一种无线报警自锁锁设计*

王大龙 ，张云伟 ，曾为军

（1.昆明理工大学 现代农业工程学院，云南 昆明 650500；2.昆明理工大学 信息工程与自动化学院，云南 昆明 650500）

锁自诞生之日起就成为保护人们隐私和生命财产安全的重要工具之一。随着科学技术的高速发展，锁的可靠性逐渐成为人们日益关注的问题[1]。弹子锁是一种最常见的锁具结构，其防撬能力不足的弊端日渐明显。针对这一问题，常用的解决方案主要是对机械方面进行改进[2-7]，但这仍不足以很好地提高锁的可靠性。本文提出了一种无线报警自锁锁，该锁由蜂鸣器报警电路、无线报警电路、自锁电路和识别电路等组成，提高了锁的可靠性。且其设计原理也同样适用于其他类型的机械锁。

1 普通弹子锁的防撬特性分析

虽然撬锁工具多种多样，但共同之处都是将工具插入锁芯，利用撬棍和扭力扳手等工具进行操作，实现开锁[8]。可见普通锁不能有效防撬和实现报警。因此，为了提高锁的可靠性，应使其不但具有钥匙识别功能，同时还具有蜂鸣器报警、无线报警和自锁功能。

2 无线报警自锁锁设计

2.1 结构设计

自锁锁的结构如图1所示。在机械结构上，增设有锁钩弹簧、锁环口、锁钩、铁心线圈等；在电路设计上，增设有实现蜂鸣器报警、无线报警和自锁功能的电路；在电路板1中，设有U1三端集成稳压器LM7805及U2“与非门”芯片74LS00，其输出端 U2Y1发出一个高电平沿导线传送至锁左侧弹簧，从而使锁左侧弹珠始终为高电平（所有弹珠均为金属材料），如图1(a)所示。

插入钥匙前（如图 1(b)所示），在弹簧的作用下，锁左侧的第4排弹珠与锁右侧的第4排弹珠相接触，形成可靠的电连接，而其余4排弹珠由于受T形弹珠槽长度的限制，左右两侧弹珠不相接触。同时，为使锁右侧的上下弹珠形成可靠的电连接，故将锁右侧的上弹珠设计成T形结构。锁右侧的5排弹珠通过弹簧、导线自上而下依次连接至电路板 2的三极管基极 Q1b、Q4b、Q5b、Q6b、Q7b。由于三极管的开关作用，使发射极 Q1e、Q4e、Q5e、Q6e、Q7e电位为00010。然后将电位信息传送至电路板2的识别电路，使电路板1和电路板2构成回路。

2.2 钥匙的设计

经特殊处理后，钥匙的第1、3、5齿段为绝缘段，第2、4齿段为导电段。钥匙结构如图2所示。

由于锁左侧的5排弹珠与输出端U2Y1连接，所以始终为高电平。锁右侧的5排弹珠经由弹簧、导线后分别与5个起开关作用的三极管基极相连。如图3所示，插入钥匙时，钥匙的导电段能使锁右侧的弹珠得电，而绝缘段则不能。以此类推（如表1所示），钥匙可将电位信息依次传送给锁右侧的弹珠，然后再传送至如图4所示的电路板2的识别电路。

表1 识别电路的输出真值表

2.3 电路设计

电路板2可实现蜂鸣器报警、无线报警和自锁功能。锁右侧的第1排弹珠关联自锁功能实现电路；第2、3排弹珠关联蜂鸣器报警功能实现电路；第4、5排弹珠关联无线报警功能实现电路。

2.3.1 蜂鸣器报警自锁功能实现电路的设计

蜂鸣器报警自锁功能实现电路原理图如图5所示。将锁右侧的第1排弹珠经弹簧、导线连接至三极管基极Q1b，第2、3排弹珠经弹簧、导线分别连接至三极管基极Q4b、Q5b。利用三极管Q2的导通与截止控制继电器RL1的通断，从而决定铁心线圈得电与失电,得电则形成自锁。利用三极管Q3的导通与截止控制蜂鸣器LB1是否报警。

在使用真钥匙及金属假钥匙开锁时，蜂鸣器报警自锁功能实现电路的工作状态如表2及表3所示。

2.3.2 无线报警功能实现电路的设计

无线报警功能实现电路原理图如图6所示。在电路板1中，5 V电压经U9三端集成稳压器LM7132后降为3.2 V电压，以提供给U7编码芯片PT2262的三态地址端引脚端A0。三极管发射极Q4e连接至“与非门”U6的 A4、B4端，同时经延时电路R22、C8后连接至锁存器U13的LE端。此外，正常工作时延时电路的延时时间TR23、C9＞TR21、C7＞TR22、C8。 锁右侧的第4、5排弹珠经弹簧、导线分别连接至三极管基极Q6b、Q7b。

