声控电子密码锁.docx

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声控电子密码锁

物理与电子信息学院数字电路课程设计成绩评定表

专业：

电子信息工程班级：

12电信本学号：

120802054姓名：

钟吉森

课题名称

声控电子锁

设计任务与要求

1、设计制作一个由掌声控制的电子锁电路，输入的掌声信号中出现“啪啪’’的节奏时，即输入开钡代码1101（代码可自行没定），使电路输出一个高电平脉冲，推动执行机构动作，可将锁打开。

执行机构的动作可用发光二极管模拟，例如，用红灯亮表示关锁．绿灯表示开锁。

2、击掌的速度与电路的时钟脉冲一致，例如每秒1次，电路中应设置一个指示灯指示时钟脉冲的变化。

3、击掌距离要求在1m范围内有效。

4、若输入一次开锁信号末将锁打开，可至复进行，若连续四次未将锁打开，电路发出报警信号并自锁。

设计报告成绩

评分标准：

有合理的方案设计和论证、电路参数的计算、总原理图和清单。

（0-20分）

电路板制作、调试规范，有详细制作和调试过程。

（0-10分）

电路板测试合理，对性能指标测试数据完整，正确；进行数据处理规范，进行了误差计算和误差分析。

（0-15分）

对课程设计进行了总结，有体会，并能提出设计的改进、建设性意见。

（0-5分）

设计报告成绩：

电子

作品成绩

评分标准：

电路正确，能完成设计要求提出的基本功能。

（0-30分）

电路板焊接工艺规范，焊点均匀，布局合理。

（0-20分）

（其中直流电源部分占20%，功能部分80%）

电子作品成绩：

课程设计成绩

总成绩：

指导教师：

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　2014年1月15日

数字电路课程设计报告

设计课题：

声控电子锁

专业班级：

12电信本

学生姓名：

钟吉森

学　　号：

　120802054　　　　

指导教师：

陈建萍

设计时间：

2014.3-2014.1

声控电子锁

一、设计任务与要求

1．设计制作一个由掌声控制的电子锁电路，输入的掌声信号中出现“啪啪’’的节奏时，即输入开锁代码1101（代码可自行设定），使电路输出一个高电平脉冲，推动执行机构动作，可将锁打开。

执行机构的动作可用发光二极管模拟，绿灯表示开锁。

2.击掌的速度与电路的时钟脉冲一致，例如每秒1次，电路中应设置一个指示灯指示时钟脉冲的变化。

3.击掌距离要求在1m范围内有效。

4.若输入一次开锁信号末将锁打开，可重复进行，若连续四次未将锁打开，电路发出报警信号并自锁。

二、方案设计与论证

分析课题要求可知．该题的主要任务是识别开锁的掌声信号，当检测到开锁的掌声节拍代码与设定的代码相符时，电路输出开锁信号。

若用LED发光二极管模拟执行机构的动作，则相应的指示灯发亮。

本题电路可由三大部分组成。

其—‘是开锁信号形成电路，它完成由击掌声到序列脉外的变换。

可以设想用压电陶瓷片将声音节拍变成电脉冲信号，然后经放大、整形变换成标准脉冲信号。

其二是所设定的代码，如1101这—开锁代码的检测电路，该电路在检测到输入脉冲中出现1101代码时，即输出开锁信号。

其三是报警电路，当发现连续三次有开锁信号到来但未获成功时．报报警电路进入工作状态，并实现电路白锁。

1.方案一

本方案采用数字逻辑电路来设计实现，其原理框图如下：

图2-1方案一原理框图

方案原理：

当敲击通过传声器转化为电信号，此电信号为负相脉冲信号，为尖波。

电信号通过放大整形电路转化为正脉冲信号。

脉冲信号分别送到四个计数器中，同时脉冲信号输入10秒延时电路中，触发电路延时，同时触发脉冲产生电路输出周期为1秒的脉冲信号，脉冲信号的高、低由指示电路显示。

将脉冲信号送到计数器5中，将计数结果送到138译码器中，译码器输出Y1、Y2、Y3、Y4分别接在计数器的功能端，且分别选通计数器。

由于计数器由译码器选通，因此在敲击的时候也要注意时间的把握，计数器在高电平时选通，因此在38译码器的输出端分别接上非门，脉冲信号计数器在每个脉冲上升时候计数一次，同时选通4个并联计数器中的一个，所以要脉冲信号为高电平后敲击，由电路可以知道，必须先敲击启动开锁电路，然后再按照正确的开锁密码开锁。

