声控电子锁设计.doc

赣南师院物理与电子信息学院课程设计报告书 题目： 声控电子锁 时间： 2012.05.16 声控电子锁指导教师：袁新娣 摘 要 随着电子技术的发展，具有防盗报警等功能的电子锁代替安全性差的机械锁已是必然趋势。声控电子锁是以敲门声的节奏开锁的，代码检测电路是系统的主要部分。通过话筒采集敲击声将声音信号转换为电信号，然后经过放大整形电路将每次的敲击声信号变成对应的一个电平信号，控制部分采用模拟电路技术，利用protues设计完成。以四位序列作为密码，有敲击声为高电平，用绿灯指示，反之则为低电平，用红灯指示。输入序列通过代码检测电路与预先设置好的密码进行比较，如果正确则黄灯亮输出开锁信号，当输入错误三次时报警。敲击节奏太快开不了锁，太慢也开不了锁。如果不掌握敲击规律将无法打开门锁。关 键 词 声控电子锁；protues中图分类号 TN702 文献标志码 A不要删除行尾的分节符，此行不会被打印15一、选题1.1.1依据选题依据在日常的生活和工作中，住宅与部门的安全防范、单位的文件档案、财务报表以及一些个人资料的保存多以加锁的方法来解决。若使用传统的机械式钥匙开锁，人们常需携带多把钥匙，使用既不方便，且钥匙丢失后安全性就打折扣。随着科学技术的不断发展，人们对日常生活中的安全保险器件的要求越来越高。为满足人们对锁的使用要求，增加其安全性，用密码代替钥匙的密码应运而生。密码锁具有安全性高、成本低、功耗低、易操作等优点。在安全技术防范领域，具有防盗报警功能的电子密码锁逐渐代替传统的机械锁，客服了机械式锁安全性能差的缺点，使密码锁无论在技术上还是在性能上都有大大提高一步。随着大规模集成电路技术的发展，特别是protues的问世，出现了带微处理的智能密码锁，它除具有电子密码锁的功能外，还引入了智能化管理、专家分析系统等功能，从而使密码锁具有很高的安全性、可靠性，应用日益广泛。随着人们对安全的重视和科技的发展，许多电子智能锁（指纹识别、IC卡辨认）已在国内外相继面世。但是这些产品的特点是针对特定的指纹和有效卡，只能使用于保密要求的箱、柜、门等。而且指纹识别器若在公共场所使用存在容易机械损坏，IC卡还存在容易丢失、损坏等特点。加上其成本较高，一定程度上限制了这类产品的普及和推广。鉴于目前的技术与水平与市场的接受程度，声控电子密码锁将成为这类电子防盗产品的一部分。本次设计采用一种模拟电路技术的声控智能电子锁的设计方法。用protues进行仿真，所有算法完全由硬件电路来实现，使得系统的工作可靠性大为提高。1.1.2设计功能 锁是人们日常生活的基本器具，锁的结构形式很多。声控电子锁是以声音作为开锁信号，用电子器件构成控制电路以推动锁的装置动作，从而实现锁的功能。本课题的任务是设计制作一个能以声音作为开锁信号的控制电路，以实现下列要求。 1、设计制作一个由掌声控制的电子琐电路，输入的掌声信号中出现“啪！啪！啪！啪1”的节奏时，既输入开琐代码1111时（代码可以自行设定），使电路输出一个高电平脉冲，推动执行机构动作，可将琐打开。执行机构的动作可用发光二极管模拟，例如，用红灯表示关琐绿灯表示开琐。2、击掌的速度一电路的时钟脉冲一致，例如每秒一次，电路中应设置一个指示灯指示时钟脉冲的变化。3、击掌的距离要求在一米范围以内有效。 4、若输入一次开锁信号未将锁打开，可重复进行，若连续三次未将锁打开，电路发出报警信号并实现自锁。二、系统方案选择2.1设计方案选择 锁模拟电路代码检测电路声控电子锁是利用敲击的节奏开锁的，代码检测电路是系统的主要部分。