基于单片机的智能语音密码门锁

目录

摘要.......................................................................................................................................... II Abstract ................................................................................................................................... III 第1章引言.. (1)

1.1密码锁的发展 (1)

1.2系统的制作意义 (2)

1.3本文涉及的内容 (2)

第2章．系统方案设计 (3)

2.1．方案一 (3)

2.2．系统的最终方案 (4)

2.3所用主要器件介绍 (5)

2.4 超声波探头MA40S20R/S (7)

第3章．系统硬件部分原理介绍 (9)

3.1电源部分 (9)

3.2单片机最小系统 (9)

3.3键盘部分 (10)

3.4超声波探测发射部分 (11)

3.5超声波接收放大部分 (12)

3.6语音接收处理部分................................. 错误！未定义书签。

3.7语音输出部分..................................... 错误！未定义书签。

3.8显示电路 (13)

第4章．系统软件部分设计实现 (15)

4.1、软件设计操作平台简介 (15)

4.2PC端调试工具 (15)

4.3程序功能实现简介 (16)

第5章．系统调试 (24)

5.1系统调试 (24)

5.2放大电路的仿真 (25)

总结 (26)

参考文献 (27)

附录..................................................................................................... 错误！未定义书签。附录1 . (28)

附录2 (29)

摘要

本文介绍了一种以凌阳十六位单片机作为核心的语音密码锁系统。本文利用凌阳单片机其强大的语音识别功能，实现了语音控制门禁系统，以及密码限制功能；利用单片机的语音回放功能，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。系统使用12864液晶显示器进行使用操作提示。本系统能完成开锁、超次报警锁定、修改用户密码基本的密码锁的功能；除上述基本的密码锁功能外，还具有语音（密码）识别、语音提示功能，而且，普通密码和语音密码信息都不受掉电情况的影响。还利用了超声波传感器等，实现自动判断有无人出入，将整个系统的自动化提高。此套智能语音密码门锁力求完成一个良好的人机界面。

关键词密码门锁、语音识别、凌阳十六位单片

Abstract

This article introduced to the bullying of the sixteen a monolithic integrated circuits as a core of the system. this combination lock lingyang monolithic integrated circuits of the powerful voice recognition, not only the voice plays, done for and has achieved a voice to control access control system, and password functionality ；restrictions on its own built-in flash flash to the protection of electricity. sixteen - 2 lcd display options for the operation is clear. System to complete the lock, the time the user password attempts, to amend the basic function of l eaf ；in addition to the basic function, l eaf a voice （password ）identify, for the common feature, and password, and password information are not for the situation. the use of ultrasonic sensors the sensor and so on, carry out energy and purpose of the entire system. this set of personalized improve the code aims to complete the lock for a good interface. the man-machine

Key word The password door lock the speech recognition insults the positive 16 monolithic integrated circuits

第1章引言

1.1密码锁的发展

密码锁的发展大概分为以下几个发展阶段

1.机械密码锁

这是一种没有电子器件的大密钥量高可靠的全机械密码锁。它的操作方式独特，类似老电话机的拨号――从拨盘的起点开始，顺时针转动拨盘到某一位数码，然后退回到起点，就输入了一位密码。如此重复直到输入了最后一位密码，再从起点逆时针转动拨盘就可以开锁。这类密码锁操作繁琐，锁型较大。此类密码锁在现代应用不多。

2.电子密码锁

电子密码锁是一种通过密码输入来控制电路或是芯片工作，从而控制机械开关的闭合，完成开锁、闭锁任务的电子产品。它的种类很多，有简易的电路产品，也有基于芯片的性价比较高的产品。现在应用较广的电子密码锁是以芯片为核心，通过编程来实现的。其性能和安全性已大大超过了机械锁。

在电子飞速发展的今天，电子密码锁的发展朝着更为自动化人性化的方向发展。尤其是凌阳语音类单片机的出现，使密码锁的开发和发展到了一个自动化人性化的新高峰。所以运用凌阳单片机的自带语音识别功能开发语音密码锁成为了必然。

3.语音识别发展

70年代，语音识别领域取得了突破。在理论上，LP技术得到进一步发展，动态时间归正技术（DTW）基本成熟，特别是提出了矢量量化（VQ）和隐马尔可夫模型（HMM）理论。在实践上，实现了基于线性预测倒谱和DTW技术的特定人孤立语音识别系统。

