課程設(shè)計(jì)報(bào)告聲控電子鎖

聲控電子鎖的設(shè)計(jì)一、設(shè)計(jì)任務(wù)與要求設(shè)計(jì)課題任務(wù)課題：聲控電子鎖。任務(wù)：通過(guò)擊掌，當(dāng)掌聲出現(xiàn)所設(shè)定的節(jié)奏時(shí)，電路輸出一個(gè)開(kāi)鎖控制信號(hào)的脈沖。功能要求說(shuō)明1、基本部分（1）設(shè)計(jì)一個(gè)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(gè)高電平（也可以是低電平有效），推動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作把鎖打開(kāi)。執(zhí)行機(jī)構(gòu)可由兩個(gè)LED模擬，用綠燈亮、紅燈滅表示開(kāi)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(shí)鐘一致（例如1次/秒），電路中設(shè)一個(gè)LED指示時(shí)鐘脈沖變化。（3）若輸入一次開(kāi)鎖信號(hào)未將鎖打開(kāi)，可重復(fù)三次，否則，啟動(dòng)音響報(bào)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(kāi)時(shí)有機(jī)械執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作（例如：利用繼電器使電磁鐵吸合拉動(dòng)物件）。二、方案設(shè)計(jì)與論證本課題電路可由下述三部分組成。其一是開(kāi)鎖信號(hào)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(kāi)鎖的代碼的檢測(cè)電路，該電路在檢測(cè)到輸入脈沖中出現(xiàn)1101代碼時(shí)，即輸出開(kāi)鎖信號(hào)。其三是報(bào)警電路，當(dāng)發(fā)現(xiàn)連續(xù)三次的開(kāi)鎖信號(hào)到來(lái)但未開(kāi)鎖時(shí)，報(bào)警電路進(jìn)入工作狀態(tài)，并實(shí)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(shí)叩腦說(shuō)詡沖嚴(yán)f計(jì)師器j->計(jì)數(shù)器61F時(shí)鐘吆沖拎小電路報(bào)嚴(yán)器方案原理：掌聲通過(guò)傳聲器轉(zhuǎn)化為電信號(hào)同時(shí)通過(guò)放大整形電路轉(zhuǎn)化為正脈沖信號(hào)分別送到計(jì)數(shù)器1-4中，同時(shí)把脈沖輸入到10秒延時(shí)電路中輸出周期為1秒的脈沖信號(hào)。將脈沖信號(hào)送到計(jì)數(shù)器5中，再將計(jì)數(shù)結(jié)果送到38譯碼器使其輸出選通計(jì)數(shù)器的信號(hào)。由于計(jì)數(shù)器有譯碼器選通，因此在拍掌時(shí)要注意時(shí)間的把握，同時(shí)計(jì)數(shù)器是在高電平時(shí)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(hào)計(jì)數(shù)器的每個(gè)脈沖的上升沿計(jì)數(shù)一次，同時(shí)選通4個(gè)并聯(lián)計(jì)數(shù)器其中一個(gè)。所以要在脈沖信號(hào)為高電平后拍掌，有電路可知必須先拍掌啟動(dòng)開(kāi)鎖電路，然后再按照正確的開(kāi)鎖密碼開(kāi)鎖。當(dāng)掌聲轉(zhuǎn)化為電信號(hào)如1101時(shí)，計(jì)數(shù)器1-4分別為1101，計(jì)數(shù)器3輸出通過(guò)與非門與其他計(jì)數(shù)器輸出得到一個(gè)高電平，即開(kāi)鎖信號(hào)。計(jì)數(shù)器6主要計(jì)數(shù)開(kāi)鎖次數(shù)，當(dāng)開(kāi)鎖次數(shù)超過(guò)3次時(shí)啟動(dòng)報(bào)警電路同時(shí)自鎖。方案二基于代碼檢測(cè)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(guò)LM339將信號(hào)放大，741S164移位輸出，同時(shí)由NE555模塊提供一個(gè)時(shí)鐘脈沖送到檢測(cè)電路，為檢測(cè)電路提供一個(gè)時(shí)鐘脈沖。當(dāng)輸入的信號(hào)不能使檢測(cè)電路啟動(dòng)開(kāi)鎖信號(hào)時(shí)，必須經(jīng)過(guò)聲音信號(hào)再次輸入，同時(shí)把電路產(chǎn)生的正脈沖送到計(jì)數(shù)器上計(jì)數(shù)開(kāi)鎖次數(shù)，當(dāng)開(kāi)鎖次數(shù)＞=3次時(shí)觸發(fā)報(bào)警電路同時(shí)鎖定放大電路達(dá)到自鎖的功能。方案的論證方案一：當(dāng)?shù)谝粋€(gè)掌聲產(chǎn)生一個(gè)啟動(dòng)脈沖使整個(gè)電路激活開(kāi)始工作，在時(shí)鐘脈沖的一次選通計(jì)數(shù)器1-4，在同步時(shí)鐘脈沖下如果掌聲信號(hào)輸入為1101時(shí)，則計(jì)數(shù)器1-4依次輸出1101信號(hào)脈沖驅(qū)動(dòng)開(kāi)鎖電路的工作。如果在同步時(shí)鐘脈沖下接受的掌聲信號(hào)不是1101，那么最后計(jì)數(shù)器1-4模塊的與門輸出為低，開(kāi)鎖電路不工作。開(kāi)鎖次數(shù)通過(guò)一個(gè)計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)并在次數(shù)＞=3次時(shí)啟動(dòng)報(bào)警電路并自鎖，在報(bào)警計(jì)數(shù)可將計(jì)數(shù)器復(fù)位，解除自鎖。因此只有把握開(kāi)門時(shí)間及拍掌時(shí)的節(jié)奏才能使們打開(kāi)，否則報(bào)警自鎖。

