基于一种数字密码锁报警系统的改进型电路分析与仿真

郭小芳，杨敏英 , 佘明辉

湄洲湾职业技术学院 自动化工程系， 福建 莆田 351119

摘要：文章主要对计数器在报警器上的应用原理进行了较详细地分析。在此基础上，通过对数字密码锁报警器电路进行了电路仿真，并对其进行了较详细地仿真分析。同时，对数字密码锁报警器电路进行改进并仿真分析。在Multisim 软件上对其仿真测试与理论分析的一致性。

关键词：数字密码锁；报警器系统；计数器 ；电路仿真

Based on a modified circuit analysis and simulation of digital combination lock alarm system

GUO Xiao-fang，YANG Min-ying, SHE Ming-hui

(Department of automation engineering , Meizhouwan Vocational College, Fujian Putian 351119)

Abstract: This paper mainly to the counter on the alarm application principles are analyzed in detail. On this basis, the digital code lock alarm circuit is simulated and analyzed in detail. At the same time, the digital code lock alarm circuit is improved and simulated. The consistency of simulation test and theoretical analysis on Multisim software.

Key words: Digital combination lock; Alarm system; Counter ;Circuit simulation

0 引 言

随着人们生活水平的提高，越来越多的居民楼房、学校等各企事业单位都安装了报警器。这种报警器由报警按钮和解除钥匙开关组成。当发生意外时，按动报警按钮，就可以向接警中心发出报警信号。报警后，只有用一把专用的钥匙才能解除报警信号^[1-3]。本系统采用数字密码锁代替解除钥匙开关，使用更加方便。它与普通的机械锁相比有一些独特的优势，保密性强，防盗性能好，可以不用钥匙，只要记住密码就可以开锁了，如果在相应的时间内按

错密码就会对此进行自动报警^[4-7]。

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1 数字密码锁报警系统及电路仿真

1.1系统

报警系统电路由报警触发电路、模拟报警器电路、数字密码解除开关电路组成；数字密码锁报警系统电路如图1所示。

图1 数字密码锁报警系统电路图

Fig.1 Digital code lock alarm system circuit diagram

报警系统电路有两种状态：待报警状态和报警状态。电路处于待报警状态时，计数器CD4017的第7 脚Q3的输出端设置为高电位，三极管9012不导通，模拟报警电路不工作，这时发光二极管LED1发出绿色光。电路处于安全状态，此时如果按动报警触发电路的报警按钮AN0，CD4017的第15 脚复位端被触发，计数器返回初始状态。此时计数器除了第3脚的Q0端保持高电位，其他各输出端均保持低电位。Q3输出低电位，三极管9012导通。蜂鸣器发声、发光二极管LED2发出黄色光。模拟发出报警信号。要解除报警状态，必须按动一组数字密码^[1]。在本系统电路中，顺序按动AN1、AN2、AN3、AN4后，CD4017计数器通过加1计数，其第7脚Q3输出高电位。控制模拟报警器电路停止工作，原来的报警状态就被解除了。

1.2电路仿真

数字密码锁报警器电路中十进制集成块选用CD4017BD(5V)，蜂鸣器用BUZZER（4.5V），按钮采用了AN0—AN9,LED均采用导通电压为0.8V；其它元器件及参数按照原电路图设置。电路仿真如图2所示。

图2 数字密码锁报警器电路仿真图

Fig.2 Digital code lock alarm circuit simulation diagram

（1）用电压表接在CD4017的第7脚Q3端。开始时，电压表的显示为0V（在Multisim8中显示，下同）。此时，LED1导通，发出绿光；蜂鸣器不响，说明处于待报警状态。

（2）设置电路初始状态，Q3为高电位1。依次按动按钮开始AN0、AN2、AN3、AN4（按动按钮的总时间不能超过报警电路中的R1和C1充电的延迟时间，采用电路中的0.5S），利用Multisim仿真仪器，测得此时得Q3端得电压值为5V。这样，CD4017的第7脚Q3就处于高电平1，完成初始状态得设置。

（3）按动AN0、AN5—AN9中得任一按钮，电路就开始处于报警状态了，此时测得Q3端得电压值为0V。用电压表测三极管9012的V_CE电压值为87.134mV，蜂鸣器两端电压值为5.113V，LED2两端电压值为0.8V。蜂鸣器元器件采用的是导通电压值4.5V<5.113V，故蜂鸣器此时工作发声。LED采用导通电压值为0.8V，此时根据测试的电压值，也会工作发出红光。说明了设计的报警电路完全可以工作^[2]。