当敲击信号转化为电信号为1101时，计数器1~计数器4的Q1分别1101，计数器3输出通过非门再与其他计数器输出相与得到一个高电平，即开锁电平。

开锁电平驱动开锁电路和开锁指示电路。

计数器6主要计数开锁次数，当开锁次数超过限定次数启动报警电路，同时报警信号送到放大整形电路，使放大整形电路不工作，即自锁。

2.方案二

图2-2方案二图框

方案原理：

采用压电陶瓷片采集声音信号，经三极管C9013反向放大后触发一个NE555芯片构成单稳态触发器，驱动蜂鸣器和发光二极管工作，发光二极管和蜂鸣器两端用稳压管使电压稳定

2.方案三

图2-3方案三图框

方案原理：

由原理框图可见，该电子线路以脉冲数字电路为主体，兼有音频放大部分。

图中，传声器是将一个声音信号转换成一个负相尖脉冲，经过三级管放大后触发NE555产生一个正脉冲信号，相当于对信号的整形。

正脉冲分两路信号分别送到检测电路和NE556。

NE556内部由两个NE555构成，一个做10秒单稳态延时电路另一个做脉冲信号产生电路。

由放大整形后得到的脉冲信号经过反相送到延时电路，触发单稳态电路延时，延时电路产生的正脉冲冲信号触发脉冲产生电路产生时钟脉冲送到检测电路，为检测电路提供一个时钟脉冲。

当输入信号的信号不能使检测电路启动开锁驱动电路时，必须经过声音信号再次触发单稳态延时，延时电路产生的正脉冲送到计数器，通过计数可以知道开锁次数，当开锁次数超过限定次数时，触发报警电路报警，同时信号触发信号送到放大整形电路中，锁定放大电路，从而达到自锁的功能。

设计中的核心部分是检测电路，从1101序列脉冲作为开锁命令，进一步说明电子线路工作原理和开锁过程。

第一声掌声是使脉冲检测电路进入一个工作周期的启动信号。

它使10秒单稳延时电路输出一个高电平，开启了时钟脉冲产生电路，并输出7个周期为1秒的方波，1101序列脉冲检测电路开始对输入信号进行识别。

若在一连串的掌声中出现了“啪!

啪!

啪!

”的节律时，意即输入信号中包含有1101序列脉冲，则检测电路有一个高电平输出高电平，此即开锁信号。

时序逻辑电路要求输入信号x脉冲与时钟脉冲同步，即对拍手时机提出要求。

由于检测电路所用JK触发器是在时钟脉冲下降沿出现时，发生状态转换，因此，当时钟脉冲高电平快要结束前拍掌，则x为1;拍掌太迟或不拍掌，则输入信号被当作00。

为了满足时序电路这种同步工作的需要，掌握好拍掌时机，电路中设计了时钟脉冲指示电路。

它由两个不同颜色的光二极管（黄、红）来指示时钟脉冲高、低电平，当高电平时黄色发光二极管亮，表示时钟脉冲处在高电位，此时拍掌，X输入为1信号不拍掌或在黄光熄灭以;后再拍掌，输入x为0信号。

从以上分析智能声控电子锁的工作原理中可以看出拍掌太慢或太快，开不了锁拍掌节律不符，开不了锁;不掌握开锁电路周期性，亦开不了锁。

因此对于不懂使用方法，不知道拍掌特定节律的不速之客，乱拍手掌是绝对打不开锁的。

当开锁次数超过限定次数是报警电路触发同时电路自锁增加了电路电子锁的安全性。

方案论证

方案一：

当第一个掌声启动开锁电路后，启动10秒延时电路进一步启动时钟脉冲产生电路整个电路开始工作。

在时钟脉冲下依次选通计数器1~计数器4，在同步时钟脉冲下如果掌声信号输入为1101，则计数器1~计数器4的Q1端输出依次为1101，计数器三的输出经过非门变低，四路信号经过与门输出为高电平，驱动开锁驱动电路工作，门打开。