其原理图如下：信号放大电路整形电路 传感电路时钟发生电路时钟指示电路报警电路开锁次数检测 图一 声控电子锁原理框图在本次设计中提出了三种方案：2.1.1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：器声传放大整形电路10秒单稳延时电路及脉冲产生电路计数器2计数器3计数器4计数器1计数器5138译码器非门与门开锁驱动电路开锁模拟指示电路报警器时钟脉冲指示电路计数器6 图2 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。2.1.2方案二方案二采用EDA技术，利用MAX+plus II 10.2 II工作平台和VHDL硬件描述语言编程，利用VHDL描述数字系统的结构，行为，功能和接口，及其控制的准确性，来实现声控电子密码锁的设计。其原理框图如下：声音序列采集电路（密码输入）控制电路 （CPLD）报警器开上锁电路脉冲信号 放大整形密码设置报警信号开上锁信号 图3 方案二原理框图方案原理：声音采集部分：采集不同节奏的声音转换电信号，并放大整形变换成高低电平。 控制部分：把电平信号送入控制电路与预先设置的密码进行核实，若与密码相符则发出开锁信号驱动开锁电路。通过控制芯片可发出报警信号，进行密码的更改设置等功能。开锁部分：当接收到开锁信号后驱动电机开锁。报警部分：当密码输入一定次数还未打开锁，则控制芯片发出报警信号驱动报警器报警。密码设置部分：通过此部分将要设置的密码信号送到控制芯片。工作过程：假设密码为敲击声“啪、停、停、啪、啪、停、停、啪”（有声表示高电平，无声表示低电平即停）其对应的电平信号为“10011001”。当输入密码时可根据红绿灯的提示进行，红灯亮，表示高电平，绿灯亮，表示低电平，通过这样的提示以达到准确输入密码的目的。当输入信号经过控制部分的核实，若符合开锁密码，则通知开锁电路开锁同时记录一次开锁，当开锁次数达到三次还未打开，将发出报警信号报警并自锁，此后一段时间将不能开锁。通过同样的方法就可以上锁。本锁在上锁后同那干过按键进入睡眠状态。密码可以根据使用者所需的安全度进行八位序列复杂程度设置。2.1.3方案三代码检测 电路放大整形电路锁模拟传声器 时间发生电路时钟指示电路报警器开锁次数检测 图4 方案三原理框图2.2方案论证2.2.1三种方案的比较方案一：当第一个敲击声启动开锁电路后，启动46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敲击声信号输入为1111，则计数器1计数器4的Q1端输出依次为1111，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敲击声信号不为1111，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。方案二：如果敲击声信号输入为11001011，当密码送入控制部分后先采用锁存器对其进行锁存以延长电平持续时间，通过用状态机设置的序列检测器进行密码的逐位进行比较，如果密码正确则输出开锁信号开锁，如果错误输入三次后会发出报警信号驱动报警电路报警，计数器复位。内部通过一个四进制计数器来记录开锁次数，检测时钟通过编程设置一个分频器，由于CPLD外部所接时钟频率都很高，所以需要分频以满足检测和指示所需的时钟，外部接上LED灯以指示高低电平，一般情况下，在一秒之内可敲门大概在2到3次，因此分频后输出0.5HZ的时钟频率就可满足需要。方案三：按节拍输入1111，则驻极体话筒接收到声音信号，经声电转换后，由C2耦合至VT1进行放大。放大后的信号C2、C3、R4微分后输出一个负脉冲，这个负脉冲一路送入由NE555组成的单稳态触发器使其翻转，其脚输出正脉冲；另一路经VD1和DAN2反相后变为正脉冲，去触发由D触发器构成的二位进制计数器。