优秀毕业设计多功能电子密码锁的设计.docx
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优秀毕业设计多功能电子密码锁的设计
主要内容及基本要求
多功能电子密码锁设计的主要内容和基本要求:
1.掌握密钥的人,在规定时间内按顺序键入6位密码才能打开;
2.不知密码的人按键时,可做电子门铃用;
3.如果主人不在,门铃响3次后,会提示来访客人简短留言并录音;
4.在累计按5次错码键、撬门入室盗窃或按防抢劫紧急键时,将产生2分钟报警;
5.设置键入密码时间为12s;
多功能电子密码锁的设计
摘要:
随着电子产品向智能化和微型化的不断发展,单片机已成为电子产品研制和开发中首选的控制器。
随着人们生活水平的提高,如何实现家庭防盗这一问题也变的尤其的突出,传统的机械锁由于其构造的简单,安全性能低,无法满足人们的需要。
本设计采用凌阳十六位单片机作为系统控制核心,利用其强大的语音功能,不仅实现了语音播放功能,完成了语音提示的要求,而且实现了可以在无人应答下的留言系统及其回放系统;利用其内置的Flash闪存,实现了密码的断电保护、无人应答下的来客号码的断电保存和语音断电保存。
除此而外,在键盘输入方面,强大的功能选择键满足了系统的要求;6位数码管的选择使操作要求清晰明了。
因此本套密码锁系统强烈体现了其人性化的一面。
经实验证明,该密码锁具有设计方法合理,简单易行,成本低,安全实用等特点,符合住宅、办公室用锁要求,具有推广价值。
关键词:
电子密码锁;语音存储与回放;断电保护;凌阳十六位单片机
TheDesignofMulti-purposeElectronicPasswordLockBasedonSPCE061A.
Abstract:
Aselectronicproductsaredevelopingtowardsintelligenceandminimization,single—chipcomputers(SCM)havebecomethefirstchoiceforcontrollersinthedevelopmentofelectronicproducts.Withtheimprovementofpeople'slivingstandards,ithasbecomeparticularlyprominentabouthowtoachieveAnti-theftfamily.Thetraditionalmechanicallockhassuchshortcomingassimplestructure,Lowsecurity,itcan'tmeetpeople'sdemands.
Thisexperimentadopt16-bitμ’nSP™(MicrocontrollerandSignalProcessor)microprocessorthathave16-bitsoundcontrollerwith32k*16flashmemoryassystematiccontrolcenter,makinguseofitsstrongspeechfunction,wenotonlycarriedoutvoiceplayer,completedtherequestofthevoicehint,butalsowecanrecordvisitor’smessageandplayit;wecanprotectpassword,maintainthevisitor’snumbersandvoicesthroughstoringtoflashmemorywhenthepowercut.Inadditiontothis,onsideofinputpartweusekeyboardtocompletestrongchoicefunctionwhichsatisfiedtherequestofsystem.AnditisverycleartooperatebecauseanythingshowsinsixNixietubes.Thereforethissystemshowsitshumanization.
Experimentsshowthatthedesignedcipherlockischaracterizedbyitsreasonabledesigningmethods,simpleoperation,lowcostandpropertyofsafetyandpracticality.Besides,itworkswellasaresidencelockandhasgreatpotentialforcommercialdevelopment.
