Розробка охоронного пристрою – електронного замку

Зміст

• Вступ
• Розділ 1. Аналітичний розділ
• 1.1 Загальний опис та принцип роботи пристрою
• 1.2 Вибір і обгрунтування елементів
• 1.2.1 Вибір мікроконтролера
• 1.2.2 Вибір засобів індикації
• 1.2.3 Вибір супервізора
• 1.2.4 Вибір додаткової пам? яті
• 1.2.5 Вибір виконуючого пристрою
• 1.2.6 Вибір додаткових елементів
• Розділ 2. Розробка апаратної підсистеми
• 2.1 Розробка структурної схеми пристрою
• 2.2 Проектування друкованого вузла в системі P-CAD
• 2.3 Реєстрація ключів користувачів
• 2.4 Встановлення електронного замка
• Розділ 3. Розробка програмної підсистеми
• 3.1 Програмне забезпечення мікроконтролера
• Висновки
• Перелік скорочень, символів та спеціальних термінів
• Список використаних джерел
• Вступ
• Останнім часом широкого поширення набули замки, ключем до яких є електронна таблетка iButton (або touch memory) фірми Dallas Semiconductor. Такі замки часто використовуються на дверях під'їздів, а також усередині багатьох установ. Крім того, ключі iButton часто застосовуються для розрахунків на автозаправних станціях і в інших місцях. Таким чином, у багатьох вже є ключі iButton від чого-небудь. Тому при проектуванні замка раціонально використовувати в ньому вже наявні у користувача ключі. Саме так і зроблено в пропонованому замку: з ним можуть працювати будь-які типи ключів, так як використовується тільки записаний в ПЗП iButton серійний номер, який є в будь-якому їх типі. До того ж, команда читання цього номера одна і та ж для всіх типів ключів (33H). Код сімейства, який різниться у різних типів, може бути будь-яким. Він сприймається як ще одна цифра серіального номера. Потрібно відзначити, що найдешевшим типом ключів є DS1990A.
• Завдяки вандалозахищеності, високому ступеню безпеки, що досягається за допомогою захисту ключа від копіювання, ергономічному дизайну та посиленому виконанню, яке тягне за собою значний термін експлуатації iButton, замки Touch Memory нині використовуються і всередині будівель, стрімко витісняючи кодові замки.
• Метою даної роботи є розробка автономного, недорогого, універсального охоронного пристрою, виконаного на сучасній елементній базі, який призначений для цілодобового захисту об'єктів різного призначення: офісів, дач, квартир, гаражів, складів і т. п.
• Завданнями даної роботи є: написання коду програми, який забезпечить працездатність пристрою й подальшу його експлуатацію; розробка принципової схеми і друкованої плати; розробку готового замка.
• Розділ 1. Аналітичний розділ

1.1 Загальний опис та принцип роботи пристрою

Алгоритм роботи При отриманні сигналу з панелі зчитувача мікроконтролер перевіряє, чи є зчитаний код ключа в пам’яті. Якщо зафіксовано дотик зареєстрованим користувальницьким ключем, замок відкривається. Якщо це був майстер-ключ, то виконується перевірка поточного режиму роботи. У разі режиму програмування, мікроконтролер переходить до виконання алгоритму програмування ключів. Інакше замок відкривається. Якщо ключ не зареєстрований, замок залишається закритим.

Режими роботи

1. Режим відкриття замка ключем-таблеткою iButton: при дотику таблетки зі зчитувачем замка відбувається перевірка коду. Якщо код таблетки зареєстрований системою, замок відкривається і залишається відкритим 5 секунд. Інакше не реагує.

2. Режим програмування системи: замок може мати максимум 9 ключів, плюс один майстер-ключ. Коди ключів заносяться в незалежну пам’ять під номерами від 1 до 9. Код майстер-ключа занесений в ПЗП мікроконтролера і не може бути змінений. Програмування нових ключів або стирання старих може бути зроблено тільки за наявності майстер-ключа.

Замок має просту конструкцію і призначений в основному для індивідуального використання. Замок працює з будь-якими типами ключів iButton, тому можна застосовувати вже наявні ключі, призначені для інших цілей. Всього в пам’ять може бути записано до 9 ключів, хоча це кількість можна легко збільшити. Для авторизації процесу програмування використовується майстер-ключ, код якого занесений в ПЗП і не може бути стертий або змінений звичайною процедурою програмування замку.

Замок проектувався для індивідуального використання і має гранично просту конструкцію. На вхідних дверях зовні розташовується тільки панелька для iButton і світлодіод відкривання дверей. Відкривання дверей зсередини здійснюється за допомогою кнопки.

В якості виконавчого механізму використовується стандартна засувка з електромагнітом, який розрахований на напругу 12 В. Коди ключів зберігаються в незалежній пам’яті і можуть стиратися і додаватися користувачем.

Для захисту від несанкціонованого перепрограмування замку використовується майстер-ключ. Всього в пам’ять можна записати 9 ключів. Ця кількість продиктовано можливостями 1-розрядного індикатора номера програмованого ключа. Якщо задіяти ще й букви, можна збільшити сумарну кількість ключів до 15. Це робиться шляхом заміни значення константи MAXK в програмі. Таким же способом можна і зменшити максимальну кількість ключів.

Принципова схема замка показана на рисунку 1.1.

Основою конструкції є мікроконтролер U1 типу AT89C2051 фірми Atmel. До порту P1 підключений 7-сегментний індикатор, який використовується при програмуванні ключів.

