一種無線報警自鎖鎖設計*

王大龍 ，張云偉 ，曾為軍

（1.昆明理工大學 現代農業工程學院，云南 昆明 650500；2.昆明理工大學 信息工程與自動化學院，云南 昆明 650500）

鎖自誕生之日起就成為保護人們隱私和生命財產安全的重要工具之一。隨著科學技術的高速發展，鎖的可靠性逐漸成為人們日益關注的問題[1]。彈子鎖是一種最常見的鎖具結構，其防撬能力不足的弊端日漸明顯。針對這一問題，常用的解決方案主要是對機械方面進行改進[2-7]，但這仍不足以很好地提高鎖的可靠性。本文提出了一種無線報警自鎖鎖，該鎖由蜂鳴器報警電路、無線報警電路、自鎖電路和識別電路等組成，提高了鎖的可靠性。且其設計原理也同樣適用于其他類型的機械鎖。

1 普通彈子鎖的防撬特性分析

雖然撬鎖工具多種多樣，但共同之處都是將工具插入鎖芯，利用撬棍和扭力扳手等工具進行操作，實現開鎖[8]?？梢娖胀ㄦi不能有效防撬和實現報警。因此，為了提高鎖的可靠性，應使其不但具有鑰匙識別功能，同時還具有蜂鳴器報警、無線報警和自鎖功能。

2 無線報警自鎖鎖設計

2.1 結構設計

自鎖鎖的結構如圖1所示。在機械結構上，增設有鎖鉤彈簧、鎖環口、鎖鉤、鐵心線圈等；在電路設計上，增設有實現蜂鳴器報警、無線報警和自鎖功能的電路；在電路板1中，設有U1三端集成穩壓器LM7805及U2“與非門”芯片74LS00，其輸出端 U2Y1發出一個高電平沿導線傳送至鎖左側彈簧，從而使鎖左側彈珠始終為高電平（所有彈珠均為金屬材料），如圖1(a)所示。

插入鑰匙前（如圖 1(b)所示），在彈簧的作用下，鎖左側的第4排彈珠與鎖右側的第4排彈珠相接觸，形成可靠的電連接，而其余4排彈珠由于受T形彈珠槽長度的限制，左右兩側彈珠不相接觸。同時，為使鎖右側的上下彈珠形成可靠的電連接，故將鎖右側的上彈珠設計成T形結構。鎖右側的5排彈珠通過彈簧、導線自上而下依次連接至電路板 2的三極管基極 Q1b、Q4b、Q5b、Q6b、Q7b。由于三極管的開關作用，使發射極 Q1e、Q4e、Q5e、Q6e、Q7e電位為00010。然后將電位信息傳送至電路板2的識別電路，使電路板1和電路板2構成回路。

2.2 鑰匙的設計

經特殊處理后，鑰匙的第1、3、5齒段為絕緣段，第2、4齒段為導電段。鑰匙結構如圖2所示。

由于鎖左側的5排彈珠與輸出端U2Y1連接，所以始終為高電平。鎖右側的5排彈珠經由彈簧、導線后分別與5個起開關作用的三極管基極相連。如圖3所示，插入鑰匙時，鑰匙的導電段能使鎖右側的彈珠得電，而絕緣段則不能。以此類推（如表1所示），鑰匙可將電位信息依次傳送給鎖右側的彈珠，然后再傳送至如圖4所示的電路板2的識別電路。

表1 識別電路的輸出真值表

2.3 電路設計

電路板2可實現蜂鳴器報警、無線報警和自鎖功能。鎖右側的第1排彈珠關聯自鎖功能實現電路；第2、3排彈珠關聯蜂鳴器報警功能實現電路；第4、5排彈珠關聯無線報警功能實現電路。

2.3.1 蜂鳴器報警自鎖功能實現電路的設計

蜂鳴器報警自鎖功能實現電路原理圖如圖5所示。將鎖右側的第1排彈珠經彈簧、導線連接至三極管基極Q1b，第2、3排彈珠經彈簧、導線分別連接至三極管基極Q4b、Q5b。利用三極管Q2的導通與截止控制繼電器RL1的通斷，從而決定鐵心線圈得電與失電,得電則形成自鎖。利用三極管Q3的導通與截止控制蜂鳴器LB1是否報警。

在使用真鑰匙及金屬假鑰匙開鎖時，蜂鳴器報警自鎖功能實現電路的工作狀態如表2及表3所示。

2.3.2 無線報警功能實現電路的設計

無線報警功能實現電路原理圖如圖6所示。在電路板1中，5 V電壓經U9三端集成穩壓器LM7132后降為3.2 V電壓，以提供給U7編碼芯片PT2262的三態地址端引腳端A0。三極管發射極Q4e連接至“與非門”U6的 A4、B4端，同時經延時電路R22、C8后連接至鎖存器U13的LE端。此外，正常工作時延時電路的延時時間TR23、C9＞TR21、C7＞TR22、C8。 鎖右側的第4、5排彈珠經彈簧、導線分別連接至三極管基極Q6b、Q7b。