Keywords:
Electronicpasswordlock;voicestorageandplayer;power-offprotection;SPCE061A
第一章绪论
1.1国内外现状
目前,最常用的锁是20世纪50年代意大利人设计的机械锁,其机构简单、使用方便、价格便宜。
但在使用中暴露了很多缺点:
一是机械锁是靠金属制成的钥匙上的不同齿形与锁芯的配合来工作的。
据统计,每4000把锁中就有两把锁的钥匙齿牙相同或类似,故安全性低。
二是钥匙一旦丢失,无论谁捡到都可以将锁打开。
三是机械锁的材料大多为黄铜,质地较软,容易损坏。
四是机械锁钥匙易于复制,不适于诸如宾馆等公共场所使用。
由于人们对锁的安全性,方便性等性能有更高的要求,许多智能锁(如指纹辨别、IC卡识别)也相继问世,但这类产品的特点是针对特定指纹或有效卡,但能适用于保密要求高且仅供个别人使用的箱、柜、房间,其成本一般较高,在一定程度上限制了这类产品的普及和推广。
随着人们生活水平的提高,电子密码防盗锁作为防盗卫士的作用日趋重要。
电子密码防盗锁用密码代替钥匙,不但省去了佩戴钥匙的烦恼,也从根本上解决了普通门锁保密性差的缺点。
根据国外的统计资料显示,装有电子防盗装置的商业区或居民区盗窃犯罪率平均下降30%左右。
目前西方发达国家已经大量地应用这种智能门禁系统,但在我国的应用还不广泛,成本还很高。
1.2设计目标
1.超级密码设置(组合键+8位密码),此密码只有管理员使用;
2.用户密码6位:
密码通过键盘输入,输入两次有效,输出锁死信号;
3.开锁:
输入密码正确,确认后,输出开锁信号;
4.现场报警功能:
密码输入连续错误3次,给出声音报警;
5.欠压提示:
后备电池电压不足时,欠压指示灯LED2(黄)亮提示更换电池;
6.串口通讯RS232,上下位联机功能。
1.3课题解决的技术路线
本文采用通过4种方案进行比较,最后采用凌阳单片机作为系统的核心,通过键盘的输入达到密码验证和修改的目的。
凌阳公司为适应单片机的高度集成化的发展趋势,
凌阳科技推出了高性能的16位单片机如下图1-1,它的CPU内核采用凌阳最新推出的
图1-1凌阳单片机框图
µ’nSP(MicrocontrollerandSignalProcessor)16位微处理器芯片(以下简称unSP)。
具有:
1.16X16位硬件乘法器2.DSP核所具有的内积运算,8位芯片的价格,高集成度以致力于单芯片应用(SOC),低功耗、低电压,具有较强的中断处理能力,功能强、效率高的指令系统。
本系统采用凌阳单片机具有效益高,语音功能强,人性化等特点和优点,很成功的完成本次设计。
第2章方案选择
接到任务后通过分析其要求和技术指标,从设计方案的可行性,设计成本,当前科技发展的主流等条件出发,以下列出几种方案进行比较。
2.1采用LS7225芯片
电路如下图2-1所示,以密码控制电路为核心,通过计数、定时控制数片语音模块组合而成。
LS7225是4位密码控制电路,内含自动复位、密码次序检测及存储、伪码识别、辅助延时及逻辑控制等电路,每个输出端都有驱动管,可直接控制小型继电器动作。
电路工作电源为6~15V,GB是后备电池,VD5是隔离管,C10是电源滤波
电容,LED2是电源指示管,S12是手动或门控联动复位开关。
R7是限流电阻,稳压管VD4为语音模块提供4.5V工作电压。
图2-1基于LS7225芯片数字密码锁电路方案
此方案虽能完成本次的基本要求,语音功能不强,只有预定的几个语音,而且需要单独的语音芯片、价格昂贵。
更致命的是密码简单、破解密码很容易。
若有人按动任一伪码键,每按一次LS7225
脚输入一正脉冲,
脚便输出一个宽度为15ms的正脉冲,一方面加至CD4017
脚(CP)进行计数,另一方面触发KD353发出一次“叮咚,您好!
请开门”的语音呼叫声。
因此如果有人试探门的密码只要每个键按下就可以知道哪四个键不是伪码键(因为按伪码键会发出一次“叮咚,您好!
请开门”的语音呼叫声)。
然后再按最多4!