（4）如果要中止报警，按动AN0、AN5—AN9中的任一按钮，将CD4017清零。Q0-Q3端中除了Q0端的电压为高电位外，其他的均为低电位0。电路还原到原来的待报警电路。 1.3仿真分析

（1）使电路处于待报警状态时，即设置Q3端的位于高电位，采用的是依次按动AN0、AN2、AN3、AN4，原因是AN0是CD4017的清零端；首先按动AN0保证了Q0端的电位为高电位1，Q1-Q9端的电位都为低电位0；接着顺序按下AN2、AN3、AN4进行加1累计计数（各端仿真波形如图3所示）；最终Q3端的电位有原来的低电位上升为高电位。

图3 系统电路中各端口波形仿真图

Fig.3 Each port in the waveform simulation system circuit diagram

（2）当要报警时，只要按下AN0、AN5-AN9中的任一按钮，电路清零，Q3端下降为低电位，三极管9012基极的电位也随着下降为低电位，三极管饱和导通，根据仿真图3所示，三极管V_CE电压值为87.134mV，蜂鸣器两端电压为5.113V，LED2两端电压约为0.8V，这三者的电压值总和为6V，刚好等于电源电压。所以可以促使蜂鸣器发声；LED2发光报警。但是考虑到仿真值和实际值会由于误差及其他因素的影响，蜂鸣器的导通电压可以选取4.5V左右^[3]。

（3）要使报警电路消除，应该顺序按动AN1-AN4，并且按完这几个按钮的时间不能超过R3、C2的延迟时间（电路中以5S为例），当然了这个延迟时间可以通过改变R3和C2的大小来改变。

2 改进数字密码锁报警器电路

2.1报警系统的改进电路

通过CD4017的各端的波形可以看出利用第12脚输出端可将电路进行改造，如图4所示系统电路的改进电路原理图。但该报警电路的密码位数需要6位以上（最高11位），才能保证输入正确密码之后，电路转换成待报警状态。

图4 系统电路的改进电路原理图

Fig.4 Improved circuit schematic diagram of the system circuit

（1）报警电路清零之后，由波形图可以发现：CD4017的第12脚CARRY-OUT（输出端）为高电平，这样就不需要通过累计计数使输出为高电平，使三极管9012出于截止状态，从而使电路出于待报警状态。

（2）需要报警时，必须顺序按动密码按钮AN1－AN6（其中AN2－AN6，分别接在4017的第3、2、4、7、10脚，表示的是十进制中的数字“0”、“1”、“2”、“3”、“4”）。期间如果按动AN0、AN7－AN10中的任何一个按键,也不能解除报警状态。按动AN1时，13脚CPE端通过R3和C2放电，由原来的高电位转变成低电位。此时，Q0处于高电位，其他的Q1-Q9端都为低电位^[4]。依次按下AN2－AN6，电路通过CD4017进行加1计数。当计数至十进制“5”的时候，12脚CARRY-OUT端由原来的高电位跳变为低电位，导致三极管9012饱和导通，蜂鸣器发出报警声，LED2发出警戒红光。这样就达到了报警的效果。

（3）如果要解除报警状态，只需要按下AN0、AN7－AN10中的任何一个按键，就可以解除^[5]。使电路恢复到原来的待报警状态，从而保证电路可以继续使用。

2.2 报警系统的改进电路仿真

（1）如图5所示系统电路的改进电路仿真原理图。首先要设置一下电路的状态，只要按动开关AN0将电路清零即可。用一个电压表接在CD4017的第12脚CARRY-OUT端。开始时，电压表的显示为5V（在Multisim8中显示，下同）。此时，三极管9012截止，LED1导通，发出绿光；蜂鸣器不响，说明处于待报警状态。

图5 系统电路的改进电路仿真原理图

Fig.5 Improved circuit simulation schematic diagram of the system circuit

（2）若要进行报警操作，依次按动按钮开始AN1-AN6（按动按钮的总时间不能超过报警电路中的R2、R3和C2充电的延迟时间，采用系统电路中的5S左右），利用Multisim仿真仪器测得此时的12端得电压值为0V。用电压表测三极管9012的V_CE电压值为91.875mV，蜂鸣器两端电压值为5.108V，LED2两端电压值为0.8V。蜂鸣器元器件采用导通电压值4.5V<5.108V，故蜂鸣器此时工作发声^[6]。LED采用导通电压值为0.8V，此时根据测试的电压值，也会工作发出红光。说明了设计的报警电路完全可以工作。

