Кодовый замок и система охраны с цифровым индикатором (ATtiny2313)

В статье представлено устройство, которое реализует функции электронного кодовогозамка и охранного устройства. Поясняется алгоритм работы устройства в целом, подробно рассматриваются функциональные узлы и программное обеспечение.

В периодической печати, литературе, интернете имеется множество конструкций кодовых замков и охранных устройств самого различного назначения. Представленное устройство совмещает функции кодового замка и охранного устройства. Конструкция устройства состоит из трех функциональных узлов:

• плата кодового замка (далее ПКЗ),
• трех плат охранного устройства (далее ПОУ №1, ПОУ №2, ПОУ №3),
• модуля управления соленоида (далее МУС).

Платы ПОУ №1, №2, №3 - совершенно одинаковые по алгоритму работу, схемотехники, конструкции.

То есть пользователь с одного пульта (в данном случае с платы кодового замка) может управлять кодовым замком и охранным устройством. Закрывая за собой дверь, можно охраняемое помещение сразу поставить под охрану (включить сигнализацию).

Особенностью ПКЗ является то, что к нему можно подключить ПОУ. Принципиальная схема ПКЗ представлена на рис. 1. Принципиальная схема ПОУ представлена на рис. 2. Принципиальная схема МУС представлена на рис. 3. На рисунке 4 представлена схема подключения составных частей к ПКЗ.

Схема кодового замка

Рассмотрим основные, функциональные узлы ПКЗ. Рабочая частота микроконтроллера DD2, задается генератором с внешним резонатором ZQ1 на 10.000 МГц. Порт PD микроконтроллера DD2 управляет динамической индикацией.

Динамическая индикация собрана на транзисторах VT1...VT5, цифровых, семисегментных индикаторах HG1...HG5. Резисторы R3...R10 - токоограничительные для сегментов индикаторов HG1... HG5. Коды для включения вышеуказанных индикаторов при функционировании динамической индикации поступают в порт РВ микроконтроллера DD2.

Для функционирования клавиатуры задействован вывод 8 (PD4) микроконтроллера. Сразу после подачи питания на выводе 1 микроконтроллера DD1 через RC-цепь (резистор R2, конденсатор С3) формируется сигнал системного аппаратного сброса для микроконтроллера DD2. На дисплее ПКЗ индицируется число 00001. Питающее напряжение +5В поступает на устройство с соединителя Х3.

Конденсатор С6 фильтрует пульсации в цепи питания +5 В. Блокировочный конденсаторы С4, С5 стоят по цепи питания регистра DD1 микроконтроллера DD2 соответственно. Регистр DD1 задействован для увеличения количества выводных линий. В ПКЗ имеются 7 независимых каналов: канал №1... №7.

Как уже упоминалось выше для канала №1 нужно ввести эталонный код №1, для канала №2 нужно ввести эталонный код №2 и т. д. Выходной сигнал канала №1 поступает на контакт 1, соединителя. Выходные каналы сигналов сразу после подачи питания имеют уровень лог.1. Интерфейс устройства включает в себя: индикацию (дисплей) из цифровых семисегментных индикаторах HG1...HG5, и клавиатуру -кнопки S1...S8. Кнопки клавиатуры устройства имеют следующее назначение:

• S1...S6 - кнопки для ввода кода доступа. Данные кнопки обозначены цифрами от "1" до "6". Вводимый код индицируется на дисплее устройства;
• S7 ( К) - кнопка выбора каналов №1...№7. Если выбран канал №1 на индикаторе HG5 индицируется цифра "1", если выбран канал №2 на индикаторе HG5 индицируется цифра "2" и т. д.
• S8( 3/Р ) - кнопка выбора режима работы: "запись" или "рабочий режим" для каналов №1...№7. В режиме "запись" на дисплее в четвертом разряде (индикатор HG4) будет индицироваться точка h.

На 5 разрядном дисплее отображается вводимый код и число (разряд HG5), которое определяет активированный канал. Всего в алгоритме работы ПКЗ можно выделить 14 режимов работы. Приведем их.

