Опис принципу роботи принципової схеми виробу
Кодовий замок, на базі мікроконтролера ATtiny2313, з джерелом безперебійного живлення. Замок і джерело безперебійного живлення являє собою функціонально закінчені пристрої. Автор досить докладно пояснює алгоритм роботи пристроїв, схемотехнику і програмне забезпечення.
Репрезентована пристрій складається з трьох основних функціональних вузлів: кодового замка, джерела безперебійного живлення та плати соленоїда. Програмні і апаратні ресурси мікроконтролера ATtiny2313 дозволяють розробити нескладний, досить функціональний електронний, кодовий замок з простим і зручним інтерфейсом. Принципова схема функціональної частини схеми замку наведена на рис. 1.
Схема джерела безперебійного живлення представлена на рис. 2.
Схема плати соленоїда з робочою напругою + 24В представлена на рис. 3.
Кодовий замок (далі замок) і джерело безперебійного живлення (далі ДБЖ) являють собою функціонально закінчені, незалежні пристрою. Джерело безперебійного живлення забезпечує електроживленням замок і плату соленоїда.
Алгоритм роботи електронного кодового замка досить простий. У робочому режимі, відразу після подачі живлення, на дисплеї відображається число 0000. Мікроконтролер на платі контролера чекає введення чотирирозрядний коду. Вводиться з клавіатури код, мікроконтролер индицирует на дисплеї і записує в ОЗП. Після введення четвертого розряду чотирирозрядний коду, мікроконтролер побайтно порівнює його з чотирирозрядний кодом, записаним у пам'яті програм мікроконтролера (будемо називати цей код - еталонним). Замок включається (мікроконтролер подає сигнал на включення механізму відкривання замка) при виконанні двох умов. Якщо вводиться код збігся з еталонним кодом і якщо на виведенні PD6 мікроконтролера присутній сигнал рівня лог. 0. Якщо два вищевказаних умови виконані, то мікроконтролер на п'ять секунд подає сигнал на включення механізму відкривання замка. Через п'ять секунд мікроконтролер вимикає механізм відкривання замку і обнуляє дисплей. Якщо вводиться код не збігся з еталонним кодом, то мікроконтролер після введення четвертого розряду чотирирозрядний коду відразу обнуляє дисплей (на дисплеї відображається число 0000).
Інтерфейс замку включає в себе: індикацію (дисплей) з цифрових семісег-цементних індикаторах HG1 ... HG4, і клавіатуру - кнопки S1 ... S8. Кнопки S1 ... S7 позначені цифрами від "1" до "7". Дані кнопки задають код введення. На 4-х розрядному дисплеї відображається вводиться код. Як уже згадувалося вище, після введення еталонного коду мікроконтролер на п'ять секунд подає сигнал на включення механізму відкривання замка. Якщо необхідно подати постійний сигнал на включення механізму відкривання замка (відмикання замка), то відразу після введення еталонного коду в перебігу п'яти секунд, необхідно натиснути на кнопку S8. Якщо необхідно закрити замок, то знову потрібно натиснути на S8. Зрозуміло, що доступ до кнопки S8, доцільно обмежити.
Розглянемо основні, функціональні вузли замку (рис. 1). Основою пристрою служить мікроконтролер DD1, робоча частота якого задається генератором із зовнішнім резонатором ZQ1 на 10.000 МГц. Порт PD мікроконтролера DD1 управляє динамічною індикацією. Динамічна індикація зібрана на транзисторах VT1 ... VT4, цифрових, семісегмент-них індикаторах HG1 ... HG4. Резистори R3 ... R10 - струмообмежувальні для сегментів індикаторів HG1 ... HG4. Коди для включення вищевказаних індикаторів при функціонуванні динамічної індикації надходять в порт РВ мікроконтролера DD1. Для функціонування клавіатури задіяний висновок 7 (PD3) мікроконтролера DD1. Відразу після подачі живлення на виведення 1 мікроконтролера DD1 через RC-ланцюг (резистор R2, конденсатор СЗ) формується сигнал системного апаратного скидання для мікроконтролера DD1. На дисплеї відображається код 0000. Напругу живлення + 5В надходить на замок з соединителя Х2. Конденсатор С6 фільтрує пульсації в ланцюзі живлення +5 В. Блокувальний конденсатор С4, варто по ланцюгу живлення мікроконтролера DD1.
