(shù)，當開鎖次數(shù)超過限定次數(shù)啟動報警電路，同時報警信號送到放大整形電路，使放大整形電路不工作，即自鎖。2.方案二圖2-2 方案二圖框方案原理：采用壓電陶瓷片采集聲音信號，經(jīng)三極管 C9013 反向放大后觸發(fā)一個

7、NE555芯片構(gòu)成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，驅(qū)動蜂鳴器和發(fā)光二極管工作，發(fā)光二極管和蜂鳴器兩端用穩(wěn)壓管使電壓穩(wěn)定2.方案三圖2-3 方案三圖框方案原理：由原理框圖可見，該電子線路以脈沖數(shù)字電路為主體，兼有音頻放大部分。圖中，傳聲器是將一個聲音信號轉(zhuǎn)換成一個負相尖脈沖，經(jīng)過三級管放大后觸發(fā)NE555產(chǎn)生一個正脈沖信號，相當于對信號的整形。正脈沖分兩路信號分別送到檢測電路和NE556。NE556內(nèi)部由兩個NE555構(gòu)成，一個做10秒單穩(wěn)態(tài)延時電路另一個做脈沖信號產(chǎn)生電路。由放大整形后得到的脈沖信號經(jīng)過反相送到延時電路，觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)電路延時，延時電路產(chǎn)生的正脈沖沖信號觸發(fā)脈沖產(chǎn)生電路產(chǎn)生時鐘脈沖送到檢測電路，為檢

8、測電路提供一個時鐘脈沖。當輸入信號的信號不能使檢測電路啟動開鎖驅(qū)動電路時，必須經(jīng)過聲音信號再次觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)延時，延時電路產(chǎn)生的正脈沖送到計數(shù)器，通過計數(shù)可以知道開鎖次數(shù)，當開鎖次數(shù)超過限定次數(shù)時，觸發(fā)報警電路報警，同時信號觸發(fā)信號送到放大整形電路中，鎖定放大電路，從而達到自鎖的功能。設(shè)計中的核心部分是檢測電路，從1101序列脈沖作為開鎖命令，進一步說明電子線路工作原理和開鎖過程。第一聲掌聲是使脈沖檢測電路進入一個工作周期的啟動信號。它使10秒單穩(wěn)延時電路輸出一個高電平，開啟了時鐘脈沖產(chǎn)生電路，并輸出7個周期為1秒的方波，1101序列脈沖檢測電路開始對輸入信號進行識別。若在一連串的掌聲中出現(xiàn)了“啪

9、!啪!啪!”的節(jié)律時，意即輸入信號中包含有 1101 序列脈沖，則檢測電路有一個高電平輸出高電平，此即開鎖信號。時序邏輯電路要求輸入信號x脈沖與時鐘脈沖同步，即對拍手時機提出要求。由于檢測電路所用JK觸發(fā)器是在時鐘脈沖下降沿出現(xiàn)時，發(fā)生狀態(tài)轉(zhuǎn)換，因此，當時鐘脈沖高電平快要結(jié)束前拍掌，則x為1;拍掌太遲或不拍掌，則輸入信號被當作00。為了 滿足時序電路這種同步工作的需要，掌握好拍掌時機，電路中設(shè)計了時鐘脈沖指示電路。它由兩個不同顏色的光二極管（黃、紅）來指示時鐘脈沖高、低電平，當高電平時黃色發(fā)光二極管亮，表示時鐘脈沖處在高電位，此時拍掌，X輸入為1信號不拍掌或在黃光熄滅以;后再拍掌，輸入x為0信

10、號。從以上分析智能聲控電子鎖的工作原理中可以看出拍掌太慢或太快，開不了鎖拍掌節(jié)律不符，開不了鎖;不掌握開鎖電路周期性，亦開不了鎖。因此對于不懂使用方法，不知道拍掌特定節(jié)律的不速之客，亂拍手掌是絕對打不開鎖的。當開鎖次數(shù)超過限定次數(shù)是報警電路觸發(fā)同時電路自鎖增加了電路電子鎖的安全性。方案論證方案一：當?shù)谝粋€掌聲啟動開鎖電路后， 啟動 10 秒延時電路進一步啟動時鐘脈沖 產(chǎn)生電路整個電路開始工作。在時鐘脈沖下依次選通計數(shù)器 1計數(shù)器 4，在同步時鐘脈沖下如果掌聲信號輸入為1101，則計數(shù)器 1計數(shù)器 4 的 Q1 端輸出依次為1101，計 數(shù)器三的輸出經(jīng)過非門變低，四路信號經(jīng)過與門輸出為高電平，驅(qū)

