声控电子锁的设计教材.docx

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声控电子锁的设计教材

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

Thelogicgatecircuitdesignelectronictricklock,expoundsitsworkingprinciple,giveaspecificcircuitprinciplediagram.Thiscombinationlockhaspasswordpresetfunctions,secrecyisstrong,erroralarm,andalarmtimecanset,andwithadigitalalarmtimetubestodisplay.Whenthecorrectpasswordisdrivingrelaycontrolthelockindicatorlight,erroralarmsignalwhenavoiceforthebuzzer,intermittentwhistling.Whenusingtheusermustbeontheconfirmbuttonthatbehindthepasswordofuserinputandpresetpassword,whetherconsistentwhenthecorrectpasswordcombinationlockcanbeopenwhen,lightgreenlightrepresentsthecorrectpassword,diodecanopenthelock.Passwordisnotcorrectpressconfirmbutton,reddiodetolight,andtenseconds,sirensbuzzerdigitalpipedisplaytensecondstocountdown;Theendofthecountdown,digitalpipedisplay,toproduceasignalgateafterprocessingthecodeintolowlevelsignalstothesecondpulse,thecontrolcircuit,makeitsstopworkandpulseofdriverbuzzeralsostoppedthepolice.

KEYWORD：

Audiocontrolelectroniclocklogicalgatingcircuitcalculator

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。

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

一、方案一

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。

二、方案二：

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。

方案三：

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。

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。

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。

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。

因此我们选择方案三。

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3.1NE556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（“1→0”）触发翻转。

触发器的次态取决于它的状态方程

，可见它具有置1、置0、保持和翻转四种功能。

图3.374LS76引脚图

表3.174LS76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

ψ

ψ

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。

图3.474LS76实现检测接线图

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5～18V，常用10～15V，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3.5所示

图3.5NE555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2Ucc/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。

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：

图3.7单稳态触发电路波形图

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3.8所示。

图3.8取样及放大整形电路

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。

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3.974161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：

①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。

②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A~D的数据要同时置入计数器，称为同步并行置数。

③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。

④计数：

当RD=LD=EP=ET=1时，74161处于计数状态。

二、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：

图3.11开锁电路

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，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。

第四章调试电路

第一节调试要点

（1）调试时钟脉冲发生器，使输出方波周期Top在1-2s之间。

（2）10s单稳延时时间TW2≈7Top

（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求，若达到再检查接线等。

当在正确的输入信号输入将锁打开的情况下，在输入5次错误信号，在第5次的时候看电路是否报警且自锁，如果能闭合开关K2，再次输入正确信号，观察电路能否正常工作，如果不能仔细检查接线，直到电路实现功能即可投入使用。

结论

首先我对声电转换这种电路是不懂的，然后通过查阅一些资料设计参数，虽然在设计的过程中遇到很多困难，但始终没有放弃，认真查阅资料，将电路分开一个一个地解决，在弄清工作原理的基础上，努力把每一个环节弄懂弄扎实，为以后的设计打下坚实的基础，遇到实在不懂的请教同学，最终基本完成了预期的设计功能，通过以1101的节奏声为例，发现当敲击节奏过快过慢均开不了锁，因此，不懂开门节奏胡乱敲门是不会开锁的，甚至会因为多次敲击而唤起报警电路的报警，从而实现了开锁

通过设计体会到了学到了很多东西。

当设计时遇到很多不懂的问题时，通过看书巩固了以前学的不是很扎实的知识。

通过设计对电子这方面产生了更大的兴趣，有些电路看起来是那么神奇，简单的电路实现的功能却是让人无法想象的。

“做什么事都要专一，只