王大龍 ，張?jiān)苽?，曾為軍

（1.昆明理工大學(xué) 現(xiàn)代農(nóng)業(yè)工程學(xué)院，云南 昆明 650500；2.昆明理工大學(xué) 信息工程與自動(dòng)化學(xué)院，云南 昆明 650500）

鎖自誕生之日起就成為保護(hù)人們隱私和生命財(cái)產(chǎn)安全的重要工具之一。隨著科學(xué)技術(shù)的高速發(fā)展，鎖的可靠性逐漸成為人們?nèi)找骊P(guān)注的問(wèn)題[1]。彈子鎖是一種最常見(jiàn)的鎖具結(jié)構(gòu)，其防撬能力不足的弊端日漸明顯。針對(duì)這一問(wèn)題，常用的解決方案主要是對(duì)機(jī)械方面進(jìn)行改進(jìn)[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(wú)線報(bào)警自鎖鎖，該鎖由蜂鳴器報(bào)警電路、無(wú)線報(bào)警電路、自鎖電路和識(shí)別電路等組成，提高了鎖的可靠性。且其設(shè)計(jì)原理也同樣適用于其他類型的機(jī)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(jìn)行操作，實(shí)現(xiàn)開鎖[8]?？梢?jiàn)普通鎖不能有效防撬和實(shí)現(xiàn)報(bào)警。因此，為了提高鎖的可靠性，應(yīng)使其不但具有鑰匙識(shí)別功能，同時(shí)還具有蜂鳴器報(bào)警、無(wú)線報(bào)警和自鎖功能。

2 無(wú)線報(bào)警自鎖鎖設(shè)計(jì)

2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

自鎖鎖的結(jié)構(gòu)如圖1所示。在機(jī)械結(jié)構(gòu)上，增設(shè)有鎖鉤彈簧、鎖環(huán)口、鎖鉤、鐵心線圈等；在電路設(shè)計(jì)上，增設(shè)有實(shí)現(xiàn)蜂鳴器報(bào)警、無(wú)線報(bào)警和自鎖功能的電路；在電路板1中，設(shè)有U1三端集成穩(wěn)壓器LM7805及U2“與非門”芯片74LS00，其輸出端 U2Y1發(fā)出一個(gè)高電平沿導(dǎo)線傳送至鎖左側(cè)彈簧，從而使鎖左側(cè)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(cè)的第4排彈珠與鎖右側(cè)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(zhǎng)度的限制，左右兩側(cè)彈珠不相接觸。同時(shí)，為使鎖右側(cè)的上下彈珠形成可靠的電連接，故將鎖右側(cè)的上彈珠設(shè)計(jì)成T形結(jié)構(gòu)。鎖右側(cè)的5排彈珠通過(guò)彈簧、導(dǎo)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(guān)作用，使發(fā)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(shí)別電路，使電路板1和電路板2構(gòu)成回路。

2.2 鑰匙的設(shè)計(jì)

經(jīng)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(dǎo)電段。鑰匙結(jié)構(gòu)如圖2所示。

由于鎖左側(cè)的5排彈珠與輸出端U2Y1連接，所以始終為高電平。鎖右側(cè)的5排彈珠經(jīng)由彈簧、導(dǎo)線后分別與5個(gè)起開關(guān)作用的三極管基極相連。如圖3所示，插入鑰匙時(shí)，鑰匙的導(dǎo)電段能使鎖右側(cè)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(cè)的彈珠，然后再傳送至如圖4所示的電路板2的識(shí)別電路。

表1 識(shí)別電路的輸出真值表

2.3 電路設(shè)計(jì)

電路板2可實(shí)現(xiàn)蜂鳴器報(bào)警、無(wú)線報(bào)警和自鎖功能。鎖右側(cè)的第1排彈珠關(guān)聯(lián)自鎖功能實(shí)現(xiàn)電路；第2、3排彈珠關(guān)聯(lián)蜂鳴器報(bào)警功能實(shí)現(xiàn)電路；第4、5排彈珠關(guān)聯(lián)無(wú)線報(bào)警功能實(shí)現(xiàn)電路。

2.3.1 蜂鳴器報(bào)警自鎖功能實(shí)現(xiàn)電路的設(shè)計(jì)

蜂鳴器報(bào)警自鎖功能實(shí)現(xiàn)電路原理圖如圖5所示。將鎖右側(cè)的第1排彈珠經(jīng)彈簧、導(dǎo)線連接至三極管基極Q1b，第2、3排彈珠經(jīng)彈簧、導(dǎo)線分別連接至三極管基極Q4b、Q5b。利用三極管Q2的導(dǎo)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(dǎo)通與截止控制蜂鳴器LB1是否報(bào)警。

在使用真鑰匙及金屬假鑰匙開鎖時(shí)，蜂鳴器報(bào)警自鎖功能實(shí)現(xiàn)電路的工作狀態(tài)如表2及表3所示。

2.3.2 無(wú)線報(bào)警功能實(shí)現(xiàn)電路的設(shè)計(jì)

無(wú)線報(bào)警功能實(shí)現(xiàn)電路原理圖如圖6所示。在電路板1中，5 V電壓經(jīng)U9三端集成穩(wěn)壓器LM7132后降為3.2 V電壓，以提供給U7編碼芯片PT2262的三態(tài)地址端引腳端A0。三極管發(fā)射極Q4e連接至“與非門”U6的 A4、B4端，同時(shí)經(jīng)延時(shí)電路R22、C8后連接至鎖存器U13的LE端。此外，正常工作時(shí)延時(shí)電路的延時(shí)時(shí)間TR23、C9＞TR21、C7＞TR22、C8。 鎖右側(cè)的第4、5排彈珠經(jīng)彈簧、導(dǎo)線分別連接至三極管基極Q6b、Q7b。