=24次就可以破解密码进入房屋。
时间方面由于12s电路恢复一次,识别伪键的时间是12*3=36s,破解密码的时间是24*12s=288s。
加起来324s即6分钟左右可以破锁而入。
2.2采用数字电路控制
其原理方框图如图2-2所示。
图2-2数字密码锁电路方案
采用数字密码锁电路的好处就是设计简单。
用以74LS112双JK触发器构成的数字逻辑电路作为密码锁的核心控制,共设了9个用户输入键,其中只有4个是有效的密码按键,其它的都是干扰按键,若按下干扰键,键盘输入电路自动清零,原先输入的密码无效,需要重新输入;如果用户输入密码的时间超过40秒(一般情况下,用户不会超过40秒,若用户觉得不便,还可以修改)电路将报警80秒,若电路连续报警三次,电路将锁定键盘5分钟,防止他人的非法操作。
电路由两大部分组成:
密码锁电路和备用电源(UPS),其中设置UPS电源是为了防止因为停电造成的密码锁电路失效,使用户免遭麻烦。
密码锁电路包含:
键盘输入、密码修改、密码检测、开锁电路、执行电路、报警电路、键盘输入次数锁定电路。
此方案和上一方案有雷同,密码修改不容易,一旦被别人知道其采用的电路容易被不法分子破解密码。
2.3采用单片机控制
采取51单片机作为我们的控制核心,然而,语音录取、语音提示功能、密码断电保护功能需要我们外扩集成芯片才能满足系统要求。
在此种条件下我们用51单片机做出了一个简单的系统,基本实现了电子密码锁的键盘输入和显示功能。
具体电路图图2-3如下:
图2-3单片机控制方案
其实现功能如下:
1、设置密码,断电不保护;
2、输入密码,与系统原有密码或者设置新密码比较;
3、液晶显示功能;
4、报警功能;
显然,这个“最小系统”的制作无法满足我们预期的功能实现,如果采用外扩集成芯片的做法,不仅从技术上,还是从经济方面考虑都不是一个明智的选择。
2.4采用凌阳单片机
SPCE061A为凌阳科技新推出的unSP内核的高集成度,高性能十六位单片机。
µ’nSP内核CPU。
我们采用凌阳单片机作为我们的控制电路核心,凌阳十六位单片机不仅内置32kFlash(闪存),而且集成了语音录音与播放模块。
利用其强大的语音功能,不仅实现了语音播放功能,完成了语音提示的要求,利用其内置的Flash闪存,实现了密码的断电保护和客人留言及电话号码的存储。
除此而外,利用键盘输入与6个数码管的配合使用,使操作简单明了。
次密码长度可以任意设定。
我选择的是凌阳单片机,其特点主要是:
1、16位μ’nSP™微处理器;
2、工作电压(CPU)VDD为2.4~3.6V(I/O)VDDH为2.4~5.5V;
3、CPU时钟:
0.32MHz~49.152MHz;
4、内置2K字SRAM;
5、内置32KFLASH,比起其他c51系列有足够的空间存储语音信号;
6、可编程音频处理;
7、晶体振荡器;
8、系统处于备用状态下(时钟处于停止状态),耗电仅为2μA@3.6V;
9、2个16位可编程定时器/计数器(可自动预置初始计数值);
10、2个10位DAC(数-模转换)输出通道;
11、32位通用可编程输入/输出端口;
12、14个中断源可来自定时器A/B,时基,2个外部时钟源输入,键唤醒;
13、具备触键唤醒的功能;
14、使用凌阳音频编码SACM_S240方式(2.4K位/秒),能容纳210秒的语音数据;
15、锁相环PLL振荡器提供系统时钟信号;
16、32768Hz实时时钟;
17、7通道10位电压模-数转换器(ADC)和单通道声音模-数转换器;
18、声音模-数转换器输入通道内置麦克风放大器和自动增益控制(AGC)功能;
19、具备串行设备接口;
20、具有低电压复位(LVR)功能和低电压监测(LVD)功能;
21、内置在线仿真电路ICE(In-CircuitEmulator)接口;
22、具有保密能力;
23、具有WatchDog功能。
通过比较以上四种方案,单片机编程方式的设计已成为设计主流。
51单片机方案有较大的活动空间,但完成本设计的全部功能比较复杂。
而使用凌阳16单片机不但能实现所要求的功能而且能在很大的程度上扩展功能,而且还可以方便的对系统进行升级,而凌阳单片机成本低、性价比高、运行可靠:
SPCE061A有丰富的I/O资源,外围电路相对简单,尤其是对数字语音处理时几乎不用外接电路。
从根本上,凌阳单片机满足了系统的基本要求。
下面一章我们介绍一下凌阳单片机。
第3章凌阳单片机简介
凌阳SPCE061A是凌阳科技公司研发的16位单片机,特点是高速、低功耗、强大的I/O口功能、具有DSP功能。