Для того щоб сигнал рівня лог. 0 на виводі 9 мікроконтролера DD1 присутній постійно (замок був завжди відкритий,) необхідно після набору еталонного коду натиснути на кнопку S8, при цьому на дисплеї в першому розряді (індикатор HG4) буде показана точка п.
Далі розглянемо роботу ДБЖ (рис. 2). Як зазначалося вище, ДБЖ забезпечує електроживленням кодовий замок і плату соленоїда (і власне сам соленоїд замку).
Елементи інтерфейсу управління ДБЖ (по рис. 2) мають таке призначення: HL1 - індикатор наявності напруги (зеленого кольору світіння);
HL2 - індикатор стану заряду акумуляторної батареї (жовтого кольору світіння);
SA1 - вимикач живлення.
До складу ІБП входять: стабілізатор струму на транзисторі VT1 для зарядки акумуляторної батареї; модулі харчування U1, U2 (перетворювачі DC / DC); вузол контролю та управління на мікросхемі DA1. Індикатори HL1, HL2 дозволяють візуально контролювати режим роботи плати харчування. Вхідний постійна напруга на ДБЖ поступає з мережевого модуля живлення U4 (AC / DC -перетворювачі). Розглянемо сигнали інтерфейсу контролю та управління ДБЖ при наявність мережевої напруги, і за його відсутності.
1. При наявності вхідного живлячої напруги 220 В і включеному харчуванні (вимикач SA2 в положенні "ON"), і підключеної неповністю зарядженої акумуляторної батареї:
HL1 - постійно включений;
HL2 - періодично включається і виклю-чає (блимає);
Якщо батарея повністю заряджена, HL10 -вимкнути.
2. У режимі автономного електроживлення (мережеве напруга 220В відсутній), при включеному вимикачі SA1:
HL1 - вимкнено;
HL2 - включений;
Напругу живлення + 5В надходить на замок з модуля живлення U1 ДБЖ. Конденсатори С1, С2 фільтрують пульсації в ланцюзі живлення +5 В.
Акумуляторна батарея являє собою дев'ять послідовно включених нікель-металгідридних акумуляторів GP180AAH. Номінальна напруга кожного акумулятора - 1,2 В, ємність - 1800 мАг. Час зарядки струмом 0.1 С - 16ч. Сумарна напруга батареї з дев'яти акумуляторів може знаходиться в діапазоні від 9 В (9 х 1В - гранично допустима напруга при розряді батареї) до 12,6 В (9 х 1,45 В - максимальне напруження в режимі заряду батареї). Вхідна напруга джерела живлення використовується для заряджання акумуляторної батареї слід вибирати із запасом приблизно рівним напрузі на батареї в режимі заряду плюс падіння напруги на стабілізаторі струму, необхідне для його стійкої роботи 2 ... 2,5 В. Тому вихідна напруга мережевого модуля U4 повинно бути близько 16,5 В. У пристрої застосований AC / DC перетворювача типу МАА30-1С15-СГН фірми АЛЕКСАНДЕР ЕЛЕКТРИК, з вихідною напругою 15 В, і з діапазоном регулювання вихідної напруги ± 10%. Необхідно відзначити, що при роботі в режимі автономного електроживлення, слід не допускати повного розряду акумуляторної батареї. У пристрої не передбачено ніякої автоматики з відключення акумуляторної батареї при досягненні мінімально допустимого рівня розряду. Неважко підрахувати, що час безперервної, автономної роботи пристрою, наприклад, з соленоїдом з робочою напругою 24В і номінальним робочим струмом 6А складе приблизно 20 хв.
Розглянемо основні, функціональні вузли принципової схеми ДБЖ. Вхід-ве постійна напруга надходить на вхід, з виходу модуля живлення U4. Роботою стабілізатора струму управляє вузол, виконаний на компараторе DA1.1. Напруга з акумуляторної батареї через дільник R3, R4 надходить на інвертується вхід компаратора (висновок 4 DA1.1). Зразкове напруга формується дільником R6, R8 і надходить на неінвертуючий вхід компаратора (висновок 5 DA1.1).
