Разработка кодового замка на MCS-51

РЕФЕРАТ

 

Курсовой  проект состоит из 39 страниц, содержит 13 таблиц и 18 рисунков. Использовано 7 источников.

Ключевые  слова: КОДОВЫЙ ЗАМОК, МИКРОКОНТРОЛЛЕР, КЛАВИАТУРА, ДАТЧИК, СВЕТОДИОД, ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ СХЕМА, ПРОГРАММА.

Цель: спроектировать кодовый замок на основе микроконтроллера с архитектурой MCS-51, разработать функциональную схему устройства, написать программу для микроконтроллера.

Результат проектирования: был спроектирован кодовый замок, обладающий возможностью звуковой сигнализации о попытке подбора кода.

 

ВВЕДЕНИЕ

 

Кодовые замки  являются эффективным средством  предотвращения доступа посторонних  лиц к охраняемым помещениям. К их достоинствам можно отнести простоту в обращении, надёжность, возможность обеспечить высокую степень защиты, относительную лёгкость смены кода (по сравнению со сменой обычного механического замка). Также немаловажными являются отсутствие необходимости изготовления ключей при предоставлении доступа большому количеству людей и невозможность физической потери ключа. Недостатком таких систем можно назвать возможность для злоумышленника подсмотреть код или подобрать его. Однако, при большой разрядности кода или наличии конструктивных особенностей, препятствующих подбору кода, таких как ограничение количества попыток или введение временной задержки между неудачными попытками, эта задача сильно затрудняется, поэтому последний недостаток нельзя назвать существенным. В данном курсовом проекте осуществляется разработка электронного кодового замка для наружной двери жилого дома с использованием микроконтроллера. Одним из требований является осуществление сигнализации при попытке подбора кода.

 

1. Разработка структурной схемы

Рассмотрим  специфику данной задачи. Кодовый замок должен обеспечивать управление исполнительным устройством электромеханического замка, то есть должен управлять подачей напряжения, обеспечивающего отпирание двери. Предполагается, что замок открывается наличием напряжения на исполнительном устройстве и закрывается его отсутствием. Поэтому в системе должен присутствовать датчик открытия двери, чтобы можно было определить, когда дверь открыта, и подача питания уже не требуется.

Когда пользователь вводит верный код, он должен быть извещён  о том, что замок открыт, и дверь можно открывать, то есть должна присутствовать индикация факта открытия замка.

При последовательных попытках подбора кода замка жителям  дома будет полезно узнать об этом, будь то злоумышленник, пытающийся проникнуть в помещение или жилец, который забыл или не в состоянии набрать верный код. Таким образом, система должна сигнализировать о попытке подбора кода после определённого числа неудачных попыток.

Кодовый замок  представляет собой систему, отказ  или сбои в работе которой могут  привести к возникновению серьёзных  трудностей и неудобств у владельца  охраняемого помещения, поэтому  система должна быть надёжной и обеспечивать стабильную работу.

Учитывая  то, что замок устанавливается  на наружной двери дома, он должен быть способен функционировать в широком  диапазоне температур.

Исходя из требований, предъявленных к устройству выше, электронный кодовый замок должен включать в себя следующие элементы:

• микроконтроллер;
• клавиатура;
• исполнительный элемент электромеханического замка;
• устройство сигнализации об открытии двери;
• устройство сигнализации о попытке подбора кода;
• датчик открытия двери.

Взаимодействие  элементов изображено на структурной схеме устройства (Рисунок 1.1).

 

Клавиатура

Устройство сигнализации о попытке  подбора кода

 

Исполнительный элемент электромеханического замка

 

Устройство сигнализации об открытии двери

 

Датчик открытия двери

 

Микроконтроллер

Рисунок 1.1 - Структурная схема устройства

 

2. Выбор и обоснование элементной базы

2.1 Выбор исполнительного элемента электромеханического замка

В настоящее  время на рынке представлено большое  количество различных электрозамков. Электрозамки управляются дистанционно, путем подачи напряжения, и могут быть использованы совместно с аудио- и видеодомофонами любых типов, кодовыми панелями, считывателями магнитных карт и электронных ключей и т.п. Электрозамки могут применяться для построения "шлюзовых" систем из двух и более дверей, а также в любых других случаях, когда необходимо дистанционно открывать дверь.

