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基于Multisim仿真的电子锁电路设计

时间:2016-05-03来源: 作者: 点击: 173次


陈晔

(山西省机电设计研究院  太原  030009)

摘要:随着科学技术的发展,锁具的也由简单的机械锁向电子化发展,其可靠性及安全性得到尤其重视。文章分析了当前电子锁的一般结构及开发电子锁的设计要求,开发了能够密码可变及延时开锁的电子锁电路,提高了电子锁的安全性。适用于住宅及办公室等环境。

关键词:电子锁   电路设计   密码可变  Multisim

Circuit design of the electronic lock based on Multisim simulation

Chen  Ye

(Mechanical and electrical design and research institute of Shanxi Province,Taiyuan  030009  chaina)

Abstract: With the development of science and technology, lock also develops from simple mechanical lock to the electronic, the reliability and safety are especially importance. This paper analyzed the general structure of the electronic lock and the  design requirements of electronic lock , developed the circuit which can made the password variable and delay unlock . The circuit improve the security of the electronic lock.. Suitable for residential and office environment.

Key words: Electronic lock  Circuit design  Variable  password  Multisim

 


 


引言

锁具作为一种人们日常生活中必不可少工具,其安全性一直备受关注。传统的机械锁受其结构限制而使安全性得不到大幅度有效提高,被撬的事件屡见不鲜。而新兴的各种电子锁因其保密性强,使用灵活性好,安全系数高,受到广大用户的欢迎。现在市场上已经出现了各种各样的电子锁,有语音锁,指纹锁,电脑感应锁,录像报警锁等。这些锁具出现后,确实给了我们更高的安全感,但仍有不法分子通过技术开启,盗取财产。究其主要原因是大部分电子锁带有可以用机械方法开启的装置,如此的结果就是电子锁无法体现防技术开启的优点[1]。文章设计了新的电子锁电路,增强电子锁的安全性。

电子锁一般结构


图1  电子锁一般结构图

 电子锁一般由控制部分和执行部分两大功能部分组成。执行部分通常采用电磁铁或微型电动机拖动锁体,锁体分为锁舌式和锁扣盒式。其控制部分由输入、存储、编码、鉴别、抗干扰、驱动、显示和报警等单元组成[2]。其中,编码和鉴别电路是整个控制部分的核心。而电源则是电子锁控制部分和执行部分都必不可少的。编码的实质是人为设定一组n位二进制数或十进制数,设定原则为所编的密码尽量不易被识破。对编码电路的要求是:容量大,换码率高;‚保密性及可靠性好;ƒ换码操作容易,便于日常管理。鉴别器的任务是对来自输入器和编码器的两组密码进行比较,当两组密码完全相同时,鉴别器输出电信号,经抗干扰处理后送至后级显示和驱动单元。鉴别器还可以输出报警、启动监视器等所需要的电信号。由于鉴别器送出的电信号通常很微弱,为能够带动执行机构发生动作,需设计驱动电路。

电子锁开发

2.1 设计要求

电子锁整体设计要求:安全可靠兼顾外形美观大方;工作性能稳定兼顾耗电量低、使用方便;工艺性能良好兼顾成本低;安装和维修方便。

电子锁控制电路的设计要求:①密码条目足够多且保密程度高,国标要求其密码数目大于106。②电路简单,所用的元器件品种少、成本低、体积小、货源充足。③耗电量小、功能容易扩展,调试方便[3]

电子锁执行机构的设计要求:锁体和锁舌要有一定的机械强度、光洁度和耐磨性。锁具表面需作抛光处理。要求弹簧的弹性呈线性,具有最小的弹性迟滞,最小的残余变形,并有准确的几何尺寸和形状尺寸。电磁铁(或微型电机)的选择要与电源电压相匹配。若选用市电交流电磁铁,必须接地。

2.2   关键问题

可靠性:电子锁是用于防护和安全系统的电子产品,其可靠性依赖于电子元器件的发展和制造工艺的成熟度。为提高电子锁的稳定性,通常采用如下方法加以解决。1.在电子锁的执行机构中加装暗开关,以便能单独控制锁体;2.在执行机构中采用主电动机和备用电动机;3.在控制电路中加装紧急接口。

电源:目前采用的简单不间断电源是将电池和经交流电网电压得到的直流电压分别串联隔离二极管后相并接。同时优化电子锁的控制电路,减轻电磁铁(或微电机)负载,降低整机功耗。

价格:成本较高是电子锁推广的一个障碍。但是电子锁具有较高的附加值,为了尽快占领市场,提高电子锁的性价比成为当务之急。

2.3 硬件选择

电子锁所需电动机要求体积小、效率高、启动力矩大,是微型直流电动机。其结构和原理与普通直流电动机相同。选定电动机型号为EG-530AD-6B,该电机工作电压6V,转速2400/分,方向CCW(反时针)。

电子锁锁体、锁舌与普通弹子锁的结构、材料没有特别要求,故这些元件可直接用改造的普通弹子锁的即可。

电路设计

3.1  初步设计

3.1.1  实现密码可变的电路

该电路采用SRAM2114为静态随机存储器,具有密码可变、高保密性(1/220),制作简单不必调试等优点,电路如图2所示。

        图密码可变电路

SRAM2114为双排18脚存储器,内存为1KA0~A910根地址线;D0~D3为四根双向数据线,低电平时该芯片被选中;为读写控制端。低电平时为写状态,高电平时为读状态。

