声控电子锁的设计教材

1、摘要 采用逻辑门电路设计电子密码锁， 阐述了其工作原理， 给出了具体的电路原理图。 该密码锁具有密码预置功能，保密性强，误码报警，并且报警时间可以设定，同时用 数码管显示出报警时间。 密码正确时驱动继电器控制开锁指示灯， 误码时报警信号由 蜂鸣器发出， 声音为间歇式鸣笛。 使用时用户必须按下确认按钮后方可知用户输入的 密码是否与预置密码一致， 当密码正确时密码锁可以被打开， 点亮绿色二极管亮代表 密码正确，锁可以打开。密码不正确时按下确认按钮，红色二极管被点亮，同时蜂鸣 器鸣笛十秒，数码管显示十秒倒计时；倒计时结束时，数码管显示00，对其产生的 编码信号经门电路处理后转化为低电平信号， 传给秒

2、脉冲电路控制端， 使其停止工作， 从而脉冲驱动的蜂鸣器也停止报警。 关键词： 声控电子锁 逻辑门电路 计数器 Abstract Thel ogic gate circuit design electronic trick lock, expounds its working principle, give a specific circuit principle diagram. This combination lock has password preset functions, secrecy is strong, error alarm, and alarm time can set,

3、 and with a digital alarm time tubes to display. When the correct password is driving relay control the lock indicator light, error alarm signal when a voice for the buzzer, intermittent whistling. When using the user must be on the confirm button that behind the password of user input and preset pa

4、ssword, whether consistent when the correct password combination lock can be open when, light green light represents the correct password, diode can open the lock. Password is not correct press confirm button, red diode to light, and ten seconds, sirens buzzer digital pipe display ten seconds to cou

5、ntdown; The end of the countdown, digital pipe display, to produce a signal gate after processing the code into low level signals to the second pulse, the control circuit, make its stop work and pulse of driver buzzer also stopped the police. KEY WORD ：Audio control electronic lock logical gating ci

6、rcuit calculator II 目录 摘 要 I Abstract II 第一章绪论 1 第一节选题依据 1 第二节设计任务 1 第二章系统总体方案选择 2 第一节方案比较 2 第二节方案论证 5 第三节方案选择 6 第三章单元模块电路设计 7 第一节延时及脉冲产生电路设计 7 第二节序列脉冲检测电路设计 8 第三节取样及放大整形电路设计 10 第四节开锁次数检测及报警电路 13 第五节开锁电路设计 14 第四章调试电路 16 第一节调试要点 16 第二节电路调节 16 结 论 18 致 谢 19 参考文献 20 第一章 绪论 第一节 选题依据 在日常的生活和工作中， 住宅与部门的安全

7、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。 随着电子科学技术的发展， 20世纪 70年代，随着微电子技术的应用，出现了磁 控锁、声控锁、超声波锁、红外线锁、电磁波锁、电子卡片锁、指纹锁、眼球锁、遥 控锁等。这些锁具有机械结构所无法比拟的高保密性能。 但是这些产品的

8、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。 结合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。 第二节 设计任务 声控电子锁是利用掌声的节奏开锁， 代码检测电路是系统的主要部分。 是设计一 个由掌声的节奏（序列脉冲）控制的电子锁，序列脉冲由4 位 0、 1 代码构成（代码 可自行设定）。当掌声产生的序列脉冲包含有自行设定的代码 1101，使电路输出一个 高电平， 推动执行机构动作把门打开。

9、执行结果由 LED发光二极管指示。 输入一次开 锁信号未将门打开，可重复三次，否则，启动音响报警电路并自锁。 第二章 系统总体方案选择 第一节 方案比较 、方案一 计数器 4 138译码器 报警器 计数器 1 图 2.1 基于门电路原理框图 方案原理：掌声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 38 译码器中，译码器输出

10、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， 因此在拍掌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 拍掌，由电路可以知道， 必须先拍掌启动开锁电路， 然后再按照正确的开锁密码开锁。 当拍掌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

11、 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。 图 2.2 基于单稳态触发器原理框图 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。 图 2.3 基于检测电路原理框图 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。

12、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

13、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 秒的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! 义! 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，继电器吸合，使开门 电机运转，门被打开。 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

14、 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

15、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。 第二节 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