80年代，语音识别研究进一步走向深入，其显着特征是HMM模型和人工神经元网络（ANN）在语音识别中的成功应用。HMM模型的广泛应用应归功于AT＆T Bell实验室Rabiner等科学家的努力，他们把原本艰涩的HMM纯数学模型工程化，从而为更多研究者了解和认识。ANN和HMM模型建立的语音识别系统，性能相当。

进入90年代，随着多媒体时代的来临，迫切要求语音识别系统从实验室走向实用。许多发达国家如美国、日本、韩国以及IBM、Apple、AT＆T、NTT等着名公司都为语

音识别系统的实用化开发研究投以巨资。

运用凌阳单片机的语音识别功能开发语音密码锁，此类密码锁不仅有机械密码锁的所有功能，而且使密码锁的自动化，和密码准确度大大提高。

1.2系统的制作意义

现在人们生活水平提高了，安全防范，是人们考虑的首要问题。而锁是解决安全问题的重要产品。目前市场上的电子锁产品功能不全，性能和安全性不高，且造价高。低质量的电子锁，给用户的财产安全造成很大威胁，同时，由于功能的不健全，给用户的使用带来了一定麻烦。故我们试图研制一种智能化、多功能、更人性化的门禁系统。

我们研制的带语音识别功能电子控制密码锁目的是不仅能给用户带来了安全的保障，方便的享受，还体现了人性化的一面，此种类型的电子密码锁将成为未来社会的供求亮点

1.3本文涉及的内容

功能介绍：

1.通过超声波传感器自动检测有无人的出入,当检测到人进入时，显示器背光自

动打开，并有“欢迎主人回家”的语音提示。

2.当键盘设置为使用键盘密码功能，并伴随语音提示，“请输入密码”提示音。

密码错误3次就发出警报。密码正确开门。

3.当通过键盘设置为语音密码功能时，语音提示

指标：超声波检测范围为2米

语音匹配率70%

系统反应时间为200ms

第2章．系统方案设计

2.1．方案一

在初期设计电路时，我计划采取51单片机作为我们的控制核心，然而，语音识别功能、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。其功能实现原理方框图如图1：

图1 方案一原理框图

使用51MCU系统的不足之处在于：

1、设置密码，断电不保护；

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，在技术方面上，系统的自身稳定性、可靠性都不高。在经济方面，系统的开发周期较长，开发成本较高。鉴于此，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），而且集成了语音识别模块，从根本上，凌阳单片机满足了系统的基本要求，具体功能实现以及电路设计在以下详细介绍。

2.2．系统的最终方案

此系统现阶段包括以下几个模块如图2 ：

当超声波传感器检测到有人的出现的时候液晶显示背光，由键盘部分的初始设置可以使用语音和键盘密码功能。当设置为语音功能进入时，就由语音输出模块和显示模块提示用户，输入语音密码信号。根据不同情况执行报警机构活语音提示部分。当设置为密码功能进入时，执行语音输出模块，提示主人输入密码，密码输入到单片机根据具体情况执行报警或者语音输出部分电路。

系统复位后，进入键盘操作进行设置。

1）、键盘输入密码

此系统采用4*4按键输入模式，密码初始设置为4位，（从软件上很容易实现更多位数的密码操作，为操作演示计，我们采用4位）。

2）、语音控制输入

进入语音控制功能后，先进行语音控制训练操作（训练过后此操作可跳过），训练成功后，方可进行语音控制，并且时时可以关闭语音功能。

此外，语音口令还可以时时修改，再次进行语音控制训练操作即可。

3）、密码修改操作

此系统的密码设置存在Flash中，断电不丢失，密码修改后，系统原密码作废，新的密码生效，并存入Flash中。

4）、语音提示操作

对应于每一种操作，系统均给予一定的语音提示。如：“请输入密码”、“密码错误”等。

5）、液晶显示功能

对应于每一种操作，系统均给予一定的显示提示，方便操作。

6）、液晶背光功能实现

为了实现液晶背光功能，我们设计了一下两种电路：超声波探测电路、按键电路，有按键或探测到有人接近时背光显示。

7）、系统执行机构

系统执行机构我单片机I/O口输出控制的继电器等机械开关开门。

2.3所用主要器件介绍

2.3.1 SPCE061A介绍

SPCE061A 是继μ’nSP?系列产品SPCE500A等之后凌阳科技推出的又一款16位结构的微控制器。与SPCE500A不同的是，在存储器资源方面考虑到用户的较少资源的需求以及便于程序调试等功能，SPCE061A里只内嵌32K字的闪存（FLASH）。较高的处理速度使μ’nSP?能够非常容易地、快速地处理复杂的数字信号。因此，与SPCE500A 相比，以μ’nSP?为核心的SPCE061A微控制器是适用于数字语音识别应用领域产品的一种最经济的选择。

