課程設(shè)計報告聲控電子鎖

聲控電子鎖的設(shè)計一、設(shè)計任務(wù)與要求設(shè)計課題任務(wù)課題：聲控電子鎖。任務(wù)：通過擊掌，當(dāng)掌聲出現(xiàn)所設(shè)定的節(jié)奏時，電路輸出一個開鎖控制信號的脈沖。功能要求說明1、基本部分（1）設(shè)計一個由掌聲的節(jié)奏（序列脈沖）控制的電子鎖，序列脈沖由4位0、1代碼構(gòu)成（代碼可自行設(shè)定）。當(dāng)掌聲產(chǎn)生的序列脈沖包含有自行設(shè)定的代碼，使電路輸出一個高電平（也可以是低電平有效），推動執(zhí)行機構(gòu)動作把鎖打開。執(zhí)行機構(gòu)可由兩個LED模擬，用綠燈亮、紅燈滅表示開鎖，用綠燈滅、紅燈亮表示關(guān)鎖。（2）掌聲速度應(yīng)與電路的時鐘一致（例如1次/秒），電路中設(shè)一個LED指示時鐘脈沖變化。（3）若輸入一次開鎖信號未將鎖打開，可重復(fù)三次，否則，啟動音響報警電路并自鎖。（4）自制穩(wěn)壓電源。2、發(fā)揮部分：當(dāng)鎖打開時有機械執(zhí)行機構(gòu)動作（例如：利用繼電器使電磁鐵吸合拉動物件）。二、方案設(shè)計與論證本課題電路可由下述三部分組成。其一是開鎖信號形成電路，它完成由擊掌聲音到序列脈沖的變換。其二是所設(shè)定的代碼，例如1101這一開鎖的代碼的檢測電路，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(dāng)發(fā)現(xiàn)連續(xù)三次的開鎖信號到來但未開鎖時，報警電路進入工作狀態(tài)，并實現(xiàn)電路自鎖。原理框圖如下：2.1方案的比較2.1方案的比較方案一基于門電路的原理框圖如下辻人整

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形電睹Fir1fW-i\>■si\f■II池I」昭帽模:;腫iu秒單卷楚時叩腦說詡沖嚴f計師器j->計數(shù)器61F時鐘吆沖拎小電路報嚴器方案原理：掌聲通過傳聲器轉(zhuǎn)化為電信號同時通過放大整形電路轉(zhuǎn)化為正脈沖信號分別送到計數(shù)器1-4中，同時把脈沖輸入到10秒延時電路中輸出周期為1秒的脈沖信號。將脈沖信號送到計數(shù)器5中，再將計數(shù)結(jié)果送到38譯碼器使其輸出選通計數(shù)器的信號。由于計數(shù)器有譯碼器選通，因此在拍掌時要注意時間的把握，同時計數(shù)器是在高電平時選通，所以可在譯碼器的輸出端分別接上非門使其在脈沖信號計數(shù)器的每個脈沖的上升沿計數(shù)一次，同時選通4個并聯(lián)計數(shù)器其中一個。所以要在脈沖信號為高電平后拍掌，有電路可知必須先拍掌啟動開鎖電路，然后再按照正確的開鎖密碼開鎖。當(dāng)掌聲轉(zhuǎn)化為電信號如1101時，計數(shù)器1-4分別為1101，計數(shù)器3輸出通過與非門與其他計數(shù)器輸出得到一個高電平，即開鎖信號。計數(shù)器6主要計數(shù)開鎖次數(shù)，當(dāng)開鎖次數(shù)超過3次時啟動報警電路同時自鎖。方案二基于代碼檢測電路的原理框圖如下方案原理：該電路以脈沖數(shù)字為主體，兼有音頻放大，整形部分。圖中傳聲器（麥克風(fēng)）將聲音采集并經(jīng)過LM339將信號放大，741S164移位輸出，同時由NE555模塊提供一個時鐘脈沖送到檢測電路，為檢測電路提供一個時鐘脈沖。當(dāng)輸入的信號不能使檢測電路啟動開鎖信號時，必須經(jīng)過聲音信號再次輸入，同時把電路產(chǎn)生的正脈沖送到計數(shù)器上計數(shù)開鎖次數(shù)，當(dāng)開鎖次數(shù)＞=3次時觸發(fā)報警電路同時鎖定放大電路達到自鎖的功能。方案的論證方案一：當(dāng)?shù)谝粋€掌聲產(chǎn)生一個啟動脈沖使整個電路激活開始工作，在時鐘脈沖的一次選通計數(shù)器1-4，在同步時鐘脈沖下如果掌聲信號輸入為1101時，則計數(shù)器1-4依次輸出1101信號脈沖驅(qū)動開鎖電路的工作。如果在同步時鐘脈沖下接受的掌聲信號不是1101，那么最后計數(shù)器1-4模塊的與門輸出為低，開鎖電路不工作。開鎖次數(shù)通過一個計數(shù)器計數(shù)并在次數(shù)＞=3次時啟動報警電路并自鎖，在報警計數(shù)可將計數(shù)器復(fù)位，解除自鎖。因此只有把握開門時間及拍掌時的節(jié)奏才能使們打開，否則報警自鎖。