Различают два  основных класса электрозамков: электромагнитные и электромеханические. Электромагнитные замки - это электромагнит в чистом виде: при подаче на него напряжения ответная механическая планка притягивается. Если нет напряжения, то нет и  удержания.

За счет отсутствия механически перемещающихся деталей  и простоты конструкции электромагнитные замки имеют самую высокую  надежность. Усилие отрыва для электромагнитных замков исчисляется несколькими  сотнями килограмм.

К недостаткам  электромагнитных замков можно отнести  то, что они открываются при  отсутствии напряжения.

Часто электромагнитные замки используются в составе  многоквартирных аудиодомофонных  систем. В этом случае, он открывается  кодом с вызывной панели или с  трубки из квартиры, либо просто кнопкой внутри подъезда перед выходом.

В отличие  от электромагнитных, электомеханические замки работают не непрерывно, а  в импульсном режиме, то есть напряжение на замок подается кратковременно при  его открытии, а все остальное  время замок обесточен. При отсутствии напряжения открыть электромеханические  замки изнутри можно расположенной  на них механической кнопкой, а снаружи - ключом, который входит в комплект поставки. Конструктивно электромеханические замки бывают накладные и врезные.

Для питания  электромеханических замков не обязательно  использовать стабилизированное напряжение, но необходимо обратить внимание, чтобы  источник питания был рассчитан  на достаточно большие токи, необходимые  для открытия электромеханических  замков.

Для запирания  двери жилого дома наиболее целесообразно использовать электромеханический замок, предназначенный для наружных дверей помещений. Рассмотрим электромеханический замок “ПОЛИС-13” отечественной фирмы “Оника”. Внешний вид замка показан на рисунке 2.1.1, его технические характеристики [2] – в таблице 2.1.1.

 

Рисунок 2.1.1 – Внешний вид замка “ПОЛИС-13”

 

Таблица 2.1.1 – Технические характеристики замка “ПОЛИС-13”

Напряжение питания	12 В
Ток потребления	0.5 А
Диаметр засовов	18 мм
Ход засовов	17 мм
Габаритные размеры корпуса	140x92x30 мм
Масса	1.4 кг
Рабочий диапазон температур	-40...+60 град С

 

Для открытия замка необходимо подать на него напряжение 12В, при этом потребление тока составит 0,5А. При отключении напряжения замок закрывается под действием пружины. Микроконтроллер, непосредственно, не способен производить коммутацию цепей с большими напряжениями и токами. Кроме того, необходимо обеспечить гальваническую развязку выводов микроконтроллера и цепи привода замка. Для этих целей можно использовать оптопару с выходным каскадом на оптотиристоре, которая будет коммутировать напряжение в цепи базы npn транзистора. При подаче напряжения транзистор откроется и замкнёт цепь питания замка. По своим характеристикам нам подойдёт оптопара отечественного производства АОУ163А. Её характеристики приведены в таблице 2.1.2 [1].

 

Таблица 2.1.2 – Технические характеристики оптопары АОУ163А

Количество каналов	1
Постоянное прямое входное напряжение Uвх., В	1.3
при входном токе Iвх., мА	10
Максимальный входной ток Iвх.макс., мА	25
Выходной каскад	оптотиристор
Максимальный выходной ток Iвых.макс., мА	100
Максимальное выходное коммутируемое  напряжение Uвых.ком.макс.,В	400
Сопротивление изоляции между входной  и выходной цепями, ГОм	100
Максимальное напряжение изоляции, В	1500
Рабочая температура, С	-45...85

 

2.2 Выбор клавиатуры

 

Клавиатура  является важной частью кодового замка, и должна быть устойчива к неблагоприятным  воздействиям окружающей среды и действиям злоумышленников, особенно если замок устанавливается на наружной двери дома. В данном устройстве используется клавиатура AK-207 фирмы Accord, выполненная из металла и имеющая защиту от влаги. Внешний вид клавиатуры представлен на рисунке 2.2.1, технические характеристики клавиатуры – в таблице 2.2.1 [3]. В таблице 2.2.2 приводится назначение контактов клавиатуры [3].