16、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

17、 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。 当输入掌声信号不为 1101时，JK 触发器状态变化结果输出电平为低，即不能使 门打开。 经过计数器判断开门次数， 当开门次数超过限定时， 电路报警且信号返回到 放大整形电路中使电路自锁， 整个电路的安全性得到了保证。 电路还设置了复位功能， 使电路从新工作。 第三节 方案选择 通过论证两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。 从成本考虑，方案一和方

18、案三在实现同一个电 路功能的时候， 方案一明显比方案三的成本高得多。 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， 方案二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。 因此虽然三个方案都能实现功能，但方案二的可行性更高。 在次，方案一在每次开锁的时候都必须先拍掌一次来启动整个系统， 相比之下方 案三检测与启动同步， 设计方面比方案一更加巧妙， 比方案二更严谨。 因此我们选择 第三章 单元模块电路设计 第一节 延时及脉冲产生电路设计 选用双时基电路 NE556实现延时和脉冲产生。 双时基 NE556组成的

19、双时基延时计数脉冲产生电路， 有单稳态延时电路和计数脉 冲产生电路 2 部分组成，如图所示。巧妙的电路组合，在电路设计时节约器件。其功 能管脚如图 3.1 所示： 图 3.1 NE556 的管脚图 延时及脉冲产生 电路如图 3.2 所示。 图 3.2 延时及脉冲产生电路 其工作原理是：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。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

20、 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。 第二节 序列脉冲检测电路设计 序列脉冲检测电路是智能声控电子锁的 “大脑”， 是判断开门与否的电路。 该部 分电路的设计工作，是整个电子线路的设计重点。 采用 74LS76型双 JK触发器，其引脚排列如图 3.3 所示，其真值表见表 3.1 。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（“10”）触 发翻转。触发器的次态取决于它的状态方程 Qn 1 JQn KQn ，可见它具有置 1、置 0、保持和翻转四种功能。 图 3.3 74LS76 引脚图 表

21、 3.1 74LS76 的真值表 输入 输出 SD RD CP J K Qn+1 Qn+1 0 1 X X X 1 0 1 0 X X X 0 1 0 0 X X X 1 1 0 0 Qn Qn 1 1 1 0 1 0 1 1 0 1 0 1 1 1 1 1 Qn Qn 1 1 X X Qn Qn 74LS76是带有置位和清零的双 JK 触发器，每个触发器都有一个单独清零置“ 1” 输入端，有 Q互补输出。为下降沿触发型 JK 触发器。 序列脉冲检测电路如 3.4 所示。 电路工作原理：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

22、 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。 第三节 取样及放大整形电路设计 在这里 NE555的作用起到了整形及延时的目的。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， 在电冰箱保护电 路设计中要求断电延时，首先想到的就是单稳态触发器的延时功能。 一、时基电路 NE555 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，常用 1015V，最大输出电流 200

23、mA，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3.5 所示 图 3.5 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

24、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， 10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。 二、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

25、的介绍我们已经 基本了解了其元件内部结构。如图 3.6 ： 图 3.6 单稳态触发器 电路工作原理：当电路通电时，位于 7脚的三极管截止， +Vcc通过 R5对C5进行充 电，当 C5上的电压大于 2/3Vcc时，内部比较器翻转，输出低电平， RS触发器复位， 输出端为低，则三极管导通，电容迅速放电，输出端为低保持不变。如果负跳变触发 脉冲由 2输入，当电压值下降到 1/3Vcc时，同相比较器翻转，输出低电平， RS触发器 置位，输出端为高且三极管截止，电源通过 R5再次向 C5充电，重复上述过程，输出高 电平的脉冲宽度为 1.1RC。波形比较如图 3.7 所示： 11 图 3.7 单稳态触发

26、电路波形图 三、取样及放大整形电路 取样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 既可后成， 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 当一个掌声拍响后， 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 JK 触发器不能同步的困扰。 其中异或门输

27、入端为 +VCC和自锁信号，当电路正常工作时异或门输出为高，当 电路报警时自锁信号为高异或门输出为低 NE555不工作，从而达到电路自锁的目的。 12 第四节 开锁次数检测及报警电路 电路中设计一个开锁检测次数电路为电路起到一个保险的作用， 当数次开锁失败 后通过次数检测后可以自锁电路以及报警，为整个电子锁的安全性提供了保证。 一、计数器 74161 目前，集成计数器在一些简单小型数字系统中被广泛应用， 因为他们具有体积小、 功耗低、功能灵活等优点。集成计数器的类型很多，如74161、74LS193、74LS290 等若干集成计数器产品。集成计数器 74161 的引脚图如 3.9 所示： 图