Для цих же цілей призначена і кнопка SB1, підключена до порту P3.7. Зберігання серійних номерів ключів здійснюється в мікросхемі EEPROM U3 типу 24C02, підключеної до портів P3.4 (SDA) і P3.5 (SCL). Зовнішня панелька для iButton підключається до порту P3.3 через роз'єм XP2 і елементи захисту VD4, R3, VD5 і VD6.

Підтягуючий резистор R4 вибраний згідно специфікації однопровідної шини.

Рис. 1.1 — Електрично-принципова схема замка Паралельно зовнішньої панельки підключена ще й внутрішня панелька XS1, яка використовується для програмування ключів. Кнопка відкривання дверей підключена до порту P3.2 через роз'єм XP1 і такі ж елементи захисту, як і для iButton. Виконавчим пристроєм замку є електромагніт, підключений через термінал XT1. Електомагнітом керує ключ VT3, в якості якого використовується потужний МОП-транзистор типу IRF540. Діод VD7 захищає від викидів самоіндукції. Ключем VT3 управляє транзистор VT2, який інвертує сигнал, що надходить з порту P3.0 і забезпечує керуючі рівні 0/12 В на затворі VT3. Інверсія потрібна для того, щоб виконавчий пристрій не спрацьовував під час скидання мікроконтролера, коли на порту присутній рівень логічної одиниці. 12-вольтні керуючі рівні дозволили застосувати звичайний МОП-транзистор замість більш дефіцитного низькопорогового (logick level). Для індикації відкриття замка використовується світлодіод, який керується тим же портом, що і електромагніт, але через транзисторний ключ VT1. Світлодіод підключається через той же роз'єм, що і iButton. Оскільки пристрій повинен працювати цілодобово без обслуговування, для підвищення надійності встановлений супервізор U2 типу ADM1232. Він має вбудований сторожовий таймер і монітор живлення. На порту P3.1 мікроконтролер формує періодичні імпульси для скидання сторожового таймера.

Конструктивно пристрій виконано в корпусі розміром 150×100×60мм. Більшість елементів, включаючи трансформатор живлення, змонтовано на друкованій платі. Акумулятори розміщуються в стандартних пластмасових роз?ємах, які закріплені всередині корпусу поруч з платою. В принципі, можна використовувати й інші типи акумуляторів, наприклад 12-вольтну кислотну необслуговуючу батарею, що застосовується в охоронних системах. Для підключення виконавчого пристрою на платі є термінали типу TB-2, всі інші зовнішні кола підключаються через малогабаритні роз'єми з кроком контактів 2.54мм. Роз'єми розташовані на друкованій платі і зовні корпусу недоступні. Провід виходять з корпусу через гумові ущільнювачі. Оскільки індикатор HG1, кнопка SB1 і панелька для iButton XS1 використовуються тільки під час програмування, вони розміщені на платі всередині пристрою. Це спрощує конструкцію корпусу і робить його більш захищеним від зовнішніх впливів. На бічній панелі корпусу розміщений тільки світлодіод індикації включення VD13. Схема зовнішніх з'єднань показана на рисунку 1.2.

Рис. 1.2 — Схема зовнішніх з?єднань При відкритті дверей на електромагніт подається імпульс тривалістю 3 секунди. Логіка роботи пристрою така, що якщо кнопку відкривання дверей утримувати, то весь цей час електромагніт буде під напругою і, відповідно, двері буде відкрито.

Вимоги по живленню Живлення пристрою здійснюється від вбудованого блоку живлення, що містить трансформатор T1, випрямляючий міст VD9-VD12 та інтегральний стабілізатор U4. В якості резервного джерела живлення використовується батарея BT1-BT10 з 10-ти NiMH-акумуляторів типорозміру AA ємністю 800мА/Ч. При живленні пристрою від мережі батареї акумуляторів заряджаються через резистор R10 струмом приблизно 20мА, що становить 0.025C. Режим зарядки малим струмом називають крапельним (trickle charge). У такому режимі акумулятори можуть знаходиться як завгодно довго, контроль кінця процесу зарядки не потрібен. Коли акумулятори повністю зарядяться, енергія, що надходить до них від джерела живлення перетворюється в тепло. Але оскільки струм зарядки дуже маленький, виділене тепло розсіюється в навколишній простір без будь-якого помітного збільшення температури акумуляторів.

1.2 Вибір і обгрунтування елементів

Для виконання пристрою застосовуються не тільки вітчизняні деталі, а й імпортні, оскільки наша промисловість не освоїла виробництво аналогів мікроконтролерів даного класу. За рахунок такої комбінації вдалося досягти найменшої вартості приладу і максимально збільшити надійність роботи, а також у багато разів збільшити завадостійкість.

1.2.1 Вибір мікроконтролера Було вирішено взяти мікроконтролер AT89C2051 фірми Atmel. Мікроконтролери даного сімейства виготовляються за високоякісною КМОП (CMOS) технологією, містять енергонезалежні запам’ятовувальні пристрої для зберігання програми і даних, виконані по Flash і EEPROM технологіям, і відрізняються низьким енергоспоживанням при високій тактовій частоті. Запис програми і вихідних даних в пам’ять може виконуватися після установки мікроконтролера в апаратурі, де йому належить працювати (ISP, In-System Programmable). Таким чином, МК має високу швидкодію і володіє хорошим співвідношенням функціональності і ціни, завдяки чому набув широкого поширення, для нього існують зручні середовища розробки, а документація переведена на російську та українську мову, що безумовно полегшує завдання проектування.

