[高效]触摸式电子锁的探头设计

[高效]触摸式电子锁的探头设计 触摸式电子锁的探头设计 触摸式电子锁的探头设计 苏州大学理学院物理系 汤荣生 李文石 【摘要】 本文讨论了触摸开关的工作原理，分析比较了几种典型的触摸 开关单元电路，给出双点接触式电子锁探头设计的一个 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 。 【主题词】 触摸开关 电子锁 ----------------------------------------------------------- --------------------- 引言 电子锁是由电子电路控制锁体的新型锁具，始于70年代初期。触摸式电子锁采 用触摸方式输入开锁密码，操作方便，为电子锁制造厂家所青睐。触摸式电子锁的探头，也 就是输入部份，采用触摸开关，其优于传统的机械开关之处在于:没有活动零件，不会磨损 ，寿命长;使用时静默无声;造价低廉;新颖别致。 参照国内有关电子锁设计和制造的相关国家标准GB10409-89和相关部颁标准GA25-92，笔者 对触摸式电子锁探头的设计提出如下要求:高灵敏度，高机械强度，抗高静态电压。其中， 保证触摸探头的高灵敏度是个技术瓶颈问题。为此，笔者在研究触摸开关工作原理，分析比 较几个典型的触摸开关单元电路的基础上，给出双点触摸式电子锁探头设计的一个方案。 1 触摸开关的工作原理 近年来盛行从电子系统中去掉机械开关而成为纯电子的系统，所有机械开关正逐 渐趋向电子化，于是触摸开关应运而生。 通过触摸方式实现开关动作的方法主要有两种:一种是电导式，即利用操作者的手指皮肤电 阻使开关电路工作。另一种是感应式，笔者把它分为被动感应式和主动感应式。所谓被动感 应 式，即利用操用 者手指捡拾到的杂散射频信号，音频信号或民用电网哼声(50HZ干扰信号)， 使开关电路工作;所谓主动感应式，则是应用振荡电路提供高频感应信号，通过操作者手指 电容而使开关电路工作。 2 触摸开关典型电路的比较 2.1 电导式触摸开关电路 图 1 工作原理:如图1，金属点A、B制成双接点形式的触摸电极。静态，人手指未触及电极A和B ，由电阻R1，使CMOS非门1输入为低，输出为高。人手指同时触及电极A和B，相当于接入一 个等效电阻，阻值一般小于2MΩ。由于CMOS非门的输入电阻高达10 9Ω以上，比人手指皮 肤电阻大得多，此时非门1输入为高，输出为低。因此，每触及双接点触摸电极A和B一次， 由非门1输出一个脉冲下降沿。 电器优点:使用元件少，电路简洁;微功耗;对电源要求不苟刻。 存在问题，由于皮肤电阻的阻值随个体人手的干湿程度，粗糙程度等影响较大，试验中发现 ，对于老人，这种简易触摸开关的可靠性难以达到100%。 改进措施:a适当增大A、B电极的面积，减小两电极间距，尽量缩短与电极的连线长度;b使 用者(尤其是对老者)手上涂少许油质(雪花膏亦可);c使用者可配带用导电橡胶制成的指套 ，因为导电橡胶的电阻值在KΩ量级;d在触点B和E电源间反向接入一个开关二极管1N4148， 箝位可能输入的静态高电压。由于二极管反偏，不致影响电路正常工作。 2.2 被动感应式触摸开关电路 图 2 工作原理:如图2，金属点A是触摸电极，门1和门2可以是CMOS或TTL非门。静态，未 触及金 属点A，电阻R1使门1输入端为低电平，引起输出端为高电平，V D反偏，电容C2充电到电源 电压V D，结果门2输出低电平。当人手触及A时，50HZ的感应信号传 输到门1的输入端，它 的 输 出端从幅值V D降到地电位，使V D反偏，C2通过V D放电，使门2输入端变为低电平，引 起门2输 出变高。其中，C1用来消除50HZ以上的频率干扰。所以，用手触及A点一次，门2就输出一个 正脉冲。 电路优点，原理清晰;触摸电极尺寸不限;感应50HZ干扰信号的灵敏度相当高;输出的正脉 冲上升沿很陡，脉宽毫秒级，电路微功耗。 存在问题，对电源有要求。采用AC-DC直流电源时，会因交流电网停电而使电路失效;采用 电池供电时，需将粗导线接于民用电网火线后，在电极A输入导线附近盘几圈(特别注意绝缘 )，提供交流50HZ干扰信号。当然，若交流停电，电路还会失效。 改进措施，采用简易不间断电源。