1.性能

16位μ’nSP?微处理器；

工作电压(CPU) VDD为2.4~3.6V (I/O) VDDH为2.4~5.5V

CPU时钟：0.32MHz~49.152MHz ；

内置2K字SRAM；

内置32K FLASH；

可编程音频处理；

晶体振荡器;

系统处于备用状态下(时钟处于停止状态)，耗电仅为2μA@3.6V；

2个16位可编程定时器/计数器(可自动预置初始计数值)；

2个10位DAC(数-模转换)输出通道；

32位通用可编程输入/输出端口；

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；

具备触键唤醒的功能；

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；

锁相环PLL振荡器提供系统时钟信号；

32768Hz实时时钟；

7通道10位电压模-数转换器(ADC)和单通道声音模-数转换器；

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；

具备串行设备接口；

具有低电压复位(LVR)功能和低电压监测(LVD)功能；

内置在线仿真电路ICE（In- Circuit Emulator）接口；

具有保密能力；

具有WatchDog功能。

2. 结构概览

SPCE061A的结构如图3所示：

图3 SPCE061A的结构图

3. SPCE061A最小系统

最小系统接线如图4所示，在OSC0、OSC1端接上晶振及谐振电容，在锁相环压控振荡器的阻容输入VCP端接上相应的电容电阻后即可工作。其它不用的电源端和地端接上0.1μF的去藕电容提高抗干扰能力。

图4 单片机最小系统

2.4 超声波探头MA40S20R/S

MA40S20R/S为压电性超声波发生器和接收器。

总体上讲，超声波传感器可以分为两类：一类是利用电气方式产生超声波，另一类是利用机械方式产生超声波。其中，电气方式又包括压电型、磁致伸缩型

和压电型。其中压电型是使用最广泛的。

图5 传感器结构图

压电超声波转换器的功能：利用压电晶体谐振工作。内部结构上图所示，它有两个压电晶片和一个共振板。当它的两极外加脉冲信号，其频率等于压电晶片的固有振荡频率时，压电晶片将会发生共振，并带动共振板振动产生超声波，这时它就是一超声波发生器;如没加电压，当共振板接受到超声波时，将压迫压电振荡器作振动，将机械能转换为电信号，这时它就成为超声波接受转换器。超声波发射转换器与接受转换器其结构稍有不同。

本设计是用的是MA40S20R/S超声波传感器，其中MA40S20S为超声波发送器，MA40S20R 为与之配套的超声波接收器。其特性如下表1:

表1 MA40S20R/S性能表

第3章．系统硬件部分原理介绍

此系统硬件部分电路核心部分为凌阳单片机及其外围电路（包括语音识别、输出电路），外围电路有：键盘输入、液晶显示、执行机构电路，此外，为了实现液晶显示器的背光功能，我们采用了超声波探测电路、光敏传感电路、输出延时电路等。

为了详细介绍我们的电路功能模块，我们将在下面分块介绍本系统的各个功能模块：

1、电源部分

2、凌阳十六位单片机控制电路

3、键盘输入部分

4、语音输入及输出部分

5、信号放大电路

6、显示功能控制模块

3.1电源部分

由于本系用的是凌阳61A单片机以及555定时计数器及相关器件只需要正5伏电压的电源，我采用了一下电源设计如图6。

图6 电源电路

3.2单片机最小系统

凌阳单片机最小系统主要包括一下几个部分：晶振电路、复位电路、抗干扰电路等。

1.单片机时钟频率为50MHz。

2.外部晶振频率为32MHz，指令周期为0.64ms。

3.如图7IO口分配分别为IOAO-IOA7接键盘，IOA8口接超声波发射电路。IOB2接外部中断的超声波接收电路。IOB3-IOB7接显示器的数据端口DB0-DB7，IOB11-IOB13