Опис базового мікроконтролера

AT89C2051 8-розрядний КМОП мікроконтролер з Flash ПЗУ фірми Atmel має такі особливості:

- сумісність з приладами сімейства MCS-51;

— ємність Flash пам’яті: 2 Кбайт, 1000 циклів стирання/запис;

— діапазон робочих напруг від 2,7 В до 6 В;

— повністю статичний прилад — діапазон робочих частот від 0 Гц до 24 Мгц;

— дворівневе блокування пам’яті програм;

— 15 програмованих ліній вводу/виводу;

— 16 2-розрядних таймера/лічильника подій;

— шість джерел сигналу переривання;

— виходи прямого управління СІД;

— вбудований аналоговий компаратор;

— пасивні (idle) і стоповий (power down) режими.

AT89C2051 розроблений за технологією КМОП. Мікроконтролер оснащений Flash програмованим ПЗП, а також сумісний за системою команд і за виводами зі стандартними приладами сімейства MCS-51. Обсяг Flash ПЗП — 2 Кбайта, ОЗП — 128 байтів. Має 15 ліній вводу/виводу, один 16-розрядний таймер/лічильник подій, повнодуплексний порт (UART) п’ять векторних дворівневих переривань, вбудований прецизійний аналоговий компаратор, вбудовані генератор і схему формування тактової послідовності. Напруга програмування Flash пам’яті - 12 В і її вміст може бути захищений від несанкціонованих запису/зчитування. Є можливість очищення Flash пам’яті за одну операцію і можливість зчитування вбудованого коду ідентифікації. Струм споживання в активному режимі на частоті 12 МГц не перевищує 15 мА при 6 В і 5,5 мА при напрузі живлення 3 В. У пасивному режимі (ЦПУ зупинений, але система переривань, ОЗП, таймер/лічильник подій і послідовний порт залишаються активними) споживання не перевищує 5 мА і 1мА. У стоповому режимі струм споживання не перевищує 100 мкА і 20 мкА при напрузі живлення 6 В і 3 В, відповідно. Мікроконтролер AT89C2051 орієнтований на використання в якості вбудованого керуючого контороллера. Структурна схема МК показана на рисунку 1.3. Гранично допустимі параметри і температурні характеристики показані в таблиці 1.1.

Таблиця 1.1 — Гранично допустимі параметри і температурні характеристики

Рис. 1.3 — Структурная схема (AT89C2051)

Відмінні особливості мікроконтролера

Мікроконтролер AT89C2051 це представник сімейства однокристальних мікроконтролерів американської фірми Atmel.

Мікросхема виконана в стандартному DIP-корпусі і має 20 виводів. Основна перевага розглянутого мікроконтролера — це сумісність за системою команд з широко поширеною мікросхемою фірми Intel — MCS-51 (радянський аналог 1816ВЕ51). Розробники ставили завдання створити мікросхему, максимально сумісну зі своїм аналогом, але при цьому має менші габарити і більш зручна в застосуванні. Для цього вони відмовилися від одного з портів вводу/виводу, відмовилися від всіх режимів, що вимагають зовнішньої обв’язки мікросхеми, вбудували тактовий генератор в корпус контролера і застосували в якості пам’яті команд електрично перепрограмований ПЗП, що дало можливість дуже швидко і легко перепрограмувати мікросхему.

До достоїнств мікросхеми AT89C2051 відноситься наявність режиму захисту програми, «зашитих» в пам’ять програм мікросхеми від несанкціонованого копіювання.

Перераховані вище гідності, а так само досить низька вартість ($ 1,5) і послужили причиною вибору саме цього процесора для розробки замка.

На рисунку 1.3 наведена структурна схема мікроконтролера AT89C2051. Розглянемо основні елементи схеми. Але є й істотні відмінності, пов’язані з тим, що вся ця схема знаходиться всередині однієї мікросхеми.

Рис. 1.4 — Блок-схема тактового генератора На схемі (рис. 1.3) не показаний один важливий елемент: вбудований тактовий генератор. На рисунку 1.4 показана блок-схема генератора із зовнішніми навісними елементами, які необхідно підключити до мікросхеми для її нормальної роботи. Зовнішніми елементами є кварцовий резонатор, що визначає частоту тактового генератора і дві ємності.

Схема генератора побудована таким чином, що допускає синхронізацію від зовнішнього тактового генератора. При включенні мікросхеми в такому режимі, кварцовий генератор і погоджують ємності не встановлюються, а на вхід XTAL1 подається тактовий сигнал від зовнішнього генератора.

1.2.2 Вибір засобів індикації

В системі необхідно візуально відображати номер записуваного або поточного ключа і вхід в режим програмування. Для цих цілей підійде однорозрядний семисегментний індикатор (рис. 1.5). Наприклад, LTS6660E фірми Lite-On Electronics.

Рис. 1.5 — Індикатор і схема підключення

1.2.3 Вибір супервізора Найбільшим ефективним і дешевим способом контролю над напругою живлення при розробці мікропроцесорних систем є використання зовнішньої мікросхеми супервізора живлення.

Вона дозволяє не тільки підтримувати контролер в стані скидання перед його пуском (функція POR — power on reset), а й контролювати рівень і стабільність живлення під час виконання програми (функція BOR — brown out reset), виконувати функції сторожового таймера (WDT), а також реалізовувати інші сервісні функції, такі, як зовнішні скидання.