如果在同步时钟脉冲下接收的掌声信号不为1101，那么最后与门输出为低，开门电路不工作。

开门次数通过一个计数器计数，当超过开门次数电路驱动报警电路报警，且同时送出一个自锁信号到放大整形电路，是整个电路自锁，在报警后在可将计数器复位，则解除自锁。

因此只有把握开门时间以及拍掌毫亿兆时节奏，才能使门打开，否则电路报警且自锁。

方案二：

由于单稳态触发器是低电平触发，时间比较短暂，报警不明显，不易觉察，而且没有设置掌声信号检测电路，电路不严谨，不予采用。

方案三：

当第一个掌声输入电路经过放大整形后送到JK触发器，同时启动10秒延时电路工作，延时电路进一步启动时钟脉冲产生电路，JK触发器是脉冲触发所以输入信号要在触发信号之前输入。

当输入掌声信号为1101时，JK触发器经过一系列的状态转变，最后输入一个高电平，即开锁电平，驱动开锁驱动电路工作，门打开

通过分析，结合设计电路性能指标、器件的性价比，本设计电路选择方案三。

三、单元电路设计与参数计算（功能部分电路）

1、声音信号放大及整形

驻极体话筒将拍掌信号转换为电信号，此时信号还很微弱杂乱不规则，因此通过三极管将信号放大再送入555整形为脉冲。

C5取0.1ufC6取10uf为隔直作用。

右边为555单稳态电路76脚连接的RC可调节脉冲宽度。

四脚为报警自锁信号输入端，555正常工作时4端输入高电平，报警自锁信号产生时经过异或门输入为低电平从而实现自锁。

555单稳态电路请读者自行查阅相关资料。

2、系列脉冲检测电路

①此部分为整个电路的核心部分，设输入脉冲序列为011101100，其午包台了开锁代码1101。

并设输入信号用变量X表示，输出开锁信号用变量Y表示，电路状态为S。

根据题意列出输入、输出状态表如下

状态图如下

②经分忻发现，上述状态转换图中的状态S1和S4等价，可以进行简化，因而可以以得到经简化后的状态转换图

③用两位代码对上述四个状态进行编码，状态编码表和状态图如下；

于是得到编码后的状态表

④列J,K端激励表

根据JK触发器的特征方程及编码后的状态表，列出各触发器J,K端的激励表

由知J、K的触发器状态转换的激励条件

⑤用卡诺图求Y及各J,K的逻辑函数式

组合逻辑电路中用两输入与非门，并希望所用与非门最少，故由卡洛图简化得

下列逻辑函数式:

n+1nn

本实验采用74LS76型双JK触发器，其引脚图和真值表如下。

它采用主从型结构，是下降边沿触发的边沿触发器，即在CP脉冲下降沿（“1→0”）触发翻转。

触发器的次态取决于它的状态方程Q=JQ+KQ，可见它具有置1置0保持和翻转四种功能。

通过上面的分析得出的逻辑函数式连接出正确的JK触发器接线图

通过上面的介绍我们可以知道当输入X信号依次为1101时，在电路图最右边的元件的3脚输出一个高电平，否则输出一个低电平。

其中CP脉冲为整个电路提供一个时钟信号，延时信号主要是在每一次开锁后是JK触发器复位。

3，开锁时间及拍掌节奏指示电路设计

NE556由两个独立的NE555够成，在NE556的左边够成一个单稳态触发电路，延时10秒，即一个开锁周期。

原理与上面NE555相同，这里就不做介绍。

在NE556的右边够成一个多谐振荡器，且由单稳态触发电路触发。

在电路中产生周期为1秒的脉冲信号，为JK触发器提供时钟信号。

触发信号后面接两个发光二极管是为了指示电路高、低电平，当脉冲为高电平时，LED3发光，反之，则LDE2发光。

指示电路在指示何时拍掌时极其重要，过快或过慢够不能打开电子锁，因此加上指示电路是十分必要的。

4，开锁次数检测及报警电路

对于次数检测电路的设计很简单一，直接有一个计数器可以完成次数检测，在这里我们选用计数器74161，其具体电路设计如下

当74161的RD、LD、EP、ET分别为高时，当2脚CP脉冲端有脉冲信号时，在每个脉冲的上升沿时开始计数1。

图中电路的2脚CP脉冲为10秒延时电路的输出正脉冲，通过计数器计数，由Q1、Q2、Q3、Q4输出相应的正脉冲次数，Q4为最高位，由每次开锁都要使10秒延时电路产生一个延时脉冲，且脉冲宽度约为一个开锁周期。