本设计只占用了SPCE061A的一部分资源,在此基础上可以开发出功能更强的产品。
而语音播放、语音识别、语音录制等API函数可以直接调用,缩短了开发者的开发周期。
3.1SPCE061A芯片介绍
SPCE061A是凌阳科技研发生产的性价比很高的一款十六位单片机,它采用高性能的u’nSP内核,具有丰富的硬件资源,并集成了ICE(在线仿真电路)接口,可以直接利用该接口对芯片进行下载(烧写)、仿真、调试等操作。
下图图3-1为SPCE061A单片机的内部结构框图:
图3-1SPCE061A内部结构框图
另外,SPCE061A单片机具有易学易用的效率较高的一套指令系统和集成开发环境。
在此环境中,支持标准C语言,可以实现C语言与凌阳汇编语言的互相调用,并且提供了语音录放的库函数,只要了解库函数的使用,就会很容易完成语音录放,这些都为软件开发提供了方便的条件。
SPCE061A的特性参数如表3-1所示:
表3-1SPCE061A的系统特性参数
特性参数
说明
工作电压
(CPU)VDD为3.0~3.6V,
(I/O)VDDH为VDD~5.5V
CPU工作频率
0.32~49.152MHz
数据存储器
2KWordSRAM
程序存储器
32KWordFLASH-Rom
I/O端口
2组16位可编程输入/输出端口
中断
14个中断源,FIQ和
IRQ两个中断优先级
定时器/计数器
两组16位可编程定时器/计数器
模/数转换器
7通道10位电压ADC和
单通道10位声音ADC
数/模转换器
2个10位DAC输出通道
UART
一个全双工通用异步串行接口
SIO
一个同步串行设备接口
节电功能
具备弱振方式和睡眠方式
WatchDog功能
具备清除时间周期为0.75s的看门狗
其它功能
低电压复位、低电压监测、保密功能等
3.261板介绍
SPCE061A精简开发板(简称61板),是以凌阳16位单片机SPCE061A为核心的精简开发-仿真-实验板。
61板集成了几个实用的模块,为开发者提供了很好的开发平台。
3.2.161板的结构和功能
61板除了具备单片机最小系统电路外,还包括有电源电路、音频电路(含MIC输入部分和DAC音频输出部分)、复位电路等,采用电池供电,方便随身携带。
61板上有调试器接口(Probe接口)以及下载线(EZ_Probe)接口,分别可接凌阳科技的在线调试器、简易下载线,配合unSPIDE,可方便地在板上实现程序的下载、在线仿真调试。
图3-2是61板(V1.6版)的实物图。
图3-261板实物照片
61板的硬件结构框图如图3-3:
图3-361板的硬件结构框图如图
上图中的各部分硬件说明如表3-2所示。
表3-261板各部分硬件说明
名称
说明
POWER
5V和3.3V供电电路
S4
复位按键
S5
EZ-PROBE和PROBE切换的3pin排针
EZ-PROBE
下载线的5pin接口
MIC
麦克风输入电路
VRT
A/D转换外部参考电压输入接口
K1~K3
扩展的按键,接IOA0~IOA2
PLL
锁相环外部电路
RESET
复位电路
PROBE
在线调试器5pin接口
J3
2pin喇叭插针
OSC
32768Hz晶振电路
PORTA/B
32个I/O口
61板的硬件电路大体上可分为SPCE061A最小系统、电源电路、音频电路、ICE接口等模块,下面分别介绍61板的各部分电路。
3.2.2SPCE061A最小系统
SPCE061A最小系统中,包括SPCE061A芯片及其外围的基本模块,其中外围的基本模块有:
晶振输入模块(OSC)、锁相环外围电路(PLL)、复位电路(RESET)、指示灯(LED)等,如图3-4所示。
图3-4SPCE061A最小系统
3.2.3电源电路
图3-5是电源部分的电路,由电池盒提供的4.5V直流电压经过SPY0029后产生3.3V给整个系统供电。
SPY0029是凌阳公司设计的电压调整IC,采用CMOS工艺,具有静态电流低、驱动能力强、线性调整出色等特点。
图中的VDDH3为SPCE061A的I/O电平参考,如果该点接SPCE061A(PLCC84封装,下面的介绍中当出现SPCE061A的引脚描述时,均指此封装的芯片)的51脚,可使I/O输出高电平为3.3V;VDDP为PLL锁相环电源,接SPCE061A的7脚;VDD和VDDA分别为数字电源与模拟电源,分别接SPCE061A的15脚和36脚;AVSS1是模拟地,接SPCE061A的24脚;VSS是数字地,接SPCE061A的38脚;AVSS2接音频输出电路的AVSS2。