У проектованої системі буде використаний супервизор ADM1232 (рис. 1.6) з наступними параметрами:

Рис. 1.6 — Супервізор 1232

1.2.4 Вибір додаткової пам’яті

В розроблюваному пристрої використовується додаткова мікросхема пам’яті 24С02 (рис. 1.7).

Рис. 1.7 — Додаткова мікросхема пам’яті

24C02 забезпечує 2048 біт додаткової памяті. Пристрій оптимізований для використання в багатьох промислових і комерційних системах, де низьке енергоспоживання. 24C02 доступний в компактному 8-вивідному PDIP, 8-вивідному SOP, і 8-вивідному TSSOP корпусі.

1.2.5 Вибір виконуючого пристрою Система повинна управляти дверима. Для відкривання і закривання замка виберемо соленоїд AK2022L фірми Shenzhen Yaxin Electric Manufacturing Co (рис. 1.8).

Рис. 1.8 — Соленоїд

1.2.6 Вибір додаткових елементів Для живлення мікропроцесора від мережі 220 В необхідна схема узгодження, так як процесор живиться від постійної напруги в 5 В. Будемо використовувати трансформатор понижуючий Штиль ОСМ Т220, з наступними параметрами:

— напруга первинної обмотки: 220 В;

— напруга вторинної обмотки: 12 В (змінна);

— ступінь захисту: IP 20.

Для управління програмуванням мікроконтролера необхідний мініатрюрний перемикач, кнопковий з самоповерненням. Наприклад, Пкн-159−3 (рис. 1.9).

Рис. 1.9 — Перемикач ПКн-159−3

Інші елементи вибираються відповідно до схем підключення мікросхем, наведеним у відповідній технічній документації.

Опис використаних транзисторів Транзистор — напівпровідниковий елемент електронної техніки, який дозволяє керувати струмом, що протікає через нього, за допомогою прикладеної до додаткового електрода напруги.

В пристрої використані такі транзистори:

— транзистор КТ3129А;

— біполярний транзистор КТ3130А9;

— MOSFET-транзистор IRF540

Характеристики транзистора КТ3129А:

- структура p-n-p;

— максимально допустима (імпульсна) напруга колектор-база 50 В;

— максимально допустима (імпульсниа) напруга колектор-емітер 50 В;

— максимально допустимий постійний (імпульсний) струм колектора 100 (200) мА;

— максимально допустима постійна розсіююча потужність колектора без тепловідводу (з теплоотводом) 0.075 Вт;

— статичний коефіцієнт передачі струму біполярного транзистора в схемі з загальним емітером 30−120;

— зворотний струм колектора <= 1 мкА;

— гранична частота коефіцієнта передачі струму в схемі з загальним емітером => 200 МГц.

Параметри біполярного транзистора КТ3130А9 (рис. 1.10):

Рис. 1.10 — Схема биполярного транзистора КТ3130А9

— B1-B2/Ік/мА статичний коефіцієнт передачі струму: 100−250/2;

— Fт/МГц гранична частота коефіцієнта передачі струму: 150;

— Cк/Uк, пф/В ємність колекторного переходу (Cк) і напруга на колекторі (Uк), при якому вона вимірюється: 12/5;

— Uке/(Ік/Іб), В/(мА/мА) напруга насичення колектор-емітер (Uке) біполярного транзистора при заданому струмі колектора (Ік) і заданому струмі бази (Іб): 0.2(10/1);

MOSFET-транзистор IRF540(рис. 1.11)

Рис. 1.11 — Цоколівка транзистора IRF540

Характеристики транзистора IRF540:

- корпус: TO-220AB;

— напруга пробою стік-витік: 100 В;

— максимальна напруга затвора: 20 В.

Опис використаних діодів Діод — електронний прилад з двома електродами, що пропускає електричний струм лише в одному напрямі. Застосовується у радіотехніці, електроніці, енергетиці та в інших галузях, переважно для випрямляння змінного електричного струму, детектування, перетворення та помноження частоти, а також для переключення електричних кіл.

В пристрої використовуються такі напівпровідникові елементи:

— світлодіод АЛ307Б;

— діоди 1N4148;

— діоди FR307;

— стабілітрон BZV55-B5V6;

— діодний міст KBU405.

Світлодіод АЛ307Б Його зовнішній вигляд зображений на рисунку 1.12. Основні характеристики показані в таблиці 1.2.

Рис. 1.12 — Зовнішній вигляд світло діода АЛ307Б Таблиця 1.2 — Основні характеристики сітлодіода АЛ307Б

Випрямні діоди Напівпровідникові діоди використовують властивість односторонньої провідності p-n переходу — контакту між напівпровідниками з різним типами провідності, або між напівпровідником і металом.

Напівпровідникові діоди — дуже прості пристрої. Крім оцінки сили струму діода, є три основні речі, які потрібно знати:

1. Катод (сторона з смугою)

2. Анод (сторона без смуги)

3. Діод пропускає «-» від катода до анода (не пропускає «+») і «+» від анода до катода (не пропускає «-»).

Діод 1N4148 (рис. 1.13).

Рис. 1.13 — Зовнішній вигляд діода 1N4148

Діод FR307 (рис. 1.14).