使用时分为两步:其一,给内存写入密码,接通S11,按照预设密码确定S1~S10开关状态,即选择了内存中的一个单元。然后打开S12~S15,把高电平写入该内存单元(不接时为高电平)。其二,断开,闭合S12~S15,打乱S1~S10。开锁时,按照锁定的密码按下S1~S10,如果正确,预置单元被选中。由于此时片子在读状态,高电平便通过数据线D0~D3输出,通过与非门输出低电平,便有电流通过螺线管,从而把锁打开。

改变密码时,只需要把电源断开,之前所设置的密码便会消失,接通电源,重新设置密码。

此电路使用了SRAM2114静态随机存储器,实现了密码的随意变换。但该电路要求键盘按钮是不可自动回复的按钮,即按钮存在两种状态——弹起和按下。开锁时会在键盘上留下痕迹(密码数字与非密码数字状态不同),减少了其密码可变所带来的安全性。

3.1.2  按键弹复电路

采用触发器,解决上述的按键问题,即该电路可实现按键自动回复。

由四片CD4043组成,CD4043是一片RS触发器。其置位端S比复位端R有优先权。在EN=1的情况下,只要S=1,不管R怎样变化,输出Q必为0。这样,如果把前一级的Q接至后一级的S,则形成一个链结构。如图,只有依次按下S1S4时,Q4输出低电平,继电器才吸合。S5S7是锁定键,按其任意一个,整个触发器Q端便都输出为1

图3 简易电子锁电路图

3.1.3  RS触发器电路设计

由于在Multisim 10.0中没有现成的CD4043芯片,故首先需设计出置位端S比复位端R有优先权的RS触发器电路。S为置位端,R为复位端,EN为始能端,Q为输出端。

 

置位端具有优先权的RS触发器

3.2电动机控制电路

3.2.1 简单控制电路

控制电路结构图

Q为电子锁电路的输出端,K1是继电器,U29是电动机。

Q端得到低电平时,继电器线圈得电,动合开关闭合,电动机得电转动带动锁舌运动,门开锁。

3.2.2 实现延时2s开锁的电动机控制电路

为提高稳定性及安全性,对以上电路进行改进,加入计数器和继电器,实现延时2s开锁,如下图:

实现延时的电动机控制电路

Q端——电子锁密码电路的输出端

XFG1——脉冲信号发生器:产生频率50Hz,幅值10V的方波脉冲

XSC1——双通道示波器:显示电压变化

XSC2——双通道示波器:显示电压变化

74LS160D——十进制计数器:下降沿触发

EDR201A05——继电器:控制开关

KeyA——行程开关(动断)

U29——电动机

3.3  电路仿真

1、当Q端输入低电平后,电动机延时2s开始转动。

  图电路运行到920.273ms的状态

电动机开关还未闭合:

  8   920.273ms时电动机开关状态

2、延时1.9s时的状态:

9  1.9s时电路的状态

3、延时2s的状态:

    图10  2s时电路的状态

此时,可以直观的看到,与电动机串联的开关已经闭合,说明电动机开始工作。

从示波器XSC1XSC2中的都可以看到,74LS160D的输出端的电压已经从0V跳升为5V;从XSC2中可以看到电动机的正极电压也从0V跳升为6V

4、电路开始运行2.1s后:

11   2.1s后电路运行状态

从图11中可以直观的看到电路中的继电器开关1的开关已经断开(如图12所示),但是与电动机串联的开关还在闭合状态,说明控制电动机的电路具有自锁功能,虽然74LS160D的输出高电平只能维持0.2s,但是电动机不会在0.2s后自动断开,而是继续工作。

图12  继电开关1断开

5、行程开关断开后:

13  行程开关断开后电路状态

行程开关设置在锁舌回退的路线上,当锁舌退到可以开锁的位置时,门打开,此时,电动机断电,从而弹簧将锁舌退回原位。从图13中可以直观的看到,此时与电动机串联的开关已经断开,表示电动机失去电源,电动机停转。

3.4  整体电路

将上述电路整合,就成为了我们所需要的电路,如图14所示。

使用时,首先通过将密码线Q1Q4按自己想要的密码数字接好开关电路。

不论密码数字设计为多少,首先要按下S,其次依次按密码按下开关,此时电子锁延时2s开锁,开锁后,按下S,使其弹起。

小结

    基于当前静态密码锁安全可靠性较低的现状,分析了电子锁的基本结构,设计了新的电子电路。结果显示,该电路能够较好的实现密码电子锁的开关,同时具备密码可变及延时开锁的功能。该产品易开发且成本低,可广泛应用于住宅、办公室或者密码箱及档案柜等。

参考文献

[1] 王治理.电路连接的锁具研究[J].中国新技术新产品 ,2013 21(6 )10

[2] 徐丽霞,徐靖.基于 STC12C5A60S2单片机的智能家居电子锁设计[J ].攀枝花学院学报,2015247-50

[3] 顾光旭.智能密码电子锁设汁[J ].盐城工学院学报,2009 22 (1)4952

  


                          14  电子锁总电路图

 

陈晔(1987.02- 男,山西省晋中市,助理工程师,研究方向:机电一体化设计

 

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