表2 自鎖功能實現電路狀態表（Q1）

表3 蜂鳴器報警功能實現電路狀態表（Q4、Q5）

在未插入鑰匙時，三極管發射極 Q4e、Q6e、Q7e的電位為010，則輸出端U5Y4為高電平并分別經延時電路R21、C7和 R22、C8傳送至鎖存器 U13的 D0和 LE端。其輸出端Q0跟隨D0為高電平，使輸出端U6Y2為低電平，從而控制三極管Q8截止，無線射頻發射模塊F05V不發射無線電波。同時，由于三極管發射極Q8e與自鎖功能實現電路的三極管Q2b相連(如圖5所示)，故自鎖電路不形成自鎖。

當使用齒形相同但未經特殊處理的非金屬假鑰匙或撬鎖工具試圖開鎖時，在假鑰匙插入鎖芯前，三極管發射極 Q4e（即 LE）和 Q6e、Q7e電位為010，輸出端U5Y4為高電平；而在假鑰匙插入鎖芯過程中，由于發射極Q4e一直為低電平，輸出端U6Y4一直為高電平，因此延時電路R22、C8正常工作，而延時電路 R21、C7不能正常工作；當輸出端U5Y4由高電平變為低電平時，由于受延時電路R22、C8作用，U13的 LE端延時一段時間后由高電平變為低電平，根據鎖存器的性質，輸出端U13Q0為低電平，則輸出端U6Y2變為高電平，三極管Q8導通，無線射頻發射模塊F05V開始發射無線電波，發光二極管D3發光，同時，自鎖功能實現電路形成自鎖。

在假鑰匙全部拔出鎖芯的過程中，當第1齒段與第4排彈珠相分離時，發射極 Q4e、Q6e、Q7e電位由 000變為010，輸出端U5Y4變為高電平。此時，鎖存器 U13的D0端立即變為高電平，而U13的LE端經過一段延時后由低電平變為高電平。根據鎖存器的性質，其輸出端Q0延時后由低電平變為高電平，則輸出端U6Y2變為低電平，無線射頻發射模塊F05V停止發射無線電波，發光二極管D3停止發光，同時，自鎖功能實現電路解除自鎖。

2.3.3 無線報警接收器電路的設計

無線報警接收器的電路圖如圖7所示。射頻接收模塊J05V用于接收無線電波。當射頻接收模塊J05V通過無線接收天線收到射頻發射模塊F05V的無線電波，U12數據管腳D0端和解碼有效確認輸出端VT輸出高電平，蜂鳴器LB2報警，發光二極管D4發光。

3 仿真

3.1 電路仿真

利用Multisim軟件對無線報警功能實現電路(如圖6所示)的延時電路部分進行電路仿真[9]，以檢驗其可行性。RC延時電路接線示意圖如圖8所示。

設初始狀態時，J1、J3為高電平，J2為低電平。調節J1、J2以控制U5的輸出由高電平變為低電平，同時，調節J3由高電平變為低電平，則延時電路R22、C8正常工作。 因為延時 時 間 TR21、C7＞TR22、C8， 所 以 74HC573 鎖 存器U13的LE端經過一段延時后首先由高電平變為低電平，而D0端電位在LE端變為低電平一段時間后才由高電平變為低電平，根據鎖存器的性質，其輸出端Q0保持高電平。RC延時電路波形圖如圖9所示。

由于鎖存器74HC573的輸入D到鎖存使能最小建立時間tSU約為13 ns～15 ns，鎖存器使能到輸入 D最小保持時間th約為5 ns。RC延時電路的延時時間公式為：

式中，E為輸入電壓，V為電容兩端充電要達到的電壓。 由式(1)可得：TR21、C7≈2.3 μs，TR22、C8≈0.23 μs。 則：Tc=TR21、C7-TR22、C8=2.07 μs＞＞tSU＞＞th，故鎖存器可以正常工作。

3.2 機械仿真

利用Solidworks軟件對本設計進行了機械仿真，以檢驗其可行性。仿真結果表明，利用真鑰匙開鎖時，可順利完成開鎖；利用金屬假鑰匙試圖開鎖時，形成自鎖，蜂鳴器LB1報警；利用非金屬假鑰匙試圖開鎖時，形成自鎖，無線射頻發射模塊F05V發射無線電波，無線報警指示發光二極管D3發光。

為了有效提高鎖的可靠性，本設計在普通鎖的基礎上增設有實現蜂鳴器報警、無線報警和自鎖功能的電路，使其不但具有鑰匙識別功能，同時還具有蜂鳴器報警、無線報警和自鎖功能，從而提高了鎖的可靠性。

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