Рис. 1.14 — Зовнішній вигляд діода FR307

Стабілітрон BZV55-B5V6

Стабілітроном називають напівпровідниковий діод, напруга на зворотній гілці ВАХ якого в області електричного пробою слабо залежить від значення проходить струму. В області пробою напруга на стабілітроні лише незначно змінюється при великих змінах струму стабілізації. Така характеристика використовується для отримання стабільної напруги. Зовнішній вигляд стабілітрона BZV55-B5V6 показаний на рисунку 1.15. Основні характеристики наведені в таблиці 1.3.

Рис. 1.15 — Загальний вигляд стабілітрона BZV55-B5V6

Таблиця 1.3 — Основні характеристики стабілітрона BZV55-B5V6

Діодний міст KBU405

Діодний міст — електрична схема, призначена для перетворення («випрямлення») змінного струму в пульсуючий. Таке випрямлення називається двухполуперіодним. На рисунку 1.16 показаний діод ний міст KBU405.

Рис. 1.16 — Діодний міст KBU405

Опис використаного стабілізатора

В проектованому присторої використовується стабілізатор LM7805 (рис. 1.17).

Стабілізатори електричної напруги це пристрої, що входять до складу блоку живлення і дозволяють тримати на виході блоку живлення стабільну напругу. Стабілізатори електричної напруги бувають розраховані на якийсь фіксований напруга на виході (наприклад 5 В, 9 В, 12В), а бувають регульовані стабілізатори напруги, у яких є можливість встановити необхідну напругу в тих межах, в яких вони дозволяють.

Рис. 1.17 — Розпіновка та загальний вигляд стабілізатора

7805 — Стабілізатори, виконаний в корпусі, схожому на транзистор і має три виводи. Так само в корпусі є отвір для кріплення стабілізатора напруги 7805 до радіатора охолодження. 7805 є стабілізатором позитивної напруги. Його дзеркальне відображення — 7905 — аналог 7805 для негативної напруги. Тобто на загальному виводі у нього буде «+», а на вхід буде подаватися «-». З його виходу, відповідно, буде зніматися стабілізовану напругу — 5 вольт.

Так само варто відзначити, що для нормальної роботи на вхід обом стабілізаторам необхідно подавати напругу близько 10 вольт.

У цього стабілізатора існує малопотужний аналог 78L05.

Опис використаного кварцового резонатора

Кварцовий резонатор — прилад, в якому п'єзоелектричний ефект і явище механічного резонансу використовуються для побудови високого резонансного елемента електронної схеми.

В пристрої використаний резонатор з частотою 10 МГц. Зовнішній вигляд, схематичне позначення та ввімкнення в коло показано на рисунку 1.18.

Рис. 1.18 — Схематичне позначення та зовнішній вигляд кварцового резонатора

Опис використаних конденсаторів

Конденсатором зазвичай називають пристрій, який має здатність накопичувати електричний заряд.

Конструктивно конденсатор являє собою два провідника, розділених діелектриком. Одиницею електричної ємності конденсатора в системі СІ є фарада.

В таблиці 1.4 наведені використані в сигналізації конденсатори та їх основні характеристики.

Таблиця 1.4 — Використані конденсатори з їх параметрами

Опис використаних резисторів

Позначення постійних резисторів на принципових схемах та їх розшифрування потужності показано на рисунку 1.19. В таблиці 1.5 наведені використані в приладі резистори та їх параметри.

Рис. 1.19 — Схематичне позначення резисторів

Таблиця 1.5 — Використані резистори

Розділ 2. Розробка апаратної підсистеми

2.1 Розробка структурної схеми пристрою

Опис функцій, які виконує система Для розробки структурної схеми системи управління електронним замком, коротко опишемо функції, які повинна виконувати розроблювальна система:

— початковий запуск системи;

— запис в пам’ять мікроконтролера ключів для відкриття замку;

— прийом даних з зчитувача ключа;

— утримання замку у відкритому стані.

Основні модулі

Виходячи з вимог технічного завдання і функцій, які повинна виконувати розроблювальна система, можна виділити основні модулі, з яких повинна складатися дана система.

Пристрій управління Пристрій управління є головною частиною системи, він необхідний для збору та обробки інформації, що надходить з зчитувачів ключів, вироблення керуючих сигналів для виконавчих пристроїв, а також виведення інформації на пристрій індикації.

Пульт управління і пристрій візуальної індикації

Пульт управління і пристрій візуальної індикації необхідні для запуску режиму програмування мікроконтролера та візуального виводу номера поточного записуваного ключа.

Основним функціональним елементом пристрою є мікроконтролер, як ядро, де відбувається обробка вхідної інформації, а також індикація, на якій відображається інформація в зручному для оператора вигляді. Основні функції, здійснювані мікроконтролером:

- відлік часу (для даного пристрою час на вхід, на вихід);

- приймання команд, що надходять від зчитувача.

Проаналізувавши функції, виконувані мікроконтролером, до нього можна висунути такі вимоги:

— тактова частота мікроконтролера повинна бути достатньою для нормальної роботи всієї системи;

— вихідні струми й напруги на виводах мікроконтролера повинні бути достатніми для керування індикатором;

— загальна кількість виводів мікроконтролера повинна бути достатньою, для забезпечення керування всіма елементами, що входять до складу пристрою, робота яких керується мікроконтролером.

Також мікроконтролер повинен відповідати низці другорядних вимог:

— мікроконтролер повинен мати мале енергоспоживання;

— об'єм пам’яті програм повинен вміщувати програмний код;

— обсяг оперативної пам’яті має бути достатнім для коректної і швидкої роботи пристрою.

Враховуючи всі перераховані вимоги, в нашому пристрої можна використати мікроконтролер це АТ89С2051.