当第四个脉冲（例如连续击掌四次）输入后，IC2B(CD4013)的脚输出一个进位脉冲，并与NE555的脚输出的正脉冲同时输入DAN3，使DAN3输出负脉冲，经DAN4反向后输入由D触发器CD4013(IC3)组成的双稳态电路，使其翻转，其Q端输出高电平，晶体管VT2导通，LED灯亮。2.2.2最终方案选择通过论证三种方案虽然实现过程不同，但是都能够实现设计要求的功能。通过框图我们可以看出方案一的电路结构明显比方案二、三的复杂，特别是在检测电路的设计中，方案一用了四个计数器。如果要增加密码位数的话，就要再加入更多的计数器，而且密码设置也不灵活，从具体制作考虑，方案一过于电路过于复杂，电路元件重复较多，不予采用。方案二直接用CPLD芯片作为控制部分，用硬件描述语言编程，当需要更改时，可修改程序即可完成，而且可以用软件仿真，不浪费硬件资源，设计效率高，设计灵活。当需要增加其他功能时只需在程序中加入其它模块仿真就可以，有很大的扩展空间，但所需器材网购较贵。方案三电路模块设计简单清晰，各芯片功能及使用方法常见且可行性高。检测电路时便于测量，成本低，设计灵活。因此虽然三个方案都能实现功能，但方案三的可行性更高。 综合以上分析考虑后，我们选择方案三来进行本次的设计。三、单元模块设计3.1声音采集部分的设计声音采集部分实际上就是将一个声音信号转化成一个电信号，用一个简单的电阻串联话筒既可形成，当然这样的电信号无法再数字电路中使数字电路实现功能，因此必须经过放大整形，电路如图5所示。图5 声电信号转换电路其中声音采集时话筒的连接原理图如下: 图6 话筒连接原理图 当一个敲击声后，话筒接收到声音信号，话筒导通，则产生一个负相尖脉冲经过电容C6送到三极管的基极，经过三极管将声音脉冲信号放大，送到NE555的2脚，触发NE555产生一个正脉冲信号，脉冲宽度由R3、C3确定。从而达到将声音信号取样、放大整形的目的。同是还可以将声音信号延时，防止声音信号时间短而导致声音信号和序列检测不能同步的困扰。其实NE555在大学电路的学习中是一个并不陌生的元件，在数字电路的学习中，应用也十分广泛。由其可构成单稳态触发器、自激多谐振荡器以及施密特触发器等在数字电路中都有十分广泛的应用。为更好的了解整个电路的功能，在这里我们先将NE555的功能以及构成的单稳态触发器做简单的介绍：NE555：时基电路555是一种用途较广的精密定时器，可用来发生脉冲、作方波发生器、自激振荡器、定时电路、延时电路、脉宽调制电路、脉宽缺少指示电路、监视电路等。其工作电压为518V，最大输出电流200mA，可驱动功率开关管、继电器、发光管、指示灯，做振荡器时，最高频率可达300kHz。NE555的元件图如7所示 图7 NE555的元件图管脚功能介绍： 1脚为地； 2脚为触发输入端；3脚为输出端，输出的电平状态受触发器控制，而触发器受上比较器6脚和下比较器2脚的控制。当触发器接受上比较器A1从R脚输入的高电平时，触发器被置于复位状态，3脚输出低电平；当触发器接受下比较器A1从S脚输入的高电平时，触发器被置于复位状态，3脚输出高电平；2脚和6脚是互补的，2脚只对低电平起作用，高电平对它不起作用，即电压小于1Ucc/3，此时3脚输出高电平。6脚为阈值端，只对高电平起作用，低电平对它不起作用，即输入电压大于2 Ucc/3，称高触发端，3脚输出低电平，但有一个先决条件，即2脚电位必须大于1Ucc/3时才有效。3脚在高电位接近电源电压Ucc，输出电流最大可打200mA。4脚是复位端，当4脚电位小于0.4V时，不管2、6脚状态如何，输出端3脚都输出低电平。5脚是控制端。7脚称放电端，与3脚输出同步，输出电平一致，但7脚并不输出电流，所以3脚称为实高（或低）、7脚称为虚高。8脚接电源电压Vcc单稳态触发器：单稳态触发器在数字电路中应用也是比较多的。