方案二：在NE555提供時鐘脈沖情況下當(dāng)掌聲輸入經(jīng)過339放大整形送到164移位輸出產(chǎn)生脈沖信號，當(dāng)脈沖信號為1101時74LS85比較器輸出一個高電平，即開鎖電平，驅(qū)動開鎖電路打開門。當(dāng)輸入掌聲不是1101時，74LS85輸出低電平，即無法打開門，同時經(jīng)過161計數(shù)開鎖次數(shù)，當(dāng)次數(shù)超過＞=3次時電路報警并自鎖，使整個電路的安全性得到保證。方案的選擇通過上訴論證，雖實現(xiàn)開鎖的過程不同，但最終都能實現(xiàn)設(shè)計要求的開鎖功能。通過框圖我們可以看出方案一的電路結(jié)果明顯比方案三復(fù)雜，特別在檢測電路中，方案一用了四個計數(shù)器。從制作成本方面考慮，方案一的成本明顯方案三高得多。所以方案一電路比較復(fù)雜增加制作難度同時成本較高。雖然兩個方案都能實現(xiàn)設(shè)計的基本要求，但方案二可行性較高。因此我選擇方案二。三、單元模塊設(shè)計3.1時鐘電路本電路是由555定時器集成電路為主體而組成的，他產(chǎn)生約為的1KHZ方波輸出?？捎米饔啦婚g斷的自由振蕩時鐘信號源，為整個電路提供脈沖。電路圖如下：NE555卜R5T0THRNE555卜R5T0THR嘗VCCCVOLTTRIGGNDOUTDD3LEDONE555：時基電路555是一種用途較廣的精密定時器，可用來發(fā)生脈沖、作方波發(fā)生器、自激振蕩器、定時電路、延時電路、脈寬調(diào)制電路、脈寬缺少指示電路、監(jiān)視電路等。其工作電壓為5?18V,最大輸出電流200mA，可驅(qū)動功率開

關(guān)管、繼電器、發(fā)光管、指示燈，做振蕩器時，最高頻率可達300kHz。NE555的元件圖如7所示RSTuTHRgCVOLTRSTuTHRgCVOLTTRIGvccGNBOUTNE555N管腳功能介紹：腳為地；腳為觸發(fā)輸入端；腳為輸出端，輸出的電平狀態(tài)受觸發(fā)器控制，而觸發(fā)器受上比較器6腳和下比較器2腳的控制。當(dāng)觸發(fā)器接受上比較器A1從R腳輸入的高電平時。觸發(fā)器被置于復(fù)位狀態(tài)，3腳輸出低電平；當(dāng)觸發(fā)器接受下比較器A1從S腳輸入的高電平時，觸發(fā)器被置于復(fù)位狀態(tài)，3腳輸出高電平；2腳和6腳是互補的，2腳只對低電平起作用，高電平對它不起作用，即電壓小于lUcc/3，此時3腳輸出高電平。6腳為閾值端，只對高電平起作用，低電平對它不起作用，即輸入電壓大于2Ucc/3，稱高觸發(fā)端，3腳輸出低電平，但有一個先決條件，即2腳電位必須大于lUcc/3時才有效。3腳在高電位接近電源電壓Ucc，輸出電流最大可打200mA。4腳是復(fù)位端，當(dāng)4腳電位小于0.4V時，不管2、6腳狀態(tài)如何輸出端3腳都輸出低電平。5腳是控制端。7腳稱放電端，與3腳輸出同步，輸出電平一致，但7腳并不輸出電流，所以3腳稱為實高（或低）、7腳稱為虛高。8腳接電源電壓Vcc3.2聲音采集與放大部分的設(shè)計聲音采集模塊部分實際上就是將一個聲音信號轉(zhuǎn)化為一個電信號，用一個簡單的電阻串聯(lián)話筒即可形成，電信號無法在數(shù)電電路中使數(shù)字