До приладу підключаються зчитувачі від яких на МК подається інформація, якщо користувач доторкнувся зареєстрованим ключем зчитувача, то контролер обробивши інформацію, подає сигнал виконуючий пристрій закмка, який відриває його. Живиться сигналізація як від загальної мережі, так і від акумулятора.

Структурна схема приладу зображена на рисунку 2.1.

Охоронну сигналізацію можна розділити на такі структурні блоки, які й будуть складати структурну схему даного пристрою:

— мікроконтролер АТ89С2051;

— зчитувач ключів;

— виконуючий пристрій;

— блок живлення, акумулятор.

Рис. 2.1 — Структурна схема приладу Один зчитувач встановляється зовні приміщення та знаходиться доступним при закритих дверях, решта електронного замка з провідниками повинні бути недоступні.

2.2 Проектування друкованого вузла в системі P-CAD

Система P-CAD 2001 призначена для проектування багатошарових ДП електронних пристроїв у середовищі Windows. Вона складається із чотирьох основних модулів: P-CAD Library Manager (або Library Executive), Р-CAD Schematic, P-CAD PCB, P-CAD Autorouters і ряду допоміжних програм.

Загальні характеристики системи P-CAD 2001:

— 32-розрядна база даних;

— не більше 20 000 компонентів в одній бібліотеці;

— необмежена кількість компонентів у проекті;

— не більше 64 000 ланцюгів у проекті;

— не більше 999 виводів у компоненті;

— не більше 255 секцій у компоненті;

— не більше 2000 символів в атрибуті;

— не більше 2000 символів у текстовому рядку;

— не більше 20 символів в імені виводу, ім'я ланцюга, позиційному позначенні виводу (пропуски, знаки табуляції, крапки й дужки не допускаються);

— не більше 16 символів в імені типу компонент (пробіли й знаки табуляції не допускаються);

— не більше 30 символів у позиційному позначення компонента (символи кирилиці допускаються, але їх використовувати не рекомендуються; символи двокрапки, пробіли, знаки табуляції, крапка й крапка з комою не допускаються);

— мінімальний крок сітки 0,1 мил. в англійській системі й 0,001 мм у метричній системі. Систему одиниць можна змінювати на будь-якій фазі роботи із проектом;

Графічний редактор схем P-CAD Schematic:

— не більше 99 листів схем у проект, максимальний розмір листа 60×60 дюймів;

— підтримка стандартних форматів А-Е, АО-А4 і форматів, що задаються користувачами;

— контроль помилок у принципових схемах;

— перехресні зв’язки між Р-САВ Schematic і P-CAD PCB дозволяють для обраної на схемі ланцюга висвітити на ДП відповідний їй провідник і навпаки (так званий гарячий зв’язок);

— передача даних програмі моделювання змішаних аналогово-цифрових пристроїв Advanced Sim системи Protel.

Графічний редактор ДП P-CAD РСВ:

— не більше 99 шарів у базі даних ДП (всіх шарів, включаючи сигнальні шари, шари металізації й допоміжні), з них 11 шарів попередньо визначені;

— максимальний розмір ДП 60×60 дюймів;

— не більше 6400 типів контактних площадок у проекті;

— ширина траси не більше 1 див (394 милий);

— не більше 64 000 стилів стеків контактних площадок у проекті;

— контактні площадки 12 форм: еліпс, овал, прямокутник, округлений прямокутник, полігон, безпосереднє з'єднання із шаром металізації, тепловий бар'єр з 2 або 4-перемичками 2-х орієнтації кожне, перехрестя для свердління (Target), кріпильний отвір (Mounting Hole);

— контроль дотримання зазорів і повнота розведення ПП;

— підтримка керуючих файлів фотоплоттеров Gerber (формати RS-274-D і RS-274-X), свердлильних верстатів зі ЧПУ типу Excellon (формат настроюється користувачем);

— передача даних програмі аналізу цілісності сигналів Signal Integrity.

Опишемо деякі трудомісткі операції, які були проведені на етапах проектування друкованого вузла в P-CAD.

Одним із трудомістких процесів проектування друкованого вузла було розміщення конструктивних елементів на конструктивні ДП.

При опрацюванні списку ланцюгів зазначені в ньому конструктиви компонентів вибираються з бібліотек і розміщуються системою в робочій області редактора ДП довільним чином. Як правило, вони групуються за типами. При цьому відображуються електричні зв’язки між їх виводами.

Взявши за основу розміщення елементів, проведене в попередньому розділі дипломної роботи, було виконано ручне розміщення елементів всередині контуру ДП. Система Р-САD не має засобів для автоматичного компонування, але має кілька інструментів для полегшення цієї роботи.

У штатний комплект поставки P-CAD 2001 входять програми автотрасування QuickRouie, ProRouie 2/4, ProRouie до P-CAD Sliape Rouie, a також інтерфейс до програми SPECCTRA фірми CADENCE.

Трасування виконувалося за допомогою програми QuickRoute, що використовує найпростіші алгоритми трасування, призначені для розведення нескладних ДП з невеликим числом компонентів. При запуску автотрасувальника досягнуто 100% розведення. ДП показана на рисунку 2.2.

Рис. 2.2 — Друкована плата

2.3 Реєстрація ключів користувачів

Замок може мати максимум 9 ключів, плюс один майстер-ключ. Коди ключів заносяться в незалежну пам’ять під номерами від 1 до 9. Код майстер-ключа занесений в ПЗП мікроконтролера і не може бути змінений. Програмування нових ключів або стирання старих може бути зроблено тільки за наявності майстер-ключа. Як і інші ключі, майстер-ключ може використовуватися для відкриття замку.

