王丽君，李 萌

（1.南华大学 电气工程学院，湖南 衡阳421001；2.南华大学 计算机科学与技术学院，湖南 衡阳421001）

新型超低功耗电子密码锁设计

王丽君1，李 萌2

（1.南华大学 电气工程学院，湖南 衡阳421001；2.南华大学 计算机科学与技术学院，湖南 衡阳421001）

文中介绍了一种新型的超低功耗电子密码锁设计方案。该密码锁能实现密码开锁、自动落锁、修改密码、异常情况报警及门铃等功能。锁体主要采用ALTER公司的EP3C40Q240C8芯片来完成密码识别和开锁控制、密码的存储和修改等。整个系统操作简单，安全可靠，功耗极低，有很强的实用性和通用性。

电子密码锁；报警；门铃；自动落锁；功耗

安全防盗一直是社会关注的话题，如何制作安全可靠、使用方便的各种防盗锁，是全社会迫切需要解决的问题。传统的机械弹子锁由于结构上的局限，容易被仿制，保密性差，且需要随身携带。而机械密码锁密码量少、安全性能差，制造精度要求较高，且容易出现故障，已难以满足当前家庭防盗要求[1]。

电子密码锁是一种通过密码输入来控制芯片工作，进而控制机械开关的闭合，完成开锁闭锁任务的电子产品[2]。它以电子方式识别、处理相关信息并控制执行机构[3]，相比传统的机械锁具，保密性、便捷性、精度都有很大提高，且具有防盗报警功能[4]，因而人们对电子密码锁愈加青睐。目前，电子密码锁的使用非常广泛，可用于不需要集中处理的独立用户，如私人住宅、车库、保险柜及允许多人进入的小型办公楼等[5]。文中设计了一种具有密码开锁、自动落锁、改密、异常情况报警及门铃等功能特点的智能电子密码锁。它采用片内资源丰富的“现场可编程门阵列（Field Programmable Gate Array FPGA）”EP3C40Q240C8 完成核心控制功能，结合适当的外围电路，通过编程来实现。由于FPGA的掉电易失性，实际应用时要配一片配置芯片[6]。该电子密码锁具有以下功能特点：1）有极低的随机破码率，能随时修改密码，保密性好；2）两种方式开锁，操作简单，使用方便；3）按键输入声音提示；4）误码输入保护，3次输入错码报警；5）通用性强，可根据需要，安装在不同的设备上；6）多功能防尘罩设计，使系统功耗极低[7]。

1 实现流程

电子密码锁实现流程图如图1所示。

由图1可知，该电子密码锁的主要流程有两个：室外密码开锁及非法开启报警；室内修改密码。

室外开锁时，用户通过按键输入4位密码，按下“确认”键后，FPGA将输入密码与设定密码进行比对，密码正确则开锁，关门后可自动落锁。若密码连续3次输入错误，则启动现场报警，由蜂鸣器发声实现[8]。修改密码键设在室内，能有效防止外人非法开启。

设计中巧妙地加装了一个三重作用的防尘罩。在电子密码锁的电源回路中，接了一个常开按钮开关，平时断开，电子密码锁处于休眠状态，这就大大降低了全系统的功耗。当防尘罩掀起时，转接口刚好按压在开关上，开关闭合，接通电源回路，系统被唤醒，转为工作状态，电子锁也开始工作[9]。除了防尘，该装置还可在输入密码时起到遮挡防偷窥作用。防尘罩设计如图2所示。室内采用转动门把手机械开锁，这样可以不必耗电，故电子密码锁平时无需处于待机模式，功耗极低，这是该设计的最大优势所在。

图1 电子密码锁流程图

图2 防尘罩设计及电磁锁控制示意图

2 硬件设计

系统硬件设计原理结构如图3所示。本系统以FPGA为控制核心，加以合适的外围器件共同组成。FPGA体积小，容量大，功能强，内部资源丰富，最大的优势就是能够通过软件编程的方式实现硬件系统[10]。该设计的控制电路部分均在FPGA中编程实现，因此，整个硬件系统的设计都变得相对简单。FPGA控制系统电路图如图4所示。

图3 系统硬件设计原理结构图

图4 FPGA控制系统电路图

2.1 上电自动复位模块

当掀开防尘罩后，接通电源，系统被唤醒并自动复位。复位信号持续0.125s，可以避免因电源闭合过程引起抖动而影响复位[11]。因复位有效信号足够短，并不会影响人对电子锁的正常操作。

2.2 键盘接口与编码

密码采用串行输入方式，这样只需4位密码（可重复）就有10的4次方（1万次）种不同组合，可以杜绝非授权用户通过非法试探的方式试图解锁，破码率几乎为0。功能键有5个，“确认”键用于密码输入及修改后确认，“改密”键用于修改密码，“清除”键用于清除错误输入，“复位”键用于系统复位，另加一个“门铃”键。