電路實現(xiàn)功能，因此必須經(jīng)過放大整形形成類似脈沖的信號，電路圖如下：其中聲音采集是話筒鏈接原理圖：iJJHi.話筒連接原理團趨啊說竹其中聲音采集是話筒鏈接原理圖：iJJHi.話筒連接原理團趨啊說竹■當(dāng)拍一個掌發(fā)出聲音后，話筒接收到聲音信號，話筒導(dǎo)通，則產(chǎn)生一個脈沖經(jīng)過LM339的第五腳產(chǎn)生的電壓比第四腳的參考電壓高則339的第二引腳產(chǎn)生一個經(jīng)339放大高電平的信號到74LS164的第一第二引腳輸入。為了更好的了解電路功能，我們在這里介紹下LM339的引腳功能及構(gòu)成：LM339類似于增益不可調(diào)的運算放大器。每個比較器有兩個輸入端和一個輸出端。兩個輸入端一個稱為同相輸入端，用“+”表示，另一個稱為反相輸入端，用“-”表示。用作比較兩個電壓時，任意一個輸入端加一個固定電壓做參考電壓（也稱為門限電平，它可選擇LM339輸入共模范圍的任何一點），另一端加一個待比較的信號電壓。當(dāng)“+”端電壓高于“-”端時，輸出管截止，相當(dāng)于輸出端路。當(dāng)“-”端電壓高于“+”端時，輸出管飽和，相當(dāng)于輸出端接低電位。兩輸入端電壓差別大于10mV就能確保輸出能從一種狀態(tài)可靠地轉(zhuǎn)換到另一種狀態(tài)，因此，把LM339用在弱信號檢測等場合是比較理想的。LM339的輸出端相當(dāng)于一只不接集電極電阻的晶體三極管，在使用時輸出端到正電源一般須接一只電阻（稱為上拉電阻，選3-15K）。選不同阻值的上拉電阻會影響輸出端高電位的值。因為當(dāng)輸出晶體三極管截止時，它的集電極電壓基本上取決于上拉電阻與負載的值。另外，各比較器的輸出端允許連接在一起使用。代碼檢測電路信號檢測電路由74LS74、164、85、00以及一個撥碼開關(guān)構(gòu)成，其中撥碼開關(guān)跟74LS75組成密碼預(yù)設(shè)模塊；74ls164主要是作為信號接收端；74ls85主要作為判決模塊，當(dāng)輸入密碼與預(yù)設(shè)密碼一樣則輸出一個開鎖信號（高電平），此時綠燈亮，當(dāng)密碼與預(yù)設(shè)密碼不一樣則輸出低電平此時紅燈亮。電路圖如下：GNDDDW4lsMEvcc|-1IDESWDP-JRJ_U74k<fflCSN74LS4XN￥0||'GNDID1CJC2DGND-|i.ws75nySN74LS164NMRCLKVCC1415GKDYI^N7<LSE5NV0C卜TCCU741S.COD.SK74L5DGNDDDW4lsMEvcc|-1IDESWDP-JRJ_U74k<fflCSN74LS4XN￥0||'GNDID1CJC2DGND-|i.ws75nySN74LS164NMRCLKVCC1415GKDYI^N7<LSE5NV0C卜TCCU741S.COD.SK74L5D：■:L4>BIA胡IA<EOA>BOA=BOA<B恥

ElB2E3GNDGM>DD；Ih為了方便大家更好了解電路功能在這里介紹下741S164:741S164又叫移位寄存器，其工作原理：當(dāng)移位\植入控制端（SH/LD）為低電平時，并行數(shù)據(jù)（A-H）被置入寄存器，而時鐘（CLK,CLKINH）及串行數(shù)據(jù)（SER）均無關(guān)。當(dāng)SH/LD）為高電平時，并行置數(shù)功能被禁止。CLK和CLKINK在功能上是等價的，可以交換使用。當(dāng)CLK和CLKINK有一個為低電平并且SH/LD為高電平時，另一個時鐘可以輸入。當(dāng)CLK和CLKINK有一個為高電平時，另一個時鐘被禁止。只有在CLK為高電平時CLKINK才可變?yōu)楦唠娖?。引出端符號CLK，CLKINK時鐘輸入端（上升沿有效）