通过上面NE555的介绍我们已经基本了解了其元件内部结构。如图8：图8 单稳态触发电路波形图3.2控制部分的设计控制部分是整个电路的主要部分，声音采集部分整形后的电平信号输入控制部分经控制部分处理。此部分共分为三个子模块，分别为微分模块、二位四进制计数器、双稳态触发电路模块。3.2.1微分电路模块 该电路左端接三极管发射极，使放大后的电信号微分输出负脉冲，这个负脉冲一路送入由NE555组成的单稳态触发器使其翻转，其脚输出正脉冲。图9 微分电路3.2.2二位四进制计数器模块 电路经微分后输出一个负脉冲，路径1N4148和二输入与非门反向后变为正脉冲，去触发由D触发器构成的二位四进制计数器 。当第四个脉冲（例如连续击掌四次）输入后，CD4013的脚输出一个进位脉冲，并与NE555的脚输出的正脉冲同时输入U3，使U3输出负脉冲。 图10 二位四进制计数器电路其中CD4013功能图及真值表：图11 CD4013CD4011管脚图 图12 芯片管脚图图13引脚图逻辑表达式：Y = A.B真值表A=Y.BXYQ动作00?禁止011设定100重置11不变无3.2.3双稳态触发器模块经反相器后得到正脉冲，输入由CD4013构成的双稳态触发电路，使其翻转，Q端输出高电平，三极管导通，发光二极管亮。图14 双稳态触发器3.2.4总体电路模块各个模块设计好以后将其连接起来，进行仿真，总体电路封装图如下所示：3.2.5 元件清单元件序号型号主要参数数量备注（单价：元）R122K1R22.2M1R333K1R4200K1R51M1R6,r8100K2R9,R103302X1驻极体1D1,D21N41482U1U4CD40111U1:A,U1:B,U2:ACD40132VT1,VT2三极管2C10.1u1C20.022u1C30.22u1C4,C5,C70.01u3C64.7u1四、总体电路调试我们首先对前端声音采集电路进行了调试，调试过程中发现当有声音信号过来时，示波器不产生方波。检查电路发现由于驻极体坏了。换了驻极体后，用数字万用表测量三极管发射极，输出电压很小 ，有声音信号，电压变化也很小，于是重新设计静态工作点。才观察到示数有明显的偏转，而且产生标准的方波。但发光二极管始终处于不发光的状态，然后对其逐级测试，放大经电容送入送入NE555的经翻转输出正脉冲，示波器显示与理论值对应，另一路经VD1N4148经与非门得到正脉冲，经检测无误。在经过CD4013它的脚输出一个进位正脉冲。再经CD4013构成的双稳态触发器使其翻转，检测的结果与实际相符，才得出三极管基极电阻5.1K太大使其不能导通。于是换成330.按节奏，1111，用发光二极管代替锁亮了。五、心得体会本次设计中基本完成了预期的设计功能，实现了以1111的节奏声，来实现开锁。由此可以发现，当敲击的节奏过慢开不了锁，过快也开不了锁，因此，如果不懂得敲门节奏，胡乱的敲门是不会打开锁的，甚至会因为多次敲击而唤起报警电路的报警以提示周围的人，引起他们的注意而使那些不速之客不敢轻易靠近。当然，本设计也有不足之处，驻极体接收的声音经放大后倍数较小。使传到后面没信号，所以经过掌握节奏录音，调大音量达到所需效果。设计不具有灵活性，若用单片机做，可随时改写程序控制四位二进制，改变密码，有点像网银的电子口令卡了。虽然我们在本次设计的过程中遇到很多难题，但我们始终没有放弃，我们认真查阅资料，将电路分开一个一个地解决，把每一个环节弄懂弄扎实，为以后的设计打下坚实的基础，遇到实在不懂的我们请教同学，直到我们将每一部分的电路功能了解清楚后，终于完成了我们的设计，当我写到这一页的时候心里已经有很大的成就感，虽然这个设计算不上什么，但是却为我将来的学习道路起到很大的作用。分成一些模块，首先