11、動開鎖驅(qū)動電路工作，門打開。如果在同步時 鐘脈沖下接收的 掌聲信號不為1101， 那么最后與門輸 出為低，開門 電路不工作。開門次數(shù)通過一個計數(shù)器計數(shù)，當超過開門次數(shù)電路驅(qū)動報警電路報警，且同時送出一個自鎖信號到放大整形電路，是整個電路自鎖，在報警后在可將計數(shù)器復位，則解除自鎖。因此只有把握開門時間以及拍掌毫億兆時節(jié)奏，才能使門打開，否則電路報警且自鎖。方案二：由于單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器是低電平觸發(fā)，時間比較短暫，報警不明顯，不易覺察，而且沒有設(shè)置掌聲信號檢測電路，電路不嚴謹，不予采用。方案三：當?shù)谝粋€掌聲輸入電路經(jīng)過放大整形后送到 JK 觸發(fā)器，同時啟動 10 秒延時電路工作，延時電路進一步啟動時鐘脈

12、沖 產(chǎn)生電路， JK 觸發(fā) 器是脈沖觸發(fā)所以輸入信號要在觸發(fā)信號之前輸入。當輸入掌聲信號為 1101 時，JK 觸發(fā)器經(jīng)過一系列的狀態(tài)轉(zhuǎn)變，最后輸入一個高電平，即開鎖電平，驅(qū)動開鎖驅(qū)動電路工作，門打開通過分析，結(jié)合設(shè)計電路性能指標、器件的性價比，本設(shè)計電路選擇方案三。三、單元電路設(shè)計與參數(shù)計算（功能部分電路）1、聲音信號放大及整形駐極體話筒將拍掌信號轉(zhuǎn)換為電信號，此時信號還很微弱雜亂不規(guī)則，因此通過三極管將信號放大再送入555整形為脈沖。C5取0.1ufC6取10uf為隔直作用。右邊為555單穩(wěn)態(tài)電路76腳連接的RC可調(diào)節(jié)脈沖寬度。四腳為報警自鎖信號輸入端，555正常工作時4端輸入高電平，報警

13、自鎖信號產(chǎn)生時經(jīng)過異或門輸入為低電平從而實現(xiàn)自鎖。555單穩(wěn)態(tài)電路請讀者自行查閱相關(guān)資料。2、系列脈沖檢測電路此部分為整個電路的核心部分，設(shè)輸入脈沖序列為011101100，其午包臺了開鎖代碼1101。并設(shè)輸入信號用變量X表示，輸出開鎖信號用變量Y表示，電路狀態(tài)為S。根據(jù)題意列出輸入、輸出狀態(tài)表如下狀態(tài)圖如下經(jīng)分忻發(fā)現(xiàn)，上述狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖中的狀態(tài)S1和S4等價，可以進行簡化，因而可以以得到經(jīng)簡化后的狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖 用兩位代碼對上述四個狀態(tài)進行編碼，狀態(tài)編碼表和狀態(tài)圖如下；于是得到編碼后的狀態(tài)表列 J, K 端激勵表 根據(jù) JK 觸發(fā)器的特征方程及編碼后的狀態(tài)表，列出各觸發(fā)器 J, K 端的激勵表 由

14、知 J、K 的觸發(fā)器狀態(tài)轉(zhuǎn)換的激勵條件用卡諾圖求 Y 及各 J, K 的邏輯函數(shù)式組合邏輯電路中用兩輸入與非門，并希望所用與非門最少，故由卡洛圖簡化得下列邏輯函數(shù)式:n+1 n n本實驗采用74LS76型雙JK觸發(fā)器，其引腳圖和真值表如下。它采用主從型結(jié)構(gòu)，是下降邊沿觸發(fā)的邊沿觸發(fā)器，即在CP脈沖下降沿（“10”）觸發(fā)翻轉(zhuǎn)。觸發(fā)器的次態(tài)取決于它的狀態(tài)方程 Q = JQ + KQ ，可見它具有置1置0保持和翻轉(zhuǎn)四種功能。 通過上面的分析得出的邏輯函數(shù)式連接出正確的 JK 觸發(fā)器接線圖通過上面的介紹我們可以知道當輸入 X 信號依次為 1101 時，在電路圖最右邊的元件的 3 腳輸出一個高電平，否則

15、輸出一個低電平。其中 CP 脈沖為整個電路提供一個時鐘信號，延時信號主要是在每一次開鎖后是 JK 觸發(fā)器復位。3，開鎖時間及拍掌節(jié)奏指示電路設(shè)計NE556 由兩個獨立的 NE555 夠成，在 NE556 的左邊夠成一個單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路，延時 10 秒，即一個開鎖周期。原理與上面 NE555 相同，這里就不做介紹。在 NE556 的右邊夠成一個多諧 振蕩器，且由單穩(wěn)態(tài)觸 發(fā)電路觸發(fā)。在電路中產(chǎn)生周期為 1 秒的脈沖信號，為JK 觸發(fā)器提供時鐘信號。觸發(fā)信號后面接兩個發(fā)光二極管是為了指示電路高、低電平，當脈沖為高電平時，LED3 發(fā)光，反之，則 LDE2 發(fā)光。指示電路在指示何時拍掌時極其重要，過快