分别接入显示器的控制引脚RST、R/W、E。IOB14和IOB15分别接入RET\和LED-A 端。

图7 凌阳单片机最小系统

3.3键盘部分

图8 键盘电路

如图8所示的4*4行列式键盘，其中的列与IOA0-IOA3口相连，行与IOA4-IOA7口相

连。

键盘采用扫描方式与单片机连接

各个按键功能的定义如下：

1、0~9数字健指定为密码设置健（仅且只有他们能够作为密码值）

2、A——确认健（按下此键，即比较输入密码值正确如否）

3、B——取消键（按下此键，即取消上一次操作）

4、C——开启语音功能键（按下此键，再次输入密码，就可以开启语音控制功能）

5、D——关闭语音功能键（按下次键，就可以关闭语音控制功能）

6、E——修改密码键（按下次键，再次输入密码，通过验证后，连续输入两次新

的密码就可以设置新的密码）

7、F——更改语音控制口令（按下次键，再次输入密码，通过验证后，即可进入

语音口令修改程序操作）

3.4超声波探测发射部分

图9 超声波发生电路

如图9中所示4脚接入单片机当单片机管脚为高电平时555开始工作。555工作后从Q端发出预定频率的脉冲波形。图中的R3是为了调节与MA40S20S的想匹配的频率40k Hz。使MA40S20S能正常工作。此时超声波传感器发出40KHz的超声波，当单片机IOA8口味低电平时555和MA40S20S都停止工作。

在此种链接电路方式中Q端输出频率的计算公式为：

f= 1.433/(R1+2R2)* C1

当调节R2的电阻到约为1.6千欧时，555的Q端输出频率为40KHz的信号，使MA40S20S正常工作。

3.5超声波接收放大部分

图10 超声波接收放大电路

由超声波传感器的性能知道，超声波接收端的信号较小，为接入单片机处理。需要通过放大，这里我们计划放大25倍。为了满足要求使用了OP27运放。这里的超声波接受信号为正弦信号峰峰在0.6mv左右。经放大后的信号也为正弦信号。

超声波接收端将超声波调制脉冲变为交变电压信号，经运算放大器AR1和AR2两极放大后加至LM567。LM567是带有锁定环的音频译码集成块，内部的压控振荡器的中心频率f0=1/1.1R8C3，电容C4决定其锁定带宽。调节R14使频率为40KHz，当LM567输入信号大于25mV，输出端8脚由高电平跃变为低电平，作为中断请求信号，送至单片机的IOB2口处理。当没有接收到信号时LM567输出端输出持续的高电平，单片机不响应中断请求。

3.6显示电路

图11 显示连接电路

如图12所示的显示连接电路，IOB3-IOB7接显示器的数据端口DB0-DB7，IOB11-IOB13分别接入显示器的控制引脚RST、R/W、E。IOB14和IOB15分别接入RET\和LED-A端。

8位并口写操作时序图

如图14所示RS为寄存器选择端，当RS为高时向显示器寄存器中写入数据。当RS 为低电平时向显示器寄存器中写入指令。此时读写端R/W端为低电平并且使能端E为高电平时才能将显示数据发送到数据端口。

图12 8位并口写操作时序图

8位并口读操作时序图

如图15所示的8位并口读操作时序图，图中的RS为寄存器选择端，当RS为高时向显示器寄存器中写入数据。当RS为低电平时向显示器寄存器中写入指令。此时读写段R/W端为高电平并且使能端E为高电平时才能将显示器寄存器中的数据通过数据口读取到单片机内。

图13 8位并口读操作时序图

第4章．系统软件部分设计实现

4.1、软件设计操作平台简介：（μ'nSP? IDE）

μ'nSP? IDE工作界面如下：

图14 软件工作界面

4.2PC端调试工具—— DMC(Digital Motor Control)

DMC是SPMC75系列单片机的一个辅助开发工具，包括运行在PC端的可视化平台和运行在SPMC75芯片上的DMC函数库。

DMC工具主要用于电机驱动产品开发时的系统控制和监视。工具中的所有返回参数都有绘图显示功能，用户可以直观的看到返回参数随时间的变化曲线，也可以将返回数据导出到Excel中做进一步的分析和处理。它主要也有两大方面的功能：——系统控制：由PC端控制电机启动、停止，设置电机控制参数（如转速、加速斜率、设置PID

参数等），另外还为用户提供8个自定义参数，以方便用户的功能扩展。

——系统监视：电机运行状态参数（如转速、干线电压等）直接显示在PC端的

控制窗口中，也

能以图形的形式显示在监视窗口中。

图15 DMC 软件图4.3程序功能实现简介

图16 程序功能实现框图

对操作子程序的解释：

键盘扫描子程序：

unsigned int get_key(void) //4*4扫描键盘函数{int i,j,key_lest,key_hang,key_lie,h;

int key_value=0; //定义键值

int b1[4]={1,2,3,4}; //函数返回值列表

int b2[4]={5,6,7,8};

int b3[4]={9,10,11,12};

int b4[4]={13,14,15,16};

*P_IOA_Dir=0x0f; //低4位为输出口高4位为输入口