图4的keyin模块中，key[9..0]为0～9数字键，用于密码的输入和修改。时钟clk0的频率为8 Hz。外部12 M石英晶体振荡产生的信号，经处理后得到12 MHz的方波，通过FPGA内部锁相环分频得到稳定的频率为4 kHz的信号，再经分频器分频后得到脉宽足够宽的8 Hz的方波作为时钟clk0[12]。在clk0的驱动下，每输入一位密码，将其转换成相应的四位二进制从out0[3..0]输出送至寄存器模块reg1或reg2。如输入在按键“3”上，key[9..0]为“0000001000”，编码后为“0011”。一次编码后必须等到按键全部释放，即key[9..0]为全0后，clk0才会检测下一个按键输入，这样可以避免同一个按键被多次采集。clr为“清除”键，输入有错误时，每按一次清除一位。reset为“复位”键，上电后或按下有效，持续1个时钟周期约0.125秒。

2.3 密码输入寄存器

reg1用于存储闭室外密码输入。modify为 “改密”键，按下为高电平有效。当它为低电平时，为正常输入密码状态，由clk0驱动，按下enter（确认）键后，将输入的4个四位逻辑矢量通过右移方式依次存入out1[15..0][13]。

reg2用于存储室内更改的密码输入。当modify按下，可以修改密码。连续两次输入相同的密码，按下“确认”键后，将更改后的密码存入out2[15..0]。因为“改密”键设在室内，可在按键后直接改密，而无需输入旧密码。

时钟clk1和clk2的有效性跟clk0保持一致，所以寄存器在有按键输入时右移一次，在按键全被弹起后，再次有按键输入时才会继续右移。

2.4 密码比较与声音控制模块

master模块主要完成输入密码比较和声音控制功能。当按下“确认”键，enter为高电平时，将输入的密码out1与设定密码out2进行比较，若密码完全正确，ope引脚输出高电平，开锁。高电平持续10秒，同时green为高电平，点亮绿灯。若密码不正确，可重新输入密码，同时错码计数器加1。当错码计数器为3时，red为高电平，点亮红灯，同时buzz为高电平，启动报警模块[14]。

master模块同时也实现报警电路、门铃和按键的声音输出控制。keyin模块只要有键按下，h0输出高电平，与reg2模块的modify按键通过二输入或门相或后送至master模块的h1端口。端口h1和enter任何一个为高电平，都会给buzz一个高电平，所以只要有键按下，蜂鸣器就会在高电平持续时间发出“滴”的声音，提示按键有效，既巧妙地提醒了用户，又保护了用户密码。当密码连续三次输入错误，buzz的高电平持续10秒，驱动蜂鸣器报警，10秒后复位。当bell（门铃键）按下为高电平时，高电平以1秒间隔交替在buzz与buzz1上输出。buzz与buzz1分别外接了三极管进行电流放大后，驱动两个发声频率不同的压电式蜂鸣器，所以可以发出两种不同的声音作为门铃使用。

2.5 执行模块

电磁锁主要由三极管和继电器构成，其控制示意图见图2。继电器在电路中起着安全保护、转换电路等作用。继电器的线圈一端接直流电源，另一端接在三极管的集电极。电磁锁铁心固定在一端，衔铁由弹簧固定在铁心上方。三极管的基极接至FPGA的OPEN端。当FPGA输出的OPEN为高电平时，三极管导通，继电器线圈上有电流，产生吸合力，克服弹簧阻力吸合衔铁，电子锁开锁。当OPEN为低电平时，三极管截止，继电器线圈上无电流，衔铁在弹簧力作用下释放，回复到初始位置，实现电流消失自动落锁功能。由于电路只在开锁时才耗电，整个系统的功耗非常低[15]。

2.6 电源管理模块

电子锁最大的一个问题就是断电，造成密码锁电路失效，打不开电子锁。本设计采用两套供电装置，可以很好的解决这个问题。电池盒安装在室内，平时采用干电池供电。在室外也外接了电子锁的供电电源孔，可以接入电池盒（带插头）或移动电源作为应急电源，保证电子锁的正常工作。

3 结论

该系统结构简单、功耗低、体积小，实现了电子密码锁的基本功能，比较其它各类锁具，具有自动落锁、防尘节电两大明显优势，在使用的方便性、防非法开启、智能管理等方面是机械锁无法比拟的，可用于多种场合，具有良好的可移植性和可靠性，市场前景广阔。但由于电子密码锁机电一体化的结构特点，一旦出现故障，一般的开锁人员不具备维修能力，故而维护时效性较差，可采用电子开锁和机械应急开锁相结合的结构设计弥补此缺陷。另外可加装震动报警装置，防止暴力开启门锁；加装室内遥控开锁、错码远程报警等功能。

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A new design of ultra-low power consumption electronic combination lock

WANG Li-jun1，LI Meng2
（1.School of Electric Engineering，University of South China，Hengyang 421001，China；2.School of Computer Science and Technology，University of South China，Hengyang 421001，China）

Introduce a new design of ultra-low power consumption electronic combination lock.It has functions of password unlocking， automatic locking， password modifying， abnormity warning and doorbell.With chip EP3C40Q240C8 produced by ALTER Corporation，it can realize password identifying， unlock control， password saving and modifying， etc.The whole system is simple operation，safe and reliable，low-power dissipation.It has very good practicability and universality.

electronic combination lock；alarm；doorbell；automatic lock up；power consumption

TN4

：A

：1674－6236（2017）15-0145-03

2016-07-05稿件编号：201607031

王丽君（1979—），女，湖南邵阳人，硕士，讲师。研究方向：电子信息工程。