表2 自鎖功能實(shí)現(xiàn)電路狀態(tài)表（Q1）

表3 蜂鳴器報(bào)警功能實(shí)現(xiàn)電路狀態(tài)表（Q4、Q5）

在未插入鑰匙時(shí)，三極管發(fā)射極 Q4e、Q6e、Q7e的電位為010，則輸出端U5Y4為高電平并分別經(jīng)延時(shí)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(wú)線射頻發(fā)射模塊F05V不發(fā)射無(wú)線電波。同時(shí)，由于三極管發(fā)射極Q8e與自鎖功能實(shí)現(xiàn)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(dāng)使用齒形相同但未經(jīng)特殊處理的非金屬假鑰匙或撬鎖工具試圖開鎖時(shí)，在假鑰匙插入鎖芯前，三極管發(fā)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(guò)程中，由于發(fā)射極Q4e一直為低電平，輸出端U6Y4一直為高電平，因此延時(shí)電路R22、C8正常工作，而延時(shí)電路 R21、C7不能正常工作；當(dāng)輸出端U5Y4由高電平變?yōu)榈碗娖綍r(shí)，由于受延時(shí)電路R22、C8作用，U13的 LE端延時(shí)一段時(shí)間后由高電平變?yōu)榈碗娖?，根?jù)鎖存器的性質(zhì)，輸出端U13Q0為低電平，則輸出端U6Y2變?yōu)楦唠娖?，三極管Q8導(dǎo)通，無(wú)線射頻發(fā)射模塊F05V開始發(fā)射無(wú)線電波，發(fā)光二極管D3發(fā)光，同時(shí)，自鎖功能實(shí)現(xiàn)電路形成自鎖。

在假鑰匙全部拔出鎖芯的過(guò)程中，當(dāng)?shù)?齒段與第4排彈珠相分離時(shí)，發(fā)射極 Q4e、Q6e、Q7e電位由 000變?yōu)?10，輸出端U5Y4變?yōu)楦唠娖?。此時(shí)，鎖存器 U13的D0端立即變?yōu)楦唠娖?，而U13的LE端經(jīng)過(guò)一段延時(shí)后由低電平變?yōu)楦唠娖?。根?jù)鎖存器的性質(zhì)，其輸出端Q0延時(shí)后由低電平變?yōu)楦唠娖?，則輸出端U6Y2變?yōu)榈碗娖?，無(wú)線射頻發(fā)射模塊F05V停止發(fā)射無(wú)線電波，發(fā)光二極管D3停止發(fā)光，同時(shí)，自鎖功能實(shí)現(xiàn)電路解除自鎖。

2.3.3 無(wú)線報(bào)警接收器電路的設(shè)計(jì)

無(wú)線報(bào)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(wú)線電波。當(dāng)射頻接收模塊J05V通過(guò)無(wú)線接收天線收到射頻發(fā)射模塊F05V的無(wú)線電波，U12數(shù)據(jù)管腳D0端和解碼有效確認(rèn)輸出端VT輸出高電平，蜂鳴器LB2報(bào)警，發(fā)光二極管D4發(fā)光。

3 仿真

3.1 電路仿真

利用Multisim軟件對(duì)無(wú)線報(bào)警功能實(shí)現(xiàn)電路(如圖6所示)的延時(shí)電路部分進(jìn)行電路仿真[9]，以檢驗(yàn)其可行性。RC延時(shí)電路接線示意圖如圖8所示。

設(shè)初始狀態(tài)時(shí)，J1、J3為高電平，J2為低電平。調(diào)節(jié)J1、J2以控制U5的輸出由高電平變?yōu)榈碗娖?，同時(shí)，調(diào)節(jié)J3由高電平變?yōu)榈碗娖?，則延時(shí)電路R22、C8正常工作。 因?yàn)檠訒r(shí) 時(shí) 間 TR21、C7＞TR22、C8， 所 以 74HC573 鎖 存器U13的LE端經(jīng)過(guò)一段延時(shí)后首先由高電平變?yōu)榈碗娖?，而D0端電位在LE端變?yōu)榈碗娖揭欢螘r(shí)間后才由高電平變?yōu)榈碗娖剑鶕?jù)鎖存器的性質(zhì)，其輸出端Q0保持高電平。RC延時(shí)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(shí)間tSU約為13 ns～15 ns，鎖存器使能到輸入 D最小保持時(shí)間th約為5 ns。RC延時(shí)電路的延時(shí)時(shí)間公式為：

式中，E為輸入電壓，V為電容兩端充電要達(dá)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(jī)械仿真

利用Solidworks軟件對(duì)本設(shè)計(jì)進(jìn)行了機(jī)械仿真，以檢驗(yàn)其可行性。仿真結(jié)果表明，利用真鑰匙開鎖時(shí)，可順利完成開鎖；利用金屬假鑰匙試圖開鎖時(shí)，形成自鎖，蜂鳴器LB1報(bào)警；利用非金屬假鑰匙試圖開鎖時(shí)，形成自鎖，無(wú)線射頻發(fā)射模塊F05V發(fā)射無(wú)線電波，無(wú)線報(bào)警指示發(fā)光二極管D3發(fā)光。

為了有效提高鎖的可靠性，本設(shè)計(jì)在普通鎖的基礎(chǔ)上增設(shè)有實(shí)現(xiàn)蜂鳴器報(bào)警、無(wú)線報(bào)警和自鎖功能的電路，使其不但具有鑰匙識(shí)別功能，同時(shí)還具有蜂鳴器報(bào)警、無(wú)線報(bào)警和自鎖功能，從而提高了鎖的可靠性。

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