16、或過慢夠不能打開電子鎖，因此加上指示電路是十分必要的。4，開鎖次數(shù)檢測及報警電路對于次數(shù)檢測電路的設(shè)計很簡單一，直接有一個計數(shù)器可以完成次數(shù)檢測，在這里我們選用計數(shù)器 74161，其具體電路設(shè)計如下當 74161 的 RD、LD、EP、ET 分別為高時，當 2 腳 CP 脈沖端有脈沖信號時，在每個脈沖的上升沿時開始計數(shù) 1。圖中電路的 2 腳 CP 脈沖為 10 秒延時電路的輸出正脈沖，通過計數(shù)器計數(shù)，由 Q1、Q2、Q3、Q4 輸出相應的正脈沖次數(shù)，Q4 為最高位，由每次開鎖都要使 10 秒延時電路產(chǎn)生一個延時脈沖， 且脈沖寬度約為一個開鎖周期。在電路設(shè)計為最后多可以開 4 次，由電路輸出可

17、知：當?shù)谝淮?、第二次、直到第四次，Q4、Q3、Q2、Q1 分別為 0001、0010、0011、0100，由此可知當?shù)?4 次開鎖時 Q3為 輸出電平為高，三極管導通，報警電路報警。Q3的高電平送異或門一端，異或門兩腳都為高電平時輸出為低電平從而使第一個555自鎖。我們 在 74161 上加了一個復位電路，當電路報警后，將 開關(guān)閉合，RD=0 與門 輸出為低，電路解除自鎖。四、總原理圖及元器件清單 圖4-1總原理圖電路2元件清單五、安裝與調(diào)試1.電路安裝 根據(jù)電路圖逐級連接電路，話筒有極性，與金屬外殼相連的那一腳為負，極性電容注意極性，每一級輸入輸出留出夾子以待檢測，74ls76引腳特別注意V

18、CCGND5腳13腳。蜂鳴器也有極性。具體連接時各芯片放置有大致位置，便于連接。2.電路調(diào)試電路調(diào)節(jié)主要是調(diào)節(jié)整個電路能夠同步實現(xiàn)功能。第一個555調(diào)節(jié)RC使輸出脈沖周期12s，將 NE556 左邊的 NE555通過對電容、電阻的調(diào)節(jié)使脈沖產(chǎn)生電路的周期為10秒即一個開鎖周期，結(jié)果可通過頻率計測得。然后通過調(diào)節(jié) NE556 右邊的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路使電路延時間為1 秒。同理調(diào)節(jié) NE555 的外接電容、電阻使其延時間達到要求六、性能測試與分析（1）測試步驟1，聲音信號放大及整形電路，看能否作為555信號輸入信號，2端理論上是輸入一個低電平尖端不規(guī)則脈沖作為555輸入信號再經(jīng)過其整形為矩形脈沖。2，

19、脈沖整形電路，第一看四端是否為高電平，第二看單穩(wěn)態(tài)暫態(tài)持續(xù)時間即調(diào)節(jié)RC。3，系列脈沖檢測電路，與前端輸入相互隔開，采用高電平點觸方式輸入1101密碼看能否輸出開鎖信號。4，556右邊的555構(gòu)成多諧振蕩器，電路檢測紅黃燈跳變節(jié)奏即拍掌節(jié)奏大概12秒，556左邊構(gòu)成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器實現(xiàn)開鎖周期，紅黃等停止跳動周期即一次開鎖周期，大概10秒左右。查閱相關(guān)電路分別調(diào)節(jié)RC。（2）測試數(shù)據(jù)1，聲音信號有放大，但并沒有理論上一樣輸入一個聲音產(chǎn)生一個低電平脈沖，往里吹氣測量輸出電壓由萬用表由3V向右偏轉(zhuǎn)。2，初步測試555沒有脈沖輸出，檢測到4端電平為低，接高后輸出為高電平但沒有暫穩(wěn)態(tài)，原因是2輸入端為高電平。斷開前置輸入采用標準脈沖作為輸入，調(diào)節(jié)變阻器使R使脈沖寬度在合適范圍。3，系列脈沖檢測電路正常4，556左邊單穩(wěn)態(tài)電路周期設(shè)置為10s測得紅黃燈開始停止閃