Для програмування нового ключа потрібно виконати наступні дії:

1. Натиснути кнопку програмування.

2. На індикаторі з’явиться буква «P», що означає вхід в режим програмування.

3. Торкнутися майстер-ключем панельки.

4. На індикаторі з’явиться цифра «1», яка позначає номер програмованого ключа.

5. Кнопкою вибрати потрібний номер.

6. Торкнутися будь-яким ключем панельки.

7. Цифра на індикаторі почне блимати, що говорить про готовність до програмування.

8. Торкнутися панельки тим ключем, код якого потрібно занести в пам’ять.

9. У разі успішного програмування цифра на індикаторі перестане блимати і почне горіти постійно.

10. Для виходу з режиму програмування потрібно просто почекати 5 секунд, після чого індикатор згасне.

Схематично процес програмування нового ключа показаний на рис. 2.3.

Рис. 2.3 — Програмування нового ключа Якщо потрібно запрограмувати кілька ключів, то можна відразу перейти від пункту 9 до пункту 5 і повторити пункти 5−9 необхідну кількість разів.

Якщо після виконання пункту 7 виявиться, що вибраний не той номер, то для виключення втрати коду ключа під цим номером можна натиснути кнопку або просто почекати 5 секунд. У першому випадку поточний номер збільшиться на одиницю, а вміст пам’яті залишиться без змін. У другому випадку відбудеться повний вихід з режиму програмування без зміни кодів. Взагалі, вихід з програмування можна здійснити в будь-який момент, якщо зробити паузу більше 5 секунд.

Для стирання з пам’яті зайвого ключа послідовність дій залишається такою ж, як і при програмуванні, тільки всі дії проводяться майстер-ключем. Тобто процес стирання фактично є записом коду майстер-ключа на невикористовувані номера. Схематично процес стирання зайвого ключа показаний на рис. 2.4.

Рис. 2.4 — Зтирання зайвого ключа з пам? яті

У процесі програмування відкрити двері кнопкою можна, а от відкривання за допомогою iButton заблоковано. Оскільки внутрішня і зовнішня панельки з'єднані паралельно, потрібно стежити, щоб під час програмування ніхто не торкався зовнішньої панельки ніякими ключами.

Код майстер-ключа записується в ПЗП програм мікроконтролера, починаючи з адреси 2FDH. Довжина коду складає 8 байт. Послідовність цифр повинна бути така ж, як і на корпусі touch-memory, читати потрібно зліва направо. Тобто за адресою 2FDH заноситься значення контрольної суми, потім за адресами 2FEH — 303H шість байт серійного номера, починаючи зі старшого байта, і, нарешті, за адресою 304H — код сімейства. Наприклад, код в цілому може виглядати так: 67 00 00 02 D6 85 26 01.

2.4 Встановлення електронного замка

Блок з платою можна помістити в металевому боксі так, щоб власник мав до нього доступ і міг при потребі поміняти або записати новий ключ.

Зчитуючий пристрій Х1 необхідно помістити в доступному місці. Кнопку відкриття дверей зсередини приміщення теж необхідно розмістити в зручному та доступному місці. Прокладку дротів від блоку керування до зчитувач Х1 необхідно також виконати прихованою, оскільки обрив дротів порушує працездатність пристрою.

Розділ 3. Розробка програмної підсистеми

3.1 Програмне забезпечення мікроконтролера

Лістинг програми наведено в додатку А.

Програма написана на мові Assembler, що робить код швидше, ніж якби вона була написана на Сі. Крім того, мова низького рівня забезпечує прямий доступ до портів вводу/виводу і регістрів мікроконтролера.

Програма електронного замка має головний цикл, блок-схема якого показана на рис. 3.1. В основному циклі проводиться опитування панельки, і якщо там виявляється ключ, то зчитується його код. Потім цей код перевіряється, і якщо він збігається з кодом майстер-ключа або будь-якого іншого ключа (ключа користувача), занесеного в пам’ять, замок відкривається. Також перевіряється стан кнопки відкривання дверей, і в разі виявлення натискання замок теж відкривається.

Рис. 3.1 — Блок-схема головного циклу програми Для обробки подій, пов’язаних з програмуванням, є дві підпрограми: PROGT і PROGS, блок-схеми яких наведені на рис. 3.2. Перша викликається при зчитуванні коду ключа в режимі програмування, друга — при натисканні кнопки програмування (NUMBER). Процес програмування розбитий на 3 фази. При натисканні кнопки NUMBER здійснюється вхід в програмування, тобто перехід до фази 1. При цьому на індикатор виводиться буква «P». Прочитувані після цього коди ключів перевіряються на збіг з кодом майстер-ключа, так як тільки він може дозволити продовжити програмування. Якщо такий збіг сталося, то здійснюється перехід до фази 2. На індикатор виводиться номер поточного ключа, який кнопка NUMBER може змінювати. Якщо знову буде зареєстровано дотик ключа, то відбудеться перехід до фази 3. Ще один дотик ключа призведе до запам’ятовування його коду і до повернення до фази 2. Натискаючи кнопки NUMBER теж можна повернутися до фази 2, але без зміни вмісту пам’яті. Будь-яка дія в режимі програмування викликає перезавантаження таймера повернення, що має інтервал 5 секунд і перевіряється в основному циклі. Якщо буде виявлено обнулення цього таймера, то відбувається вихід з режиму програмування.