即由一个二极管隔离两套直流电源，一套是电池组，另一 套由交流电网经变压、整流和稳压得到。同时加装一个金属接点B，接至正电源，以备电池 工作时，利用人体手指电阻，使用双金属接点形式的触摸电极进行触发。为了抗静态高压， 可在A点和正电源端反接二极管。 图 3 工作管理，如图3，静态，2M电阻RS使非门1输入高电平，非门2输出CUT也为高电平 。当 手触摸A时，交流感应信号输入到非门1，其输出的高低交替变化电压经二极管VDL给电容C充 电，当充到非门2输入端为高电平时，非门2反相输出CUT变为低电平。当人手离开A点，则电 容C上的高电平经R2、VDC及导通的非门、放电至低电平，此时，输出COT端重新回到高电平 ，完成了一个负脉冲的输出。 电路优点，结构简单明了，感应50HZ干扰信号的灵敏度相当高。RS可权作灵敏度调节用。 2.3 主动感应式触摸开关电路 图 4 工作原理:如图4，金属片A是单个触摸电极，IC1是施密特触发器。ICIa和电阻R1以及电容C 1组成200HZ方波振荡器。静态，未触及金属片A，加有偏压并工作于线性区的IC1b,将经电 容C2和 C3耦合过来的高频信号放大，又经二极管VD给电容C4充电，IC1C作为电平检测器， 其 输出保持为低。当手指触及金属片A时，由于电容C2和手指电容的分压作用，会使加到IC1b 输入端的实际信号幅度严重衰减，引起IC1b停止放大，保持输出为低，二极管VD截止，电容 C4通过电阻R3放电，IC1C输出状态变为高。因此，每当手指触及A金属片一次，由IC1C输出 一个正脉冲。其中，调节C2的容值可以获得一个最佳的灵敏度。电容C3可避免因感应交流声 而导致IC1b的误触发。 电路优点:不依靠交流电源哼声来启动，故电路可用电池单独供电;对小范围人群能保证灵 敏度;电路设计构思巧妙。 存在问题:电路稍显复杂;静态功耗I 0= 0.4mA, V D取6V，故不易处于常供电状态 ;金属片A与电源正端不能加反偏二极 管，否则会旁路高频信号，使电路失效。 改进措施:IC1a为核心的振荡器可驱动几路开关;触摸电极A的安装位置应隐避，禁防高压 破坏。 3 双点触摸式电子锁的探头设计 采用多路触摸开关制成的触摸式电子锁不乏其例，见文献8。但考虑到其一，80年 代以日本为首的家用电器发达国家，已经流行设计少控制健数的电子器具，这样使得器具 操作简洁明快，免去用户拿着说明书久学不会之苦。其二，具体到电子锁输入键盘的设计， GA25-92要求，必须在键盘外加装防砸小钢门。类似地，触摸键盘由于目标较大，实用中也 必须注意防砸问题。因此，选择少触摸点(如两点)，既利于工艺上的防砸保安，更令用户操 作方便，同时也迎合了世界电器设计的潮流。 图 5 图5是我们设计的一例双点触摸式电子密码锁的框图。由框图图5，系统要求由触摸脉冲I输入每位密码数，由另一单元触摸脉冲?输入 每位密码的间隔;同时使用触摸脉冲?和?两单元起消码作用;如用触?单元输入 间隔控制 脉冲，触?单元输入每位密码脉冲，则 系统进入伪键输入状态，不可能输入正确密码。总之 ，系统设计时，我们力求尽限使用触?和触?两单元。 触摸脉冲?和?两单元及门铃单元的具体电路如图6。由于采用图3所示的主动感应式触摸开 关电路，在电池供电状态下，为避免静态电流过大，借用音乐门铃开关SB作为电子锁电源开 关。 图6中，双路触摸开关使用一片ICCD40106，六施密特反相器。电容C1(C2)通常可用几只10PF 电容和一只5/25PF的磁微调电容相关联，以期覆盖全部容量的变化范围。双金属片电极A和B 置于门外执手底侧。 音乐ICCW9302内存一首“平安之夜”，压电蜂鸣器加装助声腔。使用门铃时，按动SB，电子 锁瞬间得电，由于内设加电自动清零电路，所示不会使内部编译码及驱动电路误动作。 电子锁和音乐门铃使用同一组电池供电，内设电平检测报警器。静态，只有CW9302加电，微 功耗。按一次SB，启动音乐门铃;按住SB，触摸A和B，输入正确密码，打开电子锁。 参考文献 1 Wi rele ss World, 1978,Vol. 84, No. 1509, p69. 2 王千，实用电子电路大全(1)，电子工业出版社，1987，P46. 3 凌肇元，通用电子技术应用，河北科学技术出版社，1987，P71. (收稿日期:2000 08 09) (责任编辑:闫玉芬)