При не повністю, зарядженої акумуляторної батареї, значення напруги на неінвертуючий вході компаратора, більше ніж на інвертується вході. У цьому випадку на виході компаратора присутній напруги високого рівня. Транзистор VT2 відкритий і не перешкоджає роботі стабілізатора струму на транзисторі VT1. Йде процес зарядки акумуляторної батареї. Як тільки напруга на інвертується вході компаратора перевищить зразкове на неінвертуючий (батарея зарядилася), на виході компаратора встановиться напруга близьке до нуля. Транзистори VT1, VT2 закривається. Зарядка акумуляторної батареї припиняється.
Зарядка не повністю зарядженої акумуляторної батареї починається відразу після подачі напруги на пристрій. При цьому спрацьовує реле К1 і контактами групи К1.1 (висновки 12, 13) підключає стабілізатор струму до акумуляторної батареї. Вхідна напруга через діод VD2 і контакти вимикача харчування SA1 надходить на вхід модулів живлення U1 (висновки 22, 23) і U2 (висновок 2).
При включеному вимикачі SA1 (SA1 в положенні "ON") вихідна напруга з модуля живлення U1 надходить на замок, вихідна напруга з модуля живлення U2 через з'єднувач Х2 надходить на плату соленоїда. Напруга з акумуляторної батареї надходить на вхід модулів живлення U1, U2 через діод VD1. При наявності вхідної напруги 16,5 В на вході діод VD1 закритий, акумуляторна батарея відключена від модулів живлення U1, U2.
На компараторе DA1.4 виконаний генератор. Сигнал з генератора (меандр з постійною складовою) надходить на неінверті-рующий вхід компаратора DA1.3 (висновок 9). Параметри сигналу: період - 1,5 сек., Напруга низького рівня 2В, напруга високого рівня 9В. На інвертується вхід DA1.2 (висновок 8) надходить напруга з дільника R15, R16. Ланцюжок VD5 ... VD7, R15, R16 при відкритому транзисторі VT2 задає базовий струм транзистора VT1. До виходу компаратора DA1.3 (висновок 14) підключений анод індикатора HL1. Напругу живлення 16,5В надходить на вихід компаратора DA1.3 через діод VD4 і резистор R13. Коли йде зарядка акумуляторної батареї VT2 -Відкрий. На виводі 8 DA1.3 присутній напруга порядку 7.6 В. Назвемо цей рівень напруги - базовим. Сигнал високого рівня з генератора перевищує базовий рівень, тому вихідний транзистор DA1.3 закритий - індикатор HL1 включений. Якщо ж базовий рівень вище рівня сигналу з генератора - HL1 вимкнений. При закритому транзисторі VT2 (батарея заряджена) з дільника R15, R16 на висновок 8 DA1.3 надходить напруга приблизно дорівнює напрузі харчування. Його рівень більше базового, тому вихідний транзистор компаратора DA1.3 відкритий, індикатор HL1 вимкнений. Поки йде процес зарядки акумуляторної батареї U3 - HL1 періодично вмикається і вимикається (блимає), при зарядженої батареї - HL1 вимкнений.
Конструктивно, акумуляторна батарея являє собою упаковку U3 акумуляторів G1 ... G9 які підключаються через розетку Х4 до вилки ХЗ плати ДБЖ. У розетці Х4 контакти 2 і 3 з'єднуються провідником. У вилці ХЗ плати харчування контакт 3 пристрою з'єднується з емітером транзистора VT2. Якщо акумуляторна батарея підключена до ИБП, то емітер VT2 з'єднаний із загальним провідником, тим самим дозволена робота стабілізатора струму. Якщо ж акумуляторна батарея не підключена до з'єднувачі ХЗ ІБП, то емітер VT2 "висить у повітрі", стабілізатор струму відключений. При наявності мережевої напруги (вхідного напруги живлення для ІБП) індикатор HL2 включений.
Розглянь тепер роботу ДБЖ в режимі автономного електроживлення. При відсутності мережевої напруги індикатор HL2 вимкнений. Реле К1 знеструмлено. Контакти 12, 13 групи К1.1 розмикаються, тим самим відключаючи стабілізатор струму від акумуляторної батареї. При включеному вимикачі SA1 напруга з акумуляторної батареї надходить через діод VD1 на вхід модулів живлення U1, U2. Контакти 21