28、3.9 74161 的引脚图 74161是 4位二进制同步加计数器。 其中 RD为异步清零端， LD是预置数控制端， A、B、C、D是预置数输入端， EP和ET是计数使能端， RCO是进位输出端，它的设置 为多片集成计数器的级联提供了方便。 74161的功能如下： 异步清零：当 RD=0时，不管其他输入端的状态如何，计数器输出将被直接置 零，称为异步清零。 同步并行预置数：当 RD=1的条件下，当 LD=0、且有时钟脉冲 CP 的上升沿作 用时， A、B、C、D输入端的数据分别被 Q1、Q2、Q3、Q4所接收。由于这个置数操作 要与 CP上升沿同步，且 AD的数据要同时置入计数器，称为同步并行

29、置数。 保持：在 RD=LD=1的条件下，当 ET*EP=0，即两个计数使能中有 0 时，不管 有没有 CP脉冲作用，计数器都将保持原有状态不变。需要说明的是，当ET=1、EP=0 时进位输出 RCO也保持不变，而当 ET=0时，不管 EP状态如何，进位输出 RCO=。0 计数：当 RD=LD=EP=ET=时1，74161 处于计数状态。 13 、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，其具体电路设计如图 3.10 所示： 图 3.10 开锁次数检测及报警电路 当 74161的 RD、LD、EP、ET分别为高

30、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、直到第五次， Q4、Q3、Q2、 Q1分别为 0001、 0010、0011、0100、0101，由此可知当第 5 次开锁时 Q3、Q1同时为 1，经过与门输出电平为高，三极管导通，报警电路报警。与门的第3 脚经过一个非门为低送到

31、放大整形电路使电路自锁，增加电路的安全性。 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。 第五节 开锁电路设计 通过一系列的环节， 当输出掌声信号与检测电路相同时， 检测电路输出的高电平 可以驱动开锁电路，具体电路设计如图 3.11 所示： 14 开锁信号为高电平，则 LED1点亮，作为开锁指示。 K1迅速吸合，开门电机运转， 门打开。 在继电器回路中设置 R1、C2的目的是为了减小继电器自身功耗， 它是利用继 电器维持电流小于吸合电流的这基本原理没汁而成的。 当开锁信号由低电平突变为 高电平时，由于电容 C2两端的电压不能突变，

32、 因此较强的充电电流流经继电器的线包， 使K1迅速动作吸合。吸合后继电器线包中维持电流由电阻 R1提供，使K1仍能保持吸合。 采取这种措施后， 不仅有效的减小继电器的自身功耗， 也有利于 12V基准电压的稳定。 若取消 R1和C2，当开锁信号电平由低电位突变为高电位时，因负载电流增大，12V输 出电压就会明显下降，使保护器工作不稳定。 电路中还有一个相当重要的部分即直流稳压电源。 220V的电压经过 T1 变压后， 再经过 IN4001 以及电容整流、滤波后输出一个稳定的直流电压，为整个电路中大量 的数字器件提供一个可靠的直流电压，是电路实现预想的功能。 15 第四章 调试电路 第一节 调试要

33、点 (1) 调试时钟脉冲发生器，使输出方波周期 Top 在 1-2s 之间 (2) 10 s 单稳延时时间 TW27Top (3) 信号单稳延时时间 TW1 (0.5-0.7) Top (4) 电容 C10为防止高频自激而设计，调试时不宜取得过大。 (5) 调试时:Cp、X、Q0、Q1、 Y的波形如图 4.1 所示。 图 4.1 在 CP 脉冲下的波形图 第二节 电路调节 电路调节主要是调节整个电路能够同步实现功能。使电路通电，将NE556右边的 NE555使能端接高电平，通过对电容、电阻的调节使脉冲产生电路的周期为1 秒，结 果可通过频率计测得。然后通过调节 NE556 左边的单稳态触发电路使电路延时间为 TW2 =1.1RC=7秒。由上面的波形电路图可知道，需要调节 NE555输入信号延时电路延 时为 TW1 =0.7 秒，同理调节 NE555的外接电容、电阻使其延时间达到要求。 通过调节， 输入正确的掌声信号后看是否能够将电子锁打， 如果能打开说明开锁 功能正常，如果不能打开则再次检查延时电路和脉冲电路是否达到调节要点中的要 16 求，若达到再检查接线等。当在正确