表2 自锁功能实现电路状态表（Q1）

表3 蜂鸣器报警功能实现电路状态表（Q4、Q5）

在未插入钥匙时，三极管发射极 Q4e、Q6e、Q7e的电位为010，则输出端U5Y4为高电平并分别经延时电路R21、C7和 R22、C8传送至锁存器 U13的 D0和 LE端。其输出端Q0跟随D0为高电平，使输出端U6Y2为低电平，从而控制三极管Q8截止，无线射频发射模块F05V不发射无线电波。同时，由于三极管发射极Q8e与自锁功能实现电路的三极管Q2b相连(如图5所示)，故自锁电路不形成自锁。

当使用齿形相同但未经特殊处理的非金属假钥匙或撬锁工具试图开锁时，在假钥匙插入锁芯前，三极管发射极 Q4e（即 LE）和 Q6e、Q7e电位为010，输出端U5Y4为高电平；而在假钥匙插入锁芯过程中，由于发射极Q4e一直为低电平，输出端U6Y4一直为高电平，因此延时电路R22、C8正常工作，而延时电路 R21、C7不能正常工作；当输出端U5Y4由高电平变为低电平时，由于受延时电路R22、C8作用，U13的 LE端延时一段时间后由高电平变为低电平，根据锁存器的性质，输出端U13Q0为低电平，则输出端U6Y2变为高电平，三极管Q8导通，无线射频发射模块F05V开始发射无线电波，发光二极管D3发光，同时，自锁功能实现电路形成自锁。

在假钥匙全部拔出锁芯的过程中，当第1齿段与第4排弹珠相分离时，发射极 Q4e、Q6e、Q7e电位由 000变为010，输出端U5Y4变为高电平。此时，锁存器 U13的D0端立即变为高电平，而U13的LE端经过一段延时后由低电平变为高电平。根据锁存器的性质，其输出端Q0延时后由低电平变为高电平，则输出端U6Y2变为低电平，无线射频发射模块F05V停止发射无线电波，发光二极管D3停止发光，同时，自锁功能实现电路解除自锁。

2.3.3 无线报警接收器电路的设计

无线报警接收器的电路图如图7所示。射频接收模块J05V用于接收无线电波。当射频接收模块J05V通过无线接收天线收到射频发射模块F05V的无线电波，U12数据管脚D0端和解码有效确认输出端VT输出高电平，蜂鸣器LB2报警，发光二极管D4发光。

3 仿真

3.1 电路仿真

利用Multisim软件对无线报警功能实现电路(如图6所示)的延时电路部分进行电路仿真[9]，以检验其可行性。RC延时电路接线示意图如图8所示。

设初始状态时，J1、J3为高电平，J2为低电平。调节J1、J2以控制U5的输出由高电平变为低电平，同时，调节J3由高电平变为低电平，则延时电路R22、C8正常工作。 因为延时 时 间 TR21、C7＞TR22、C8， 所 以 74HC573 锁 存器U13的LE端经过一段延时后首先由高电平变为低电平，而D0端电位在LE端变为低电平一段时间后才由高电平变为低电平，根据锁存器的性质，其输出端Q0保持高电平。RC延时电路波形图如图9所示。

由于锁存器74HC573的输入D到锁存使能最小建立时间tSU约为13 ns～15 ns，锁存器使能到输入 D最小保持时间th约为5 ns。RC延时电路的延时时间公式为：

式中，E为输入电压，V为电容两端充电要达到的电压。 由式(1)可得：TR21、C7≈2.3 μs，TR22、C8≈0.23 μs。 则：Tc=TR21、C7-TR22、C8=2.07 μs＞＞tSU＞＞th，故锁存器可以正常工作。

3.2 机械仿真

利用Solidworks软件对本设计进行了机械仿真，以检验其可行性。仿真结果表明，利用真钥匙开锁时，可顺利完成开锁；利用金属假钥匙试图开锁时，形成自锁，蜂鸣器LB1报警；利用非金属假钥匙试图开锁时，形成自锁，无线射频发射模块F05V发射无线电波，无线报警指示发光二极管D3发光。

为了有效提高锁的可靠性，本设计在普通锁的基础上增设有实现蜂鸣器报警、无线报警和自锁功能的电路，使其不但具有钥匙识别功能，同时还具有蜂鸣器报警、无线报警和自锁功能，从而提高了锁的可靠性。

[1]谢芳.一锁当关，万夫莫开[J].中国检验检疫，2006(7)：63.

[2]韩雪峰.一种双层弹子锁锁芯：中国，200710144843.9[P].2008-05-28.

[3]周章东.一种弹子锁锁头及钥匙：中国，200410046474.6[P].2005-02-23.

[4]郑黎阳.一种弹子锁及其制造方法和配套钥匙：中国，200410079009.2[P].2004-09-01.

[5]杜胜勇.防拨弹子锁芯：中国，200610081168.5[P].2006-11-29.

[6]彭海泉.一种可变码的防盗弹子锁锁头：中国，200810123150.6[P].2008-11-19.

[7]雷先鸣.一种防盗弹子锁锁头及钥匙：中国，99115581.5[P].2001-04-04.

[8]刘建星.锁匠必备开锁大全[M].香港：星辉图书有限公司，1993.

[9]程勇.实例讲解Multisim 10电路仿真[M].北京：电子工业出版社，2008.