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)注的問題[1],。彈子鎖是一種最常見的鎖具結(jié)構(gòu)，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(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,。本文提出了一種無線報(bào)警自鎖鎖,，該鎖由蜂鳴器報(bào)警電路、無線報(bào)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(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],。可見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別功能,，同時(shí)還具有蜂鳴器報(bào)警,、無線報(bào)警和自鎖功能。
2 無線報(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的識別電路。

2.3 電路設(shè)計(jì)
    電路板2可實(shí)現(xiàn)蜂鳴器報(bào)警,、無線報(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 無線報(bào)警功能實(shí)現(xiàn)電路的設(shè)計(jì)
      無線報(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。

      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,，無線射頻發(fā)射模塊F05V不發(fā)射無線電波,。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，無線射頻發(fā)射模塊F05V開始發(fā)射無線電波,，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)楦唠娖剑鳸13的LE端經(jīng)過一段延時(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)楦唠娖剑瑒t輸出端U6Y2變?yōu)榈碗娖?，無線射頻發(fā)射模塊F05V停止發(fā)射無線電波,，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 無線報(bào)警接收器電路的設(shè)計(jì)
    無線報(bào)警接收器的電路圖如圖7所示,。射頻接收模塊J05V用于接收無線電波。當(dāng)射頻接收模塊J05V通過無線接收天線收到射頻發(fā)射模塊F05V的無線電波,，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軟件對無線報(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?，根?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：
    T=-R×C×ln((E-V)/E)(1)
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，無線射頻發(fā)射模塊F05V發(fā)射無線電波,，無線報(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,、無線報(bào)警和自鎖功能的電路,，使其不但具有鑰匙識別功能，同時(shí)還具有蜂鳴器報(bào)警,、無線報(bào)警和自鎖功能,，從而提高了鎖的可靠性。
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