• Режим №1 - режим ввода рабочего кода №1. В случае совпадении рабочего( вводимого) и эталонного кодов сигнал КАНАЛ №1 (контакт 1, соединитель X1) на 5 с устанавливается уровень лог.0.
• Режим №2...№7- данные режимы поалгоритму работы аналогичны режиму №1. Режим №2 для сигнала КАНАЛ №2, режим №3 для сигнала КАНАЛ №3 и т. д.
• Режим №8 - режим ввода (записи) эталонного кода №1. В данном режиме канала №1 эталонный код записывается в EEPROM микроконтроллера.
• Режим №9 ...№14 - данные режимы по алгоритму работы аналогичны режиму №8. Режим №9 для канал №2, режим №10 для канал №3 т. д.

Рис. 1. Принципиальная схема кодового замка на микроконтроллере ATtiny2313.

Алгоритм работы ПКЗ следующий. В рабочем режиме, сразу после подачи питания, на дисплее индицируется число 00001. Микроконтроллер DD1 ждет ввода четырехразрядного кода. Вначале необходимо записать эталонный код для каждого канала.

Кнопкой S8( 3/Р ) выбираем режим "запись".

Вводимый с клавиатуры код для канала №1, микроконтроллер индицирует на дисплее и записывает в ОЗУ. После ввода четырехразрядного кода, необходимо нажать любую кнопку из S1...S6. Код индицируемый на дисплее запишется в EEPROM-память микроконтроллера и будет эталонным для канала №1. После записи на дисплее снова в разрядах HG1...HG4 индицируются нули.

Кнопкой S7 (К) выбираем канал и проделываем аналогичные операции как для канала №2 и т. д.. Для выхода из режима записи нужно нажать кнопку S8, точка h в четвертом разряде (индикатор HG4) - погаснет. Устройство готово к работе. В таблице 1 приведено функциональное назначение каждого канала ПКЗ в устройстве.

Микроконтроллер ждет ввода четырехразрядного кода. Пусть выбран канал №1. Вводимый с клавиатуры четырехразрядный код, микроконтроллер индицирует на дисплее и записывает в ОЗУ.

После ввода пятого разряда (после ввода четвертого разряда нужно нажать любую кнопку из S1... S6), микроконтроллер побайтно сравнивает его с четырехразрядным кодом, записанным в EEPROM- памяти микроконтроллера (будем называть этот код - эталонным). Если в рабочем режиме вводимый код совпал с эталонным кодом, то микроконтроллер на пять секунд подает сигнал на включение канала (устанавливает лог.

О в выходном сигнале канала) и обнуляет дисплей. Через пять секунд микроконтроллер выключает механизм открывания замка (устанавливает лог.

1 на выводе 11 микроконтроллера) и обнуляет на дисплее разряды вводимого кода. Если вводимый код не совпал с эталонным кодом, то микроконтроллер сразу обнуляет дисплей (на дисплее индицируется число 00001) и не изменяет состояние выходного сигнала канала. Совершенно аналогично работают другие каналы для управления ПОУ №1, ПОУ №2, ПОУ №3.

Таблица 1.

№ канала	Сигнал	Функциональное назначение
Канал №1	Упр. КЗ	Управление кодовым замком
Канал №2	Охрана 1	Поставить под охрану ПОУ №1
Канал №3	Снять охр 1	Снять с охраны ПОУ №1
Канал №4	Охрана 2	Поставить под охрану ПОУ №2
Канал №5	Снять охр 2	Снять с охраны ПОУ №2
Канал №6	Охрана 3	Поставить под охрану ПОУ №3
Канал №7	Снять охр 3	Снять с охраны ПОУ №3

Целесообразно, чтобы доступ к кнопке S8 был ограничен.

В программе используются два прерывания: Reset и прерывание таймера ТО, обработчик которого начинается с метки ТІМ0. При переходе на метку Reset инициализируются стек, таймер, порты, а так же флаги и переменные используемые в программе.

В обработчике прерывания таймера ТО осуществляется: процедура опроса кнопок S1...S8, функционирование динамической индикации, перекодировка двоичного числа в код для отображения информации на семисегментнных индикаторах устройства, а так же временной интервал длительностью пять секунд, необходимый для изменения выходных сигналов каналов (установка сигнала уровня логического 0 на выводах соединителя XI) и процедуры записи и чтения набранного кода в EEPROM-память микроконтроллера.

В ОЗУ микроконтроллера с адреса по адрес организован буфер отображения для динамической индикации. По адресу находится число, определяющее номер канала. С адреса по адрес -вводимый код. Эталонный код из EEPROM микроконтроллера переписывается в ОЗУ микроконтроллера по адресам с по адрес .