Рис. 3.2 — Блок-схеми підпрограм, що використовуються при програмуванні кода ключа Наведені на рис. 3.1 і 3.2 блок-схеми є сильно спрощеними, однак загальну логіку побудови програми вони зрозуміти дозволяють.

Описаний замок, звичайно, не володіє широким набором можливостей. Проте він дуже простий, що робить його доступним для виготовлення. Відкритий вихідний текст програми дозволяє робити удосконалення конструкції або адаптацію її до конкретних вимог.

Висновки

Згідно результатів дипломної роботи, можна зробити висновки, що розробка охоронного пристрою є доцільною та важливою роботою. Аналізуючи вище викладене, можна констатувати, що на даний час важливою є питання безпеки та збереження матеріальних цінностей. Спочатку подібні пристрої були більше «іграшками» для забезпечених людей, але поступово вони стають нормою і речами, що увійшли до вжитку і є необхідними для масових верств населення. Не дивлячись на все велику популярність систем безпеки, в місті не так багато підприємств, що займаються їх продажем, установкою і подальшим сервісним обслуговуванням. Існуючі підприємства вважають за краще працювати з великими замовниками (в основному, юридичними особами) тому для невеликих офісів, квартир, дач пропонується даний охоронний пристрій.

Необхідно зазначити, що розробці подібних пристроїв приділялась і приділяється значна увага, вони проектуються та розробляються кожен раз все більш досконалими та модифікованими.

В даному дипломному проекті описаний принцип роботи замка, показані його принципова та структурна схеми, наведені основні деталі необхідні для повноцінної роботи. В додатку наведено програмний код для контролера.

Отже, підсумовуючи вище сказане, використання охоронного присторою є доцільним і дає суттєвий техніко-економічний ефект для масового виробництва.

Розроблена мікропроцесорна система керування електронним замком повністю задовольняє поставленим вимогам. Здійснюється моніторинг та контроль зчитувачів та кнопки і виробляються відповідні сигнали в залежності від одержуваних даних. Реалізована можливість перезапису ключів типу iButton в пам’ять мікроконтролера.

Перелік скорочень, символів та спеціальних термінів

COM-порт — послідовний порт (англ. Serialport), серійний порт або COM-порт (вимовляється «ком-порт», від англ. Communicationport) — двонаправлений послідовний інтерфейс, призначений для обміну байтовою інформацією. електронний замок програма плата

Асемблер (англ. assembler) — загальноприйнята назва транслятора з автокоду. Асемблер переводить початкову програму, написану на автокоді, в переміщувану програму на мові машинній. Оскільки асемблер здійснює трансляцію на мову завантажувача, при завантаженні програми необхідне налаштування умовних адрес, тобто адрес, значення яких залежать від розташування даної програми в пам’яті ЦВМ і від її зв’язків з іншими незалежно трансльованими програмами.

Мікросхема (microcircuit) — електронна схема, що реалізована у вигляді напівпровідникового кристалу та виконує певну функцію.

МК — мікроконтролер (англ. microcontroller), або однокристальна мікроЕОМ — виконана у вигляді мікросхеми спеціалізована мікропроцесорна система, що включає мікропроцесор, блоки пам’яті для збереження коду програм і даних, порти вводу-виводу і блоки зі спеціальними функціями (лічильники, компаратори, АЦП та інші). Використовується для керування електронними пристроями. По суті, це — однокристальний комп’ютер, здатний виконувати прості завдання.

Список використаних джерел

1. «Электронные измерительные приборы и методы измерений». Ф. Мейзда. Издательство: «Мир», 1990.

2. Атамалян «Приборы и методы измерений электрических величин», Издательство «Дрофа», 2005.

3. Березуцький В. В. — Основи охорони праці.

4. Белевцев А. Т. «Монтаж радиоаппаратуры и приборов». Москва. «Высшая школа». 1982 год.

5. Бобкова О. В. Охорона праці і техніка безпеки. Забезпечення прав робітника. К: Омега-Л, 2009. — 345 с.

6. Браммер Ю. А., Пащук И. Н. Импульсные и цифровые устройства". Москва. «Высшая школа». 2003 год.

7. Вениаминов В. Н., Лебедев О. Н., Мирошниченко А. И. «Микросхемы и их применение». Москва. «Радио и связь». 1989 год.

8. Верховцев О. Г., Лютов К. П. Практические советы мастеру — любителю" (Электроника. Электротехника. Материалы и их применение). Санкт — Петербург. «ЭНЕРГОАТОМИЗДАТ». 1991 год.

9. Зюко А. Г., Кловский Д. Д., Назаров М. В., Финк Л. М. Теория передачи сигналов. М: Радио и связь, 2001 г. — 368 с.

10. Иванов В. И. Справочник по полупроводниковых электронных приборов — М.: Высшая школа, 2000. — 324 с.

11. Ильинский Н. Ф. Основы электропривода: Учебное пособие для вузов. — 2-е изд., перераб. и доп. — М.: Издательство МЭИ, 2003. — С. 220.

12. Колдунов А. С. «Радиолюбительская азбука» (Том 1, Цифровая техника). Москва. СОЛОН — Пресс. 2003 год.

13. Кудрявцев И. А. Фалкин В.Д. Электронные ключи: учеб. пособие. — Самара: Самар. гос.аэрокосм. ун-т., 2002. — 24 с.