简易型消防防盗两用智能锁的研制

金永镐，方思然

(延边大学 工学院，吉林 延吉133000)

简易型消防防盗两用智能锁的研制

金永镐，方思然

(延边大学 工学院，吉林 延吉133000)

针对现有的防火与防盗相结合的电控锁控制系统结构复杂、安装及维护不便、价格昂贵等问题，设计了一种防盗、消防两用的智能电控锁。该电控锁在采用现有机械方式电控锁头的基础上，利用一节9 V干电池以及Boost电路等，设计了自动开锁及报警电路，可在触发开关后自动开锁并报警，也可用钥匙打开。通过实际应用表明，该锁结构简单、操控容易、节能且成本低、无外部连线，可直接安装在安全门上，可广泛用在学校和医院等公共场所。

消防；防盗；智能锁；电控锁；Boost电路

消防及逃生门是发生火灾、地震等紧急情况时，第一时间的生命通道，关系到财产及生命安全的重要通道[1-2]。这种门要求平时管理人员可用钥匙进行锁门和开门操作[3]，而当紧急情况时发生时，要按下特殊的按钮(如：消防按钮或其他机械开关)，门上的电控锁自动打开门[4-5]。

而现有的火灾、防盗结合为一体的产品，其控制系统结构复杂、建筑布线多，安装及维护工作量大且价格昂贵[6-7]。不适合安装在规模较小的营业场所、学校的教室楼、实验楼、宿舍楼等地方[8]。

为解决上述问题，本文采用现有的机械方式电控锁头设计了一种简易型防盗、消防两用的智能锁，其特点是：

(1)利用一节9 V干电池工作，因此无外部布线，由于9 V干电池的自放电率很小[9]，所以其工作时间可达2年，大幅减小了维护工作量。使用蓄电池也可以工作，但蓄电池的自放电率较大，需要定期充电[10]，维护不方便；

(2)结构简单、成本低，无需布线可直接安装在门上，当发生紧急情况时时按下面板上的特殊按钮即可自动打开门；

(3)按下特殊按钮自动打开门后，进行声光报警，以便维护。特别是在非紧急情况时被强行开门后应及时更换特殊按钮等部件，以保证智能锁正常工作。

1 工作原理及整体框图

1.1 智能锁的设计及机械锁头的特性

设计的智能锁应满足以下要求：

(1)当发生紧急情况时，特殊按钮被按下后智能锁在1 s以内快速打开门，为确保操作正确，控制器连续发出3次吸合机械锁舌命令；

(2)为减少维护工作量、安装方便，使用9 V干电池，工作时间为2年；

(3)具有声光报警功能，报警声音可达90 dB以上，以通知维修人员对特殊按钮进行修复。

图1(a)为机械锁头的外观实物图，图1(b)为结构示意图。实测机械锁头的吸合线圈的电阻为3.1 Ω，临界吸合能量为0.14 J。为了获得较大的锁舌拉力，克服轻微的卡住现象，给吸合线圈提供的能量应具有50%的裕量，因此取0.21 J。

图1 电控锁实物图

1.2 智能锁的整体框图

智能锁控制器的整体框图如图2所示，主要由高效率Boost变换器、储能电容、电子开关、单片机、声光报警等部分组成。

图2 智能控制锁的基本原理框图

Boost电路是一种开关直流升压电路[11]，Boost 电路结构简单，只有一个开关管，克服了传统升压电源能耗大体积大的缺点，具有体积小结构简单变换效率高等优点[12]。可以将输入电压提升到合适的等级输出，Boost电路的工作过程可分为充电过程和放电过程。

当发生紧急情况，按下智能锁面板的消防按钮时，单片机启动Boost变换器进行升压后对储能电容充电，当充电电压达到额定值时单片机控制电子开关导通，给吸合线圈供电强力低拉回锁舌。同时单片机控制声音报警器发出断续的“滴、滴”声，面板上的LED闪亮。为节省电池能量，刚打开门时以0.5 s间隔急促报警1 min，1 min后以5 s间隔报警，直到修复好智能锁面板上的消防按钮为止。

2 智能锁的整体设计

2.1 获得最大负载功率的方案

锂离子蓄电池具有能量密度大、稳定性高等优点，但是其独立单体的电压和容量都较小，因此自放电率很高[13]；9 V干电池自放电率很低，但具有较大的内阻[14](实测约为30 Ω)。因此不能直接驱动吸合线圈，给电容充电后驱动则是可以的。但由于内阻的原因不能与负载阻抗匹配，因此不能实现高效充电，特别是充电到7 V以上时充电速度更缓慢，从而充电时间较长，无法满足1 s的充电时间要求。图3为电池与负载的示意图，输出电压Uo电取决于式(1),电流取决于式(2),负载获得的功率Po取决于式(3)。