在电路设计为最后多可以开4次，由电路输出可知：

当第一次、第二次、直到第四次，Q4、Q3、Q2、Q1分别为0001、0010、0011、0100，由此可知当第4次开锁时Q3为输出电平为高，三极管导通，报警电路报警。

Q3的高电平送异或门一端，异或门两脚都为高电平时输出为低电平从而使第一个555自锁。

我们在74161上加了一个复位电路，当电路报警后，将开关闭合，RD=0与门输出为低，电路解除自锁。

四、总原理图及元器件清单

图4-1总原理图电路

2．元件清单

五、安装与调试

1.电路安装

根据电路图逐级连接电路，话筒有极性，与金属外壳相连的那一脚为负，极性电容注意极性，每一级输入输出留出夹子以待检测，74ls76引脚特别注意VCCGND5脚13脚。

蜂鸣器也有极性。

具体连接时各芯片放置有大致位置，便于连接。

2.电路调试

电路调节主要是调节整个电路能够同步实现功能。

第一个555调节RC使输出脉冲周期1～2s，将NE556左边的NE555通过对电容、电阻的调节使脉冲产生电路的周期为10秒即一个开锁周期，结果可通过频率计测得。

然后通过调节NE556右边的单稳态触发电路使电路延时间为1秒。

同理调节NE555的外接电容、电阻使其延时间达到要求

六、性能测试与分析

（1）测试步骤

1，声音信号放大及整形电路，看能否作为555信号输入信号，2端理论上是输入一个低电平尖端不规则脉冲作为555输入信号再经过其整形为矩形脉冲。

2，脉冲整形电路，第一看四端是否为高电平，第二看单稳态暂态持续时间即调节RC。

3，系列脉冲检测电路，与前端输入相互隔开，采用高电平点触方式输入1101密码看能否输出开锁信号。

4，556右边的555构成多谐振荡器，电路检测红黄灯跳变节奏即拍掌节奏大概1~2秒，556左边构成单稳态触发器实现开锁周期，红黄等停止跳动周期即一次开锁周期，大概10秒左右。

查阅相关电路分别调节RC。

（2）测试数据

1，声音信号有放大，但并没有理论上一样输入一个声音产生一个低电平脉冲，往里吹气测量输出电压由万用表由3V向右偏转。

2，初步测试555没有脉冲输出，检测到4端电平为低，接高后输出为高电平但没有暂稳态，原因是2输入端为高电平。

断开前置输入采用标准脉冲作为输入，调节变阻器使R使脉冲宽度在合适范围。

3，系列脉冲检测电路正常

4，556左边单稳态电路周期设置为10s测得红黄灯开始停止闪烁为9s左右，右边555多谐振荡即红黄闪亮为1s。

报警电路蜂鸣器正常。

但是，自锁信号减小幅度过小，还不是低电平。

（3）数据处理

检测之后各数据较为协调

（4）结论分析（包含误差分析）

本次设计除了声音信号放大电路没有实现预期功能，其余基本符合设计要求。

声音信号采集部分可能原因是三极管没有工作在正常状态下，其余各部分电路整体不是很协调基本符合要求。

七、结论

本次设计，包括声音信号放大及整形电路，系列脉冲检测电路，开锁时长及拍掌节奏指示电路，开锁次数检测电路。

除了声音信号放大电路和报警自锁信号没按预期要求出现之外，其余设计基本符合要求。

采用高电平触发方式代替拍掌信号，发现有开锁信号即绿灯闪烁，多次触发产生报警。

优点，很人性化考虑到各种不良因素所产生开锁干扰进行了优化，比如拍掌节奏指示，比如报警自锁。

缺点，声控电子锁在信号的转换和处理方面做的不好，由模拟信号转换为数字信号存在着很大的误差，信号不能按理想化的数字电路的两种状态进行传输。

芯片由不同的厂商生产也会存在误差。

比如自锁信号由计数器输出，两个高电平经过异或门，本来出来的是低电平，实际上输出端只有小幅度减小并不是低电平。

解决方法和建议，用模块化思想处理各级电路，用理想化信号检测相关电路。

读者在设计之初一定要熟悉电路原理。

电路一定仿真正确，清楚每一级电路和芯片的作用。

检测时用万用表很容知道各输出输入端的状态。

八、参考文献

1．《电子技术课程设计指导》湖南大学彭介华

2．《电子技术实验与课程设计》

3．《新颖实用电子设计与制作》

4．《数字电子技术基础》