图3-5电源电路图
3.2.4音频电路
音频电路由音频输出和音频输入两部分组成。
图3-6是音频输出电路图。
SPCE061A内置2路10位精度的DAC,只需要外接功放电路即可完成语音的播放。
图3-6音频输出电路
上图中使用SPY0030是凌阳的一款音频放大芯片,与LM386相比SPY0030具有工作电压范围宽,输出功率大等优点。
(SPY0030工作电压2.4~6V,LM386工作电压4V;SPY0030最大输出功率700mW,LM386输出功率100mW)。
SPCE061A芯片中已经集成了音频输入专用ADC以及AGC放大电路,因此芯片外部的电路比较简单,图3-7是61板的音频输入电路模块。
图3-7音频输入模块
3.2.5ICE接口电路
SPCE061A芯片内部集成了ICE(在线仿真)接口,PC机通过Probe(在线调试器)或EZ_Probe(简易下载线)与61板相连,就可以方便地完成程序的下载、调试等。
61板为Probe和EZ_Probe各自提供了一组接口,可通过S5跳线来选择使用的接口类型。
ICE接口部分电路如图3-8所示。
图3-8ICE接口电路
3.3凌阳音频编码介绍
SPCE061A内置了专用的MIC输入通道和音频输出DAC,并具有较高的处理速度,因此非常适合对音频信号的处理,如语音播放、语音录制等。
由于未经处理的音频资源数据量很大,对于单片机来说,数据的存储和传输都比较困难,这使得音频压缩编码成为音频处理的重要环节。
为方便用户将SPCE061A应用于语音产品,凌阳公司提供了多种音频编解码算法及其API函数库,即SACM-LIB(文件名为SACMV26e.lib,26e为版本号)。
该函数库将A/D、编码、解码、存储及D/A做成相应的模块,每个模块都有其应用程序接口API,用户只需了解每个模块所实现的功能及其参数的内容即可。
SACM-LIB库中包含的常用音频编解码算法如表3-3所示。
表3-3常用音频编解码算法
模块名称
语音压缩编码率类型
特点
SACM_A2000
16Kbit/s,20Kbit/s,24Kbit/s
高质量,高码率,适用于高保真音乐和语音
SACM_S480
4.8Kbit/s,7.2Kbit/s
压缩比大,计算量大,音质不高
SACM_DVR
16Kbit/s
采用A2000编码,用于录音
3.3.1SACM_S480介绍
SACM_S480压缩算法的压缩比较大,音质没有SACM_A2000好,适用于对音质要求不是很高的语音播放场合,但完全满足本系统的设计。
常用的SACM_AS480库函数如表3-4。
表3-4SACM_S480常用库函数
函数名称
功能
参数
返回值
SACM_S480_Initial
语音播放初始化。
Init_Index:
0-手动方式,1-自动方式
1:
初始化失败
0:
初始化成功
SACM_S480_ServiceLoop
从资源中获取语音资料,填入解码队列中,并进行解码等操作。
无
无
SACM_S480_Play
开始播放
Speech_Index:
语音索引号
Channel:
1-通过DAC1播放,2-通过DAC2播放,3-通过DAC1和DAC2同时播放
Ramp_Set:
0-禁止淡入淡出效果,1-声音淡入,2-声音淡出,3-声音淡入淡出
无
SACM_S480_Stop
停止播放语音
无
无
SACM_S480_Pause
暂停播放语音
无
无
SACM_S480_Resume
恢复暂停播放的语音
无
无
SACM_S480_Volume
设置播放音量
Volume_Index:
音量大小,范围为0-15
无
SACM_S480_InitDecode
初始化译码队列
Channel:
1-通过DAC1播放,2-通过DAC2播放,3-通过DAC1和DAC2同时播放
无
SACM_S480_TestQueue
获取语音队列的状态
无
0:
语音队列不空不满
1:
语音队列满
2:
语音队列空
F_FIQ_Service_SACM_S480
中断服务子程序,将解码后的语音资料送入DAC通道播放
无
无
3.3.2录音、放音流程
SACM_DVR录音程序流程如图3-9所示。
在程序初始化之后,不断将采集到的语音数据进行压缩编码,然后存储在特定的存储空间中。
而语音数据采集是通过中断服务程序实现的,
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