图3 为电池与负载的示意图

UO=UE-iRO

(1)

i=UE/(RO+RL)

(2)

(3)

根据式(1)～式(3)可仿真出Po与RL、Po与i、Po与Uo之间的关系图，如图4所示。

图4 干电池RL与Po、i、Uo的关系图

设计时，在最大功率附近保证有约5 V的工作电压即可，因此取工作电流为0.12 A，此时电池输出电压为 5 V。

为了实现电池内阻与储能电容阻抗匹配，获得最大的充电功率，利用Boost变换器完成阻抗匹配和升压功能。

2.2 智能锁的整体电路

图5为整体工作电路图，L1、Q1、D1和U2组成Boost变换器。MK7A23P单片机有ADC和PWM发生器，内含RC振荡器、WDT及复位电路，具有较强的抗干扰能力，与其他系列单片机相比，省去很多的外围电路，结构简单且价格低廉，适于各种工业控制器[15]。因此本文利用MK7A23P的PWM驱动端输出占空比为D的高频波形驱动Q1，R1和R2为检测储能电容C0的充电电压的分压电阻，利用U2的ADC检测C0的电压。当发生紧急情况时消防按钮接通，Boost变换器开始工作C0被充电，C0的电压上升到规定值时PA0口为高电平，单片机U2的PA2口为低电平停止充电，PA1口输出高电平，电子开关Q2导通，电控锁吸合一次。重复3次后以断续方式控制Q3和Q4使蜂鸣器BZ1和LED工作达到报警的目的。

图5 整体工作电路图

2.3 高效率快速升压电路参数设计

为了获得0.21 J焦耳的能量，在1 s以内对1 000 μF的电容充电U=22 V。电容储存的能量为

(4)

因此满足要求。电池的工作电流取0.15 A左右，工作电流过大则输出电压<5 V，控制器无法正常工作。

图6为工作方式图，充电时Uo维持在约5 V，不充电时恢复到9 V供蜂鸣器和LED工作。

图6 工作方式图

变换器工作时，维持电池的工作电流I约为0.15 A，是获得最大输出功率的关键，而I取决于电感L1、周期T和占空比D。电感中电压UL=Ldi/dt，因此可知图5中电感的电流由式(5)决定

(5)

从图6中可知,平均工作电流I由式(6)决定

(6)

设L1=320 μH，Uo=5 V，周期T分别为30 μs、40 μs时，根据式(6)可仿真出如图7所示的I与D关系曲线。

图7 平均工作电流I与D的关系曲线

从图7中可知，平均工作电流I=0.15 A时，T=30 μs、D=0.8或T=40 μs、D=0.7，这里取T=30 μs、D=0.8，此时由式(5)可得峰值电流i=0.38 A。

根据峰值电流i和T可算出充电时间，每个周期电感中的WL=L1i2/2，变换器效率为η，则经过N次重复充电后应满足ηNWL≥WC的条件。N次充电的时间为TS=NT，则可得到

(7)

求得的Ts应满足Ts≤1 s (规定充电时间)，取η=85%，L1=320 μH、i=0.38 A、T=30 μs、Wc=0.24 J，可得Ts≈0.37 s，满足要求。

2.4 实验结果及分析

图8为实验测得的C0电压及线圈电流工作波形图，从图中可知，每当充电到设定电压后均释放一次能量，锁舌拉回一次，充电时间约为0.44 s。

图8 实测储能电容的U与磁线圈的I波形图

3 结束语

本文设计的简易型消防防盗两用智能锁，在紧急情况时，当开关被触发后，能够在低于1 s的时间内连续3次开锁，确保可靠地开门；用干电池作为电源，省去了复杂的建筑布线，易于维护；工作电流小，能使干电池电源在最大输出功率范围内工作，效率高；且整体结构简单，操作方便，工作性能稳定，宜用在规模较小的公共场所，具有良好的市场前景。

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Design of Simple Type Amphibious Smart Locks for Fire Control and Security

JIN Yonggao，FANG Siran

(School of Engineering, Yanbian University, Yanji 133000, China)

An anti-theft and fire prevention of intelligent electronic control lock is designed based on the existing mechanical electronic locks. A 9v dry cell and the Boost circuit are used in designing the lock and alarm circuit. Automatic locking and alarming is enabled on triggering the switch, where one can use keys to open. Practical use shows the lock has simple structure, easy control, small power consumption and low cost without external connection, and can be directly installed on the doors and widely used in public places such as schools and hospitals.

fire prevention; anti-theft; intelligent lock; electronic control lock; Boost circuit

2016- 06- 06

金永镐(1964-)，男，博士，教授。研究方向：智能开关技术及智能变换。方思然(1992-)，男，硕士研究生。研究方向：智能开关技术及智能变换。

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2017.05.032

TP273；TM571.2

A

1007-7820(2017)05-116-04