鎖自誕生之日起就成為保護人們隱私和生命財產(chǎn)安全的重要工具之一。隨著科學技術的高速發(fā)展，鎖的可靠性逐漸成為人們?nèi)找骊P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(xiàn)開鎖[8]。可見普通鎖不能有效防撬和實現(xiàn)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(huán)口、鎖鉤、鐵心線圈等；在電路設計上，增設有實現(xiàn)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(wěn)壓器LM7805及U2“與非門”芯片74LS00，其輸出端U2Y1發(fā)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(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構成回路。
2.2 鑰匙的設計
    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(jīng)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。

2.3 電路設計
    電路板2可實現(xiàn)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(lián)自鎖功能實現(xiàn)電路；第2、3排彈珠關聯(lián)蜂鳴器報警功能實現(xiàn)電路；第4、5排彈珠關聯(lián)無線報警功能實現(xiàn)電路。
2.3.1 蜂鳴器報警自鎖功能實現(xiàn)電路的設計
    蜂鳴器報警自鎖功能實現(xiàn)電路原理圖如圖5所示。將鎖右側的第1排彈珠經(jīng)彈簧、導線連接至三極管基極Q1b，第2、3排彈珠經(jīng)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(xiàn)電路的工作狀態(tài)如表2及表3所示。

2.3.2 無線報警功能實現(xiàn)電路的設計
      無線報警功能實現(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，同時經(jīng)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(jīng)彈簧、導線分別連接至三極管基極Q6b、Q7b。

      在未插入鑰匙時，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，由于三極管發(fā)射極Q8e與自鎖功能實現(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，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?yōu)榈碗娖綍r，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?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)楦唠娖剑龢O管Q8導通，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，自鎖功能實現(xiàn)電路形成自鎖。
    在假鑰匙全部拔出鎖芯的過程中，當?shù)?齒段與第4排彈珠相分離時，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，鎖存器U13的D0端立即變?yōu)楦唠娖?，而U13的LE端經(jīng)過一段延時后由低電平變?yōu)楦唠娖?。根?jù)鎖存器的性質(zhì)，其輸出端Q0延時后由低電平變?yōu)楦唠娖?，則輸出端U6Y2變?yōu)榈碗娖剑瑹o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，自鎖功能實現(xiàn)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(fā)射模塊F05V的無線電波，U12數(shù)據(jù)管腳D0端和解碼有效確認輸出端VT輸出高電平，蜂鳴器LB2報警，發(fā)光二極管D4發(fā)光。

3 仿真
3.1 電路仿真
    利用Multisim軟件對無線報警功能實現(xiàn)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(tài)時，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，調(diào)節(jié)J3由高電平變?yōu)榈碗娖?，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(jīng)過一段延時后首先由高電平變?yōu)榈碗娖剑鳧0端電位在LE端變?yōu)榈碗娖揭欢螘r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：
    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(fā)射模塊F05V發(fā)射無線電波，無線報警指示發(fā)光二極管D3發(fā)光。
    為了有效提高鎖的可靠性，本設計在普通鎖的基礎上增設有實現(xiàn)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。
參考文獻
[1] 謝芳.一鎖當關，萬夫莫開[J].中國檢驗檢疫，2006(7)：63.
[2] 韓雪峰.一種雙層彈子鎖鎖芯：中國，200710144843.9[P].2008-05-28.
[3] 周章東.一種彈子鎖鎖頭及鑰匙：中國，200410046474.6[P].2005-02-23.
[4] 鄭黎陽.一種彈子鎖及其制造方法和配套鑰匙：中國，200410079009.2[P].2004-09-01.
[5] 杜勝勇.防撥彈子鎖芯：中國，200610081168.5[P].2006-11-29.
[6] 彭海泉.一種可變碼的防盜彈子鎖鎖頭：中國，200810123150.6[P].2008-11-19.
[7] 雷先鳴.一種防盜彈子鎖鎖頭及鑰匙：中國，99115581.5[P].2001-04-04.
[8] 劉建星.鎖匠必備開鎖大全[M].香港：星輝圖書有限公司，1993.
[9] 程勇.實例講解Multisim 10電路仿真[M].北京：電子工業(yè)出版社，2008.