Флаги, задействованные в программе, находятся в регистрах R19 (flo) и R25 (flo1). На рис. 5 приведен фрагмент программы записи эталонного кода для канала №7.

Схема охранного устройства

Алгоритм работы ПОУ № 1 (принципиальная схема рисунок 2) следующий. Внешними (выносными) элементами по отношению к ПОУ являются семь концевых выключателей (S1...S7), которые позволяют контролировать состояние семи дверей с помощью индикаторов HL2...HL8. Один концевой выключатель контролирует состояние одной двери.

Если дверь закрыта - концевой выключатель разомкнут. Соответствующий индикатор - не горит (погашен).

Рис.2. Принципиальная схема охранного устройства.

Рис. 3. Схема электронного ключа для задвижки (на ток до 15А).

Если дверь открыта - концевой выключатель замкнут. Соответствующий индикатор - периодически мигает. В интерфейс контроля и управления ПОУ входят: тумблер SA1, индикаторы HL1... HL9. Конструктивно, все вышеуказанные элементы целесообразно разместить на отдельной панели управления устройства.

Элементы интерфейса управления ПОУ имеют следующее назначение:

• SA1 - тумблер включения сигнализации. При установке данного тумблера в положение "ВКЛ" - устройство ставится под охрану. Устройство ставится под охрану, через ~ 10 сек. с момента установки тумблера SA1 в положение "ВКЛ" из положения "ВЫКЛ". После установки устройства под охрану, сигнализация срабатывает через ~ 10 сек с момента замыкания любого концевого выключателя S1...S8;
• HL1 - индикатор активации режима охраны. Если устройство находится в режиме "охрана", данный индикатор - горит, если в режиме " контроль состояния дверей" данный индикатор - погашен;
• HL9 - функциональный индикатор микроконтроллера DD1. Данный индикатор периодически мигает, сразу после подачи питания на устройство. Мигающий индикатор HL9 указывает на то, что микроконтроллер DD1 "не завис", а функционирует по заданному алгоритму.

ПОУ построена на микроконтроллере DD1, рабочая частота которого задается генератором с внешним резонатором ZQ1 на 10 МГц. К порту РЗ микроконтроллера DD1 подключены тумблер SA1, пьезоэлектрический излучатель ВА1, индикатор HL1, ключи на транзисторах VT1...VT4. К порту Р1 микроконтроллера DD1 подключены концевые выключатели S1...S7 и индикаторы HL2...HL9.

Питание на данные индикаторы поступает через ключ на транзисторе VT5, который управляется с вывода 19 микроконтроллера DD1. Резисторы R13...R20 - токоограничительные для, индикаторов HL2...HL25. Резистор R10 - токоограничительный для индикатора HL1.

Реле К1, К2 управляются соответственно с выводов 2, 3 DD1.

Спустя 10 сек с момента подачи лог. 0 на вывод 3 микроконтроллера DD1- ПОУ ставится под охрану. Для этого необходимо установить тумблер SA1 в положение "ВКЛ" или установить прямой выход D-триггера DD2( вы вод 5 DD2) в лог. 0. Рассмотрим работу устройства в данном режиме.

Если включится любой из концевых выключателей S1...S7 ( будет открыта любая дверь) то на соответствующем выводе порта Р1 микроконтроллера DD1 будет присутствовать сигнал уровня логического 0. Через ~ 10 сек. с момента замыкания концевого выключателя включится звуковая сигнализация (пьезоэлектрический излучатель ВА1).

При этом на выводе 3 микроконтроллер DD1 установит уровень логического 0 (Включится реле К2). Реле К1 будет периодически включаться и выключаться с периодом ~ 1 сек ( на выводе 2 микроконтроллера DD1 выходной сигнал будет иметь форму меандра).

Сигнализация включится и в том случае если любой из концевых выключателей S1...S7 включится на короткое время (например, открыть и тут же закрыть дверь форточку). Сигнализация выключается установкой тумблера SA1 в положение "ВЫКЛ" или установкой прямого выхода D-триггера DD2 в лог. 1. Доступ к тумблеру SA1 целесообразно ограничить.