A-H并行數(shù)據(jù)輸入端SER串行數(shù)據(jù)輸入端QH輸出端QH'互補輸出端Sh/LD移位控制/置入控制（低電平有效）計數(shù)報警電路計數(shù)報警電路由一74ls161和一片74ls00構(gòu)成，同時由555時鐘模塊提供脈沖。741S161設(shè)置為3進制計數(shù)器，當(dāng)密碼輸入錯3次時，164通過74ls00輸出一個高電平信號給三極管驅(qū)動蜂鳴器發(fā)出報警聲同時整個電路處于復(fù)位狀態(tài)。電路圖如下：

四、仿真過程與仿真結(jié)果仿真電路圖24.1脈沖電路仿真波形用555芯片構(gòu)成一個時鐘模塊，輸出周期為1S,占空比為1:2的脈沖作為整4.2整形電路的仿真波形用1KHZ正弦波模擬聲音信號，經(jīng)整形電路整形后，如下圖整形前：整形后：五、總原理圖及元器件清單電路原理圖電路PCB圖D2o■uHK1JU7+]=0^??*■*<!■QQ9QQQQCrlZ^LSlrilflN?M000?LM339^J0440000jlD2o■uHK1JU7+]=0^??*■*<!■QQ9QQQQCrlZ^LSlrilflN?M000?LM339^J0440000jla3■目.m=fp■叵?.-=Uc■畫,EO口心心*?**coao,??■■■?￡L5N7-1L33^naa&0oo?N^?[SH^N5彳og：OOVflDQob-Q<元件清單元件型號數(shù)量電阻Rl,RR1,RR2,RR31K4R4,R5.R6.R710K4RP1切K1R151001RP21M1電容C1lOOuF1OZC3.CE10nF3C4(■■門遞;IIljF1二極管ni=m=gn4lN4nni4三極管yiWFM日U141發(fā)光二極管紅2黃2綠Z定時器NE5551MK1（話筒）MIC11MK2（蜂鳴器）MIC21U1TL780-05CKC1端口JI,J2Header1與非門74LS00勺］了虹￡系歹1」SN74LS751SN74LS164N1SN74LS85N1SN74LS373N1DTI74LS161AN1JIL1_LJ—i■_■-1-_1_R-1-j幵關(guān)SS1□WDir51sh.1zhongSW-DPDT比較放大器LM339AJ1排針10［管腳座sfep114腳1ie■腳320腳1

五、安裝與調(diào)試5.1安裝調(diào)試過程5.2調(diào)試結(jié)果時鐘模塊開鎖狀態(tài)報警狀態(tài)六、性能測試與分析時鐘模塊開鎖狀態(tài)報警狀態(tài)六、性能測試與分析本設(shè)計性能測試時通過信號發(fā)生器直接給電路的系統(tǒng)時鐘和相應(yīng)的信號輸入，可以成功的達到開鎖動作，并且將輸入的信號與預(yù)設(shè)的密碼系列不一樣輸入三次時也可以驅(qū)動報警電路使蜂鳴器報警。此電路由信號采集模塊、信號脈沖電路、741S164移位寄存器、預(yù)設(shè)密碼電路、控制整個電路的邏輯電路及74ls373芯片、74ls85四位比較電路和74lS161計數(shù)報警電路組成。電路中由信號脈沖電路為整個電路提供脈沖，聲音信號通過信號采集模塊采集相應(yīng)的信號在通過比較匹配電路比較來選擇是報警還是開鎖。六、總結(jié)此次課程設(shè)計個了我很多的時間思考以及查閱資料，我也盡量通過此次課程將設(shè)計做的更加完善。雖然平時學(xué)過很多相關(guān)知識，但為了實現(xiàn)此次的功能要求并不是那么簡單。這主要源于我平時動手實踐不夠，不能將所學(xué)的知識熟于應(yīng)用。通過這課程設(shè)計也給自己一個深深地上來一課，不論做什么事都要把基礎(chǔ)打好不能只是從單方面下手。在此次過程中也出現(xiàn)了不少問題，例如：聲音采集模塊不夠靈敏，經(jīng)過請教同學(xué)以及查閱相關(guān)資料，把粗調(diào)的電位器換成微調(diào)的電位器，這樣問題就解決了。通過這次課程設(shè)計讓我體會到也學(xué)到了很多