Таблица 2.2.1 - Технические характеристики клавиатуры AK-207

Контакты	20 мA, 24 В
Сопротивление контактов	200 Ом макс.
Ресурс нажатий на каждую кнопку	1000000
Рабочая температура, С	от -20 до +60
Температура хранения, С	от -40 до +65

 

Рисунок 2.2.1 – Внешний вид клавиатуры AK-207

 

Таблица 2.2.2 - Назначение выводов клавиатуры

Номер вывода	Назначение
1	Колонка 2
2	Ряд 1
3	Колонка 1
4	Ряд 4
5	Колонка 3
6	Ряд 3
7	Ряд 2

 

2.3 Выбор устройства сигнализации открытия двери

 

Для извещения  пользователя о том, что дверь  открыта, будет использоваться световая сигнализация. Для этого подойдёт светодиод зелёного цвета АЛ336И. Его технические характеристики представлены в таблице 2.3.1 [1].

 

Таблица 2.3.1 – Характеристики светодиода АЛ336И

Материал	GaP
Цвет  свечения	зеленый
Длина волны, нм	563
Минимальная сила света Iv мин., мКд	20
при токе Iпр., мА	10
Видимый телесный угол, град	5
Форма линзы	круглая
Максимальное  прямое напряжение, В	2.8
Максимальное обратное напряжение, В	2
Максимальный  импульсный прямой ток, мА	60
Рабочая температура ,С	-60...70

 

2.4 Выбор устройства сигнализации о попытке подбора кода

 

При попытке  подбора кода замка для уведомления  об этом жильцов дома целесообразно  использовать звуковой сигнал. Для этого можно использовать излучатель звука со встроенным генератором рабочей частоты. Такое устройство не требует подачи на вход высокочастотного сигнала для его работы. Достаточно просто обеспечить напряжение питания. Пьезоэлектрический излучатель звука SMA-21-P10 фирмы Sonitron обладает подходящими характеристиками [1] (таблица 2.4.1). Внешний вид устройства показан на рисунке 2.4.1.

 

Таблица 2.4.1 – Характеристики излучателя звука SMA-21-P10

Тип	пьезоэлектрический
Встроенный  генератор	есть
Частота, Гц	3300
Номинальное рабочее напряжение, В	1.5-24
Максимальный  ток , мА	3.8
Интенсивность звука, дБ	85
Толщина корпуса h, мм	9
Диаметр(ширина) корпуса d, мм	21
Рабочая температура, С	-20...70

 

Рисунок 2.4.1 – Внешний вид излучателя звука SMA-21-P10

2.5 Выбор датчика открытия двери

 

Для определения момента открытия двери будет использоваться контактный герконовый датчик фирмы Aleph. В номенклатуре Aleph представлены герконы различного применения: накладные или врезные на деревянные и металлические двери, с различным максимальным зазором между контактами. Тип контактов у всех моделей — нормально замкнутые. Рассмотрим характеристики датчиков данной фирмы, представленные в таблицах 2.5.1, 2.5.2 и 2.5.3.

 

Таблица 2.5.1 - Технические характеристики датчика DC-1523

Габаритные  размеры, мм.	Геркон: 60х14х13
Зазор мм.	15
Коммутируемое напряжение	130В, 0,5А, 10Вт
Примечание	Для деревянных дверей

 

 

Таблица 2.5.2 - Технические характеристики датчика DC-1811

Габаритные  размеры, мм.	Геркон: 31х25 (диаметр)
Зазор мм.	35
Коммутируемое напряжение	28 В, 0,5 А, 3 Вт
Примечание	Для металлических дверей

 

Таблица 2.5.3 - Технические характеристики датчика  DC-2541

Габаритные  размеры, мм.	Геркон: 61х18х15
Зазор мм.	22
Коммутируемое напряжение	28 В, 0,5 А, 3 Вт
Примечание	Для деревянных и металлических дверей

 

Для этой цели нам подходит датчик DC-2541 (рисунок 2.5.1). Его технические характеристики приведены в таблице 2.5.3.

 

Рисунок 2.5.1 – Внешний вид датчика DC-2541

 

2.6 Выбор микроконтроллера

 

Основными требованиями, предъявляемыми к микроконтроллеру в этом проекте, являются: