Разработка кодового замка на MCS-51

• наличие параллельных портов ввода-вывода в количестве, достаточном для подключения всех устройств, входящих в структурную схему системы;
• достаточно высокая надёжность и стабильность работы;
• возможность работы в расширенном температурном диапазоне.

Для выполнения поставленной задачи подходят микроконтроллеры с архитектурой MCS-51, поскольку они доступны, относительно просты, и их возможностей вполне достаточно для обеспечения функционирования данного устройства.

Первым двум требованиям удовлетворяют все  производимые на данный момент микроконтроллеры с архитектурой MCS-51. Большинство моделей имеют модификации, рассчитанные на расширенный температурный диапазон. Исходя из этого, выбор производился из наиболее дешёвых изделий известных фирм, чтобы минимизировать стоимость системы. В итоге, был выбран микроконтроллер AT89S51 фирмы Atmel.

Корпорация Atmel (США), являясь на сегодняшний  день одним из признанных мировых  лидеров в производстве изделий  современной микроэлектроники, хорошо известна на российском рынке электронных  компонентов. Основанная в 1984 году, фирма Atmel определила сферы приложений для  своей продукции как телекоммуникации и сети, вычислительную технику и  компьютеры, встраиваемые системы контроля и управления, бытовую технику  и автомобилестроение.

Atmel выпускает  широкий спектр микроконтроллеров,  основанных на архитектуре MCS-51. Данная линейка микроконтроллеров включает изделия в корпусах стандартных типоразмеров с поддержкой функции внутрисистемного программирования, а также, производные разновидности микроконтроллеров (ROMLESS, ROM, OTP и FLASH) в малогабаритных корпусах с 20-ю выводами. Некоторые из устройств, также, имеют поддержку высокоскоростного (х2) режима работы ядра, который, по- требованию, удваивает внутреннюю тактовую частоту для CPU и периферийных устройств.

AT89S51 – экономичный высокопроизводительный КМОП 8-разрядный микроконтроллер с 4 кБ внутрисхемно программируемой флэш-памятью. Устройство производится с использованием технологии Atmel энергонезависимой памяти большой емкости и совместимо по системе команд и расположению выводов со стандартным микроконтроллером 80C51. Встроенная флэш-память может быть запрограммирована внутрисхемно или с помощью обычного программатора энергонезависимой памяти. За счет комбинации 8-разрядного ЦПУ с внутрисхемно программируемой флэш-памятью на одном кристалле AT89S51 от Atmel является мощным микроконтроллером, обеспечивающим высокую гибкость и рентабельность решений для многих задач встроенного управления.

AT89S51 (рисунок 2.6.1) имеет следующие стандартные характеристики: 4 кБ флэш-памяти, 128 байт ОЗУ, 32 линии ввода-вывода, сторожевой таймер, два указателя данных, два 16-разрядных таймера-счетчика, 5-векторная 2-уровневая система прерываний, полнодуплексный последовательный порт, встроенный генератор и схема тактирования. Кроме того, AT89S51 разработан со статической логикой для работы на частоте вплоть до 0 Гц и поддерживает два программно настраиваемых режима снижения энергопотребления:

В режиме холостого  хода (Idle) останавливается ЦПУ, но ОЗУ, таймеры-счетчики, последовательный порт и система прерываний продолжают функционировать. В экономичном  режиме (Power-down) сохраняется информация в ОЗУ, но остановлен генератор, выключены  все остальные функциональные блоки до внешнего запроса на прерывание или аппаратного сброса.

Отличительные особенности микроконтроллерa AT89S51:

- cовместимость с серией MCS-51;

- 4 кБ флэш-памяти с внутрисхемным программированием (ISP) Износостойкость: 1000 циклов записи/стирания;

- рабочий диапазон питания 4.0…5.5В;

- полностью статическое функционирование : 0 …33 МГц;

- три уровня защиты памяти программ;

- внутреннее ОЗУ размером 128 x 8;

- 32 программируемые линии ввода-вывода;

- два 16-разрядных таймера-счетчика;

- шесть источников прерываний;

- полнодуплексный канал последовательной связи на УАПП;

- режимы снижения потребления: холостой ход и экономичный;

- восстановление прерываний при выходе из экономичного режима;

- сторожевой таймер;

- двойной указатель данных;

- флаг выключения питания;

- быстрое время программирования;

- гибкое внутрисхемное программирование (побайтный или постраничный режимы) [5].

Структурная схема микроконтроллера [4] представлена на рисунке 2.6.2.

 

Рисунок 2.6.1 - Внешний вид и расположение выводов AT89S51

 

Назначение основных выводов микросхемы:

- VCC – напряжение питания;

- GND – земля;

- VDD – напряжение питания, подводимое только к ядру и встроенной памяти программ;

- P0,P1,P2,P3 – двунаправленные порты ввода-вывода;

- EA – доступ к внешней памяти;

- RxD – выход приёмника UART;

- TxD – выход передатчика UART;

- PSEN – переключатель разрешения внешней памяти;

- ALE – разрешение защёлкивания старшей части адреса при доступе к внешней памяти

- XTAL1, XTAL2 – выводы для подсоединения внешнего кварцевого резонатора;

- RESET – вход сброса [5].

 

Рисунок 2.6.2 – структурная схема микроконтроллера AT89S51

Микроконтроллер выпускается в нескольких вариантах [5] (таблица 2.6.1).

 

Таблица 2.6.1 – варианты исполнения микроконтроллера

Частота, МГц	Напряжение  питания, В	Код для заказа	Корпус	Температурный диапазон
24	4.0…5.5	AT89S51-24AC	44A	Коммерческий (0…+70°С)
		AT89S51-24JC	44J
		AT89S51-24PC	40P6
24	4.5…5.5	AT89S51-24AI	44A	Коммерческий (-40…+85°С)
		AT89S51-24JI	44J
		AT89S51-24PI	40P6
33	4.5…5.5	AT89S51-33AC	44A	Коммерческий (0…+70°С)
		AT89S51-33JC	44J
		AT89S51-33PC	40P6

 

 

Для выполнения поставленной задачи, как было сказано  выше, нам нужен микроконтроллер, рассчитанный на коммерческий диапазон температур

(-40…+85°С). Тип корпуса в данном случае роли не играет, так как в корпусе кодового замка входной двери дома достаточно места для расположения любого из них.

 

2.7 Выбор стабилизатора напряжения

 

Для питания микроконтроллера элементов необходим стабилизированный источник питания напряжением +5В. В качестве стабилизатора лучше всего использовать микросхему КР142ЕН5. Она обеспечивает достаточную стабильность выходного напряжения и осуществляет фильтрацию помех, амплитуда которых может достигать 1В. При установке ее на дополнительный радиатор максимальный ток нагрузки составляет около 2А. Помимо этого микросхема имеет защиту от короткого замыкания.

Серия КР142ЕН5 - трехвыводные стабилизаторы с фиксированным выходным напряжением в диапазоне от 5В до 27 В, могут найти применение в широком спектре радиоэлектронных устройств. Диапазон напряжений, перекрываемых данной серией стабилизаторов, позволяет использовать их в качестве источников питания, логических систем, измерительной техники, устройств высококачественного воспроизведения и других радиоэлектронных устройств. Несмотря на то, что основное назначение этих приборов - источники фиксированного напряжения, они могут быть использованы и как источники с регулированием напряжения и тока путем добавления в схемы их применения внешних компонентов. Внешние компоненты могут быть использованы для ускорения переходных процессов. Входной конденсатор необходим только в том случае, если регулятор находится на расстоянии более 5 см от фильтрующего конденсатора источника питания. Внешний вид и типовая схема включения приведены на рисунках 2.7.1 и 2.7.2 соответственно. Технические характеристики представлены в таблице 2.7.1.

Основные  особенности:

- Встроенная  защита от перегрева;

- Встроенный ограничитель тока КЗ;

- Коррекция зоны безопасной работы выходного транзистора;

- Диапазон температур хранения -55 ... +150С;

- Рабочий диапазон температур кристалла -45 ... +125С.

 

Рисунок 2.7.1 – Внешний вид и расположение выводов стабилизатора КР142ЕН5А

Назначение  выводов стабилизатора КР142ЕН5А:

- 1 – вход;

- 2 – общий;

- 3 – выход.

 

Рисунок 2.7.2 – Типовая схема включения стабилизатора

 

Таблица 2.7.1 - Электрические характеристики стабилизатора КР142ЕН5А:

Наименование	Обозначение	Условия измерения		Мин.	Тип.	Макс.	Единица измерения
Выходное напряжение	Vout	Tj=25°C		4.9	5.0	5.1	B
		7B<Vin<20B 5mA<Iout<1.0A Pt<15Вт		4.75	-	5.25	B
Нестабильность по входному напряжению	Vo line	Tj=25°C	7B<Vin<25B	-	3	100	mB
			8B<Vin<12B	-	1	50	mB
Нестабильность по току нагрузки	Vo load	Tj=25°C	5mA<Iout<1.5A	-	15	100	mB
			250mA< Iout<750mA	-	5	50	mB
Ток покоя	Iq	Tj=25°C,Iout=0		-	4.2	8.0	mA
Нестабильность  тока покоя	Iq	7B<Vin<25B		-	-	1.3	mA
		5mA<Iout<1.0A		-	-	0.5	mA
Выходное  напряжение шума	Vn	Ta=25°C, 10Гц<f<100кГц		-	40	-	mkB
Коэффициент подавления пульсации	Rrej	f=120Гц		62	78	-	дБ
Падение напряжения	Vdrop	Iout=1.0A, Tj=25°C		-	2.0	-	B
Выходное  сопротивление	Rout	f=1 кГц		-	17	-	мОм
Ток КЗ	Ios	Tj=25°C		-	750	-	mA
Максимальный  выходной ток	Io peak	Tj=25°C		-	2.2	-	A
Температурная нестабильность выходного напряжения	Vout Tj	Iout=5mA, 0°C<Tj<125°C		-	1.1	-	мВ/°C

 

3. Построение принципиальной электрической схемы

3.1 Сопряжение микроконтроллера и клавиатуры

 

В данном устройстве используется динамический опрос клавиатуры, так как выбранная двенадцатикнопочная  клавиатура имеет всего семь выводов  и подключить каждую кнопку к отдельному выводу порта микроконтроллера не представляется возможным, хотя микроконтроллер и  имеет достаточное количество свободных  портов. Кроме того, такой способ включения упрощает схему и уменьшает  число портов, занятых клавиатурой (рисунок 3.1.1).

 

Рисунок 3.1.1 - Схема сопряжения МК и клавиатуры

 

Для работы с  клавиатурой используются 7 выводов  порта P0. Все четыре ряда кнопок опрашиваются по очереди. Для опроса первого ряда на выводах P0.1-P0.3 программно устанавливаются единицы, а на выводе P0.0 – ноль. Теперь если нажать любую кнопку первого ряда, вывод P0.0 замкнётся с выводом P0.4, P0.5 или P0.6, и на нём установится ноль. Если ни одна кнопка не нажата, на выводах P0.4, P0.5 и P0.6 будет единица за счёт подтягивающих резисторов R6-R8, которые создают на выводах высокий потенциал. Резисторы возьмём равными 4,7КОм. Аналогично опрашиваются оставшиеся три ряда кнопок на клавиатуре. При нажатии на кнопку имеет место явление дребезга контактов, однако эту проблему можно решить программно. Для этого при нажатии кнопки вводится задержка, по длительности равная переходному процессу в цепи, что позволяет избежать ложных срабатываний кнопок. Величина задержки подбирается экспериментально для каждого типа оборудования. Для примера будем используется задержка длительностью 5 мс. У такого способа есть недостаток – он замедляет работу программы, однако в данном случае это не имеет значения, так как для выполнения поставленной задачи не требуется большое быстродействие. За те 5 мс, которые программа ждёт, пользователь просто не успеет нажать на другую кнопку.

 

3.2 Сопряжение микроконтроллера и исполнительного элемента электромеханического замка

 

Для коммутации цепи питания привода электромеханического замка используются NPN-транзистор Q1 и оптопара OC1 (рисунок 3.2.1). Таким образом обеспечивается замыкание цепи с большими токами и напряжениями и гальваническая развязка цепей микроконтроллера и привода замка. Здесь используется широко распространённый транзистор отечественного производства КТ815А, характеристики которого (таблица 3.2.1) удовлетворяют требуемым (напряжение 12В и ток 0,5А) с некоторым запасом.

 

Таблица 3.2.1 – Параметры транзисторов серии КТ815

Наимен.	тип	Uкб,В	Uкэ, В	Iкmax(и), мА	Pкmax(т), Вт	h21э	Iкбо, мкА	fгр., МГц	Uкэн, В
КТ815А	n-p-n	40	30	1500(3000)	1(10)	40-275	50	3	<0.6
КТ815Б		50	45	1500(3000)	1(10)	40-275	50	3	<0.6
КТ815В		70	65	1500(3000)	1(10)	40-275	50	3	<0.6
КТ815Г		100	85	1500(3000)	1(10)	30-275	50	3	<0.6

 

Оптопара подключается к порту P0.0 микроконтроллера через резистор R2, ограничивающий ток. Входное напряжение оптопары 1,3В при токе 25 мА, значит, падение напряжения на резисторе должно быть (5-1,3)В=3,7 В. Тогда номинал сопротивления будет 3,7В/0,025А=148 Ом. Ближайшее значение ряда номинальных сопротивлений 150 Ом. Выходной каскад оптопары открывается низким уровнем на выводе микросхемы и закрывается высоким. Когда он открыт, напряжение подаётся на базу транзистора Q1 и он открывается, замыкая цепь привода замка. Рассчитаем сопротивление резистора R3. Для этого воспользуемся законом Ома [7]. Через цепь коллектор-эмиттер протекает ток 0,5А. Коэффициент передачи транзистора по току равен 40, значит ток база-эмиттер будет равен 0,5А/40=0,0125А. На базу подаётся 5В, а на базовом переходе транзистора падает 1,2В, поэтому сопротивление резистора будет равно (5-1,2)В/0,0125А=304 Ом. Возьмём резистор на 300Ом. Для того чтобы транзистор самопроизвольно не открываться обратным током коллектора, ставится шунтирующий резистор R10. Пусть через него протекает ток, в три раза меньший, чем ток базы транзистора. Падение напряжения на базовом переходе 1,2В. Тогда сопротивление R10 будет равно 1,2В/(0,0125А/3)=288 Ом. Используем резистор 270 Ом. Так как привод замка основан на индуктивности, то по закону электромагнитной индукции при коммутации в ней возникают обратные токи. Диод D2 шунтирует индуктивность в обратном направлении и препятствует появлению обратных токов в цепи. По своим характеристикам нам подходит диод КД208А. Его максимальное обратное напряжение 100 В, прямой ток 1 А.

Рисунок 3.2.1 - Схема сопряжения микроконтроллера и исполнительного элемента электромеханического замка

 

3.3 Сопряжение микроконтроллера и устройства сигнализации открытия двери

 

Зелёный светодиод D3 подключается к порту P2.2 микроконтроллера через ограничивающий резистор R4 (рисунок 3.3.1). Диод включается высоким уровнем сигнала на выводе. Максимальное прямое напряжение на диоде 2,8В при токе 10мА. Как раз такой ток способен обеспечить один вывод порта этого микроконтроллера. Сопротивление резистора будет равно (5-2,8)В/0,01=220Ом

 

Рисунок 3.3.1 - Схема сопряжения МК и светодиода

 

3.4 Сопряжение микроконтроллера и устройства звуковой сигнализации

 

Пьезоэлектрический  излучатель звука LS1 подключается к выводу P2.1 микроконтроллера через резистор R5, ограничивающий ток, и включается при появлении сигнала высокого уровня на выводе микросхемы. Напряжение питания динамика 1,5-24В, возьмём 3В. Максимальный ток 3,8мА. Сопротивление резистора будет равно (5-3)В/0,0038А=526,32Ом. Используем резистор 530Ом.