Пусть тумблер SA1 установлен в в положение "ВЫКЛ. Тогда при открывании дверей будут только периодически мигать соответствующие индикаторы. При этом, при открывании одной двери, в течении 2 сек. будет работать звуковая сигнализация (пьезоэлектрический излучатель ВА1).

К контактам реле К1, К2 можно подключить различные исполнительные механизмы или их цепи управления (механизм блокировки дверей, ревун и т. д.). Разработанная программа на ассемблере занимает всего-то порядка 0,4 КБайт памяти программ микроконтроллера.

Связка модулей

Рассмотрим теперь алгоритм работы ПКЗ с ПОУ №1 (далее ПОУ). ПОУ подключена к ПКЗ в соответствии с схемой подключения (рисунок 4). Тумблер SA1 ПОУ установлен в положение "ВЫКЛ". Сразу после подачи питания сигнал с RC-цепочки (R9, С1) устанавливает прямой выход D-триггера (выв. 5 DD2) в лог. 1. Сигналы на контактах соединителя XI "охрана 1" и "снять охр. 1" имеют уровень лог. 1. На дисплее ПКЗ индицируется число 0001.

Для постановки ПОУ под охрану необходимо набрать код постановки под охрану ПОУ на клавиатуре ПКЗ. И если код набран верно (совпал с эталонным) на 5 сек сигнал "охрана 1" устанавливается в лог. 0. Этот сигнал устанавливает прямой выход D-триггера DD1 в лог. 0. С этого момента через ~10 сек. ПОУ переходит в режим охраны. При этом на выводе 3 регистра DD2 в режиме охраны постоянно присутствует сигнал уровня лог. 1.

Рис. 4. Схема подключения модулей кодового замка и охранного устройства в систему.

Для снятия с охраны, необходимо на клавиатуре ПКЗ набрать код снятия с охраны ПОУ. И если код набран верно, (совпал с эталонным) на 5 сек сигнал "снять охр. 1" устанавливается в логический 0. Этот сигнал устанавливает прямой выход D-триггера DD2 (выв. 5 DD2) в лог. 1. Микроконтроллер DD1 ПОУ сразу отключает звуковую сигнализацию (если она была включена) и исполнительное устройство подключенное к реле К1. Совершенно аналогично ставится и снимается с охраны ПОУ №2, ПОУ №3.

Разработанная программа на ассемблере для ПКЗ занимает всего порядка 0,7 Кб памяти программ микроконтроллера. Применены резисторы типа С2-ЗЗН подойдут любые другие с такой же мощностью рассеивания и погрешностью 5 %. Конденсаторы С1...С6, типа-К10-17а, С7 -К50-35. Соединитель X1 вилка типа WF-2. Соединитель X1 типа WF-10 (ответная часть - розетка HU-10).

Конденсатор С4 устанавливается между цепью +5V и общим проводником регистра DD1, соответственно С5 устанавливается между цепью +5V и общим проводником микроконтроллера DD1. Индикаторы FIG1...FIG4 типа HDSP-F501 зеленого цвета. Если нет необходимости в визуальном контроле на дисплее набираемого кода, то индикаторы HG1...HG4, транзисторы VT1...VT4 и резисторы R3...R20 вообще можно исключить. На работу устройства это не как не повлияет.

Рис. 5. Фрагмент программы записи эталонного кода для канала №7

Схема МУС для втягивания ригеля (задвижки) замка приведена на рисунке З. Схема построена на базе транзистора 2Т825А2 (максимальный ток коллектора до 15 А, корпус ТО-220) и транзисторной оптопары ЗОТ110Б. ЕІапряжение питания 24В. Конденсатор С1, типа К50-35.

В общем случае, схемное решение, для управления ригеля (задвижки) замка может быть другим и определяется параметрами исполнительных устройств подключенных к МУС.

Представленное устройство и его составные части, не требует никакой настройки и наладки. При правильном монтаже все начинает работать сразу, после подачи на него напряжения питания.

Прошивка и ПО для микроконтроллера: Скачать (6КБ).

Шишкин С. В. РК-2016-04.

Литература:

1. С. В. Шишкин. Кодовый замок на базе микроконтроллера ATMEGA8535. Р2010-10.
2. С. В. Шишкин. Защита программного обеспечения устройств разработанных на базе микроконтроллеров с EEPROM-памятью. РЛЦ2013-1.