（3）按动AN0中按钮，电路清零，就恢复原来的待报警状态了，此时测得12端得电压值为5V。三极管9012截止，蜂鸣器不工作，LED2不发红光;LED1发绿光，说明电路又恢复到了原来的状态。

2.3 报警系统的改进电路仿真分析

（1）电路有三个基本特性。 待机时间长，静态电流小，其值I_S为1.822mA，选4节干电池供电, 则待机时间为4×2000mAh/1.822mA=4390 h≈183天。工作时间长，工作动态电流I_D是5.241mA，则最大工作时间为4×2000mAh/5.241mA＝1526 h≈64天。

（2）电路不会被随意地按动按键而导致报警。该报警电路较适合于公共场合或人群流动比较多的场所等使用，可以保证了只有拥有密码的人才能进行报警操作。而且可以通过设置R3、C2的大小，可以改变按键按动的时间。

（3）初始状态的设置简单。按照原来的报警电路，要设置初始状态Q3为高电位时，要经过一系列的操作。该电路只需要按动AN0、AN7－AN10中的任何一个按键，都可以使13脚CPE端置为高电位1。

（4）密码位数必须有6－11位，更多的密码位数可以增强保密性。但是上限位数使11位，如果超过11位的话，根据4017的波形图12脚CARRY-OUT会恢复到高电位状态，就不能进行报警操作了。

改进电路仍保持原电路具有陷阱功能。AN0、AN7－AN10都使陷阱按键，按动密码过程中，只要按动这几个按键，密码就会无效^[7]。如果要增强密码的安全性能，可以多增加陷阱按键的个数。

3 结 论

文中论述了数字密码锁报警系统的设计与仿真，主要对其电路进行分析、探讨，并最终对其改造，使其具有更新的功能，更广泛的使用性能。该系统是一种智能型的电子产品，具有操作性简单，可以随心所欲的运用，完全“傻瓜式”； 具有安全性可靠，可以根据不同的需要，可以选择设置不同位数的密码，而且可以设置密码陷阱，更加提高安全性能；具有应用性广泛，最适合于一般家庭的，通过密码锁测入侵信号，把信号传给报警主机，促使主机现场报警，并拨打电话到用户的手机，及时通知用户。同时，报警也可以联网，与110或当地派出所以及公安机关报警中心连接。

参考文献

[1] 王冠华，王伊娜. Multisim8电路设计及应用[M]. 国防工业出版社，2006.

WANG Guang-hua,WANG Yi-na.Multisim8 circuit is designed and application[M].Defence industrial press,2006.

[2] 佘明辉.电工与电子技术[M]. 南京大学出版社，2019.

SHE Ming-hui. Electrical and electronic technology [M]. Nanjing University Press,2019.

[3] 佘明辉.电子信息类专业毕业设计指导书[M]. 机械工业出版社，2012.

SHE Ming-hui.Electronic information kind of professional graduated design guidance book[M]. Mechanical industrial press,2012

[4] 朱正伟，何宝祥，刘训非. 数字电路逻辑设计[M]. 清华大学出版社，2006.

ZHU Zheng-wei,HE Bao-xiang,LIU Xun-fei.Digital circuit logic designs[M]. Tsinghua university press,2006.

[5] 徐洁.电子测量技术与应用项目[M]. 大连理工大学出版社，2009.

XU-Jie. Electronic measurement technology and application project [M]. Dalian University of Technology Press,2009.

[6] 佘明辉.电子技能训练教程[M].郑州大学出版社,2018.

SHE Ming-hui. Electronic skills training course[M].Zhengzhou University Press, 2018.

[7] 崔学武，栾良龙.无线电通信技术基础[M].大连理工大学出版社,2009.

CUI Xue-wu,LUAN Liang-long.Fundamentals of radio communication technology[M].Dalian

University of Technology Press,2009.

基金项目：莆田市科技局项目（2017G2011）,福建省教育厅科技项目（JA12456）.

作者简介：郭小芳（1979-- ），女，福建莆田人，湄洲湾职业技术学院实验师，本科，主要从事电子信息技术工程方面的研究，(TEL)86-13607528676（E-mail）[e-mail];佘明辉（1965-- ），男，福建莆田人，湄洲湾职业技术学院教授，主要从事网络通信工程方面的研究，（Tel）86-13706097791 （E-mail）[e-mail]