方案二：在NE555提供時(shí)鐘脈沖情況下當(dāng)掌聲輸入經(jīng)過(guò)339放大整形送到164移位輸出產(chǎn)生脈沖信號(hào)，當(dāng)脈沖信號(hào)為1101時(shí)74LS85比較器輸出一個(gè)高電平，即開(kāi)鎖電平，驅(qū)動(dòng)開(kāi)鎖電路打開(kāi)門。當(dāng)輸入掌聲不是1101時(shí)，74LS85輸出低電平，即無(wú)法打開(kāi)門，同時(shí)經(jīng)過(guò)161計(jì)數(shù)開(kāi)鎖次數(shù)，當(dāng)次數(shù)超過(guò)＞=3次時(shí)電路報(bào)警并自鎖，使整個(gè)電路的安全性得到保證。方案的選擇通過(guò)上訴論證，雖實(shí)現(xiàn)開(kāi)鎖的過(guò)程不同，但最終都能實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)要求的開(kāi)鎖功能。通過(guò)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(cè)電路中，方案一用了四個(gè)計(jì)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(shí)成本較高。雖然兩個(gè)方案都能實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)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(jì)3.1時(shí)鐘電路本電路是由555定時(shí)器集成電路為主體而組成的，他產(chǎn)生約為的1KHZ方波輸出。可用作永不間斷的自由振蕩時(shí)鐘信號(hào)源，為整個(gè)電路提供脈沖。電路圖如下：NE555卜R5T0THRNE555卜R5T0THR嘗VCCCVOLTTRIGGNDOUTDD3LEDONE555：時(shí)基電路555是一種用途較廣的精密定時(shí)器，可用來(lái)發(fā)生脈沖、作方波發(fā)生器、自激振蕩器、定時(shí)電路、延時(shí)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(dòng)功率開(kāi)

關(guān)管、繼電器、發(fā)光管、指示燈，做振蕩器時(shí)，最高頻率可達(dá)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(shí)。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(shí)，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(bǔ)的，2腳只對(duì)低電平起作用，高電平對(duì)它不起作用，即電壓小于lUcc/3，此時(shí)3腳輸出高電平。6腳為閾值端，只對(duì)高電平起作用，低電平對(duì)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(gè)先決條件，即2腳電位必須大于lUcc/3時(shí)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(shí)，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(shí)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(jì)聲音采集模塊部分實(shí)際上就是將一個(gè)聲音信號(hào)轉(zhuǎn)化為一個(gè)電信號(hào)，用一個(gè)簡(jiǎn)單的電阻串聯(lián)話筒即可形成，電信號(hào)無(wú)法在數(shù)電電路中使數(shù)字

電路實(shí)現(xiàn)功能，因此必須經(jīng)過(guò)放大整形形成類似脈沖的信號(hào)，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(tuán)趨啊說(shuō)竹其中聲音采集是話筒鏈接原理圖：iJJHi.話筒連接原理團(tuán)趨啊說(shuō)竹■當(dāng)拍一個(gè)掌發(fā)出聲音后，話筒接收到聲音信號(hào)，話筒導(dǎo)通，則產(chǎn)生一個(gè)脈沖經(jīng)過(guò)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(gè)經(jīng)339放大高電平的信號(hào)到74LS164的第一第二引腳輸入。為了更好的了解電路功能，我們?cè)谶@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(yùn)算放大器。每個(gè)比較器有兩個(gè)輸入端和一個(gè)輸出端。兩個(gè)輸入端一個(gè)稱為同相輸入端，用“+”表示，另一個(gè)稱為反相輸入端，用“-”表示。用作比較兩個(gè)電壓時(shí)，任意一個(gè)輸入端加一個(gè)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(diǎn)），另一端加一個(gè)待比較的信號(hào)電壓。當(dāng)“+”端電壓高于“-”端時(shí)，輸出管截止，相當(dāng)于輸出端路。當(dāng)“-”端電壓高于“+”端時(shí)，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(hào)檢測(cè)等場(chǎng)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(shí)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(huì)影響輸出端高電位的值。因?yàn)楫?dāng)輸出晶體三極管截止時(shí)，它的集電極電壓基本上取決于上拉電阻與負(fù)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(cè)電路信號(hào)檢測(cè)電路由74LS74、164、85、00以及一個(gè)撥碼開(kāi)關(guān)構(gòu)成，其中撥碼開(kāi)關(guān)跟74LS75組成密碼預(yù)設(shè)模塊；74ls164主要是作為信號(hào)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(gè)開(kāi)鎖信號(hào)（高電平），此時(shí)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(shí)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(shí)，并行數(shù)據(jù)（A-H）被置入寄存器，而時(shí)鐘（CLK,CLKINH）及串行數(shù)據(jù)（SER）均無(wú)關(guān)。當(dāng)SH/LD）為高電平時(shí)，并行置數(shù)功能被禁止。CLK和CLKINK在功能上是等價(jià)的，可以交換使用。當(dāng)CLK和CLKINK有一個(gè)為低電平并且SH/LD為高電平時(shí)，另一個(gè)時(shí)鐘可以輸入。當(dāng)CLK和CLKINK有一個(gè)為高電平時(shí)，另一個(gè)時(shí)鐘被禁止。只有在CLK為高電平時(shí)CLKINK才可變?yōu)楦唠娖?。引出端符?hào)CLK，CLKINK時(shí)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(bǔ)輸出端Sh/LD移位控制/置入控制（低電平有效）計(jì)數(shù)報(bào)警電路計(jì)數(shù)報(bào)警電路由一74ls161和一片74ls00構(gòu)成，同時(shí)由555時(shí)鐘模塊提供脈沖。741S161設(shè)置為3進(jìn)制計(jì)數(shù)器，當(dāng)密碼輸入錯(cuò)3次時(shí)，164通過(guò)74ls00輸出一個(gè)高電平信號(hào)給三極管驅(qū)動(dòng)蜂鳴器發(fā)出報(bào)警聲同時(shí)整個(gè)電路處于復(fù)位狀態(tài)。電路圖如下：

四、仿真過(guò)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(gè)時(shí)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(hào)，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(hào)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(shí)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(guò)程5.2調(diào)試結(jié)果時(shí)鐘模塊開(kāi)鎖狀態(tài)報(bào)警狀態(tài)六、性能測(cè)試與分析時(shí)鐘模塊開(kāi)鎖狀態(tài)報(bào)警狀態(tài)六、性能測(cè)試與分析本設(shè)計(jì)性能測(cè)試時(shí)通過(guò)信號(hào)發(fā)生器直接給電路的系統(tǒng)時(shí)鐘和相應(yīng)的信號(hào)輸入，可以成功的達(dá)到開(kāi)鎖動(dòng)作，并且將輸入的信號(hào)與預(yù)設(shè)的密碼系列不一樣輸入三次時(shí)也可以驅(qū)動(dòng)報(bào)警電路使蜂鳴器報(bào)警。此電路由信號(hào)采集模塊、信號(hào)脈沖電路、741S164移位寄存器、預(yù)設(shè)密碼電路、控制整個(gè)電路的邏輯電路及74ls373芯片、74ls85四位比較電路和74lS161計(jì)數(shù)報(bào)警電路組成。電路中由信號(hào)脈沖電路為整個(gè)電路提供脈沖，聲音信號(hào)通過(guò)信號(hào)采集模塊采集相應(yīng)的信號(hào)在通過(guò)比較匹配電路比較來(lái)選擇是報(bào)警還是開(kāi)鎖。六、總結(jié)此次課程設(shè)計(jì)個(gè)了我很多的時(shí)間思考以及查閱資料，我也盡量通過(guò)此次課程將設(shè)計(jì)做的更加完善。雖然平時(shí)學(xué)過(guò)很多相關(guān)知識(shí)，但為了實(shí)現(xiàn)此次的功能要求并不是那么簡(jiǎn)單。這主要源于我平時(shí)動(dòng)手實(shí)踐不夠，不能將所學(xué)的知識(shí)熟于應(yīng)用。通過(guò)這課程設(shè)計(jì)也給自己一個(gè)深深地上來(lái)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(guò)程中也出現(xiàn)了不少問(wèn)題，例如：聲音采集模塊不夠靈敏，經(jīng)過(guò)請(qǐng)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(wèn)題就解決了。通過(guò)這次課程設(shè)計(jì)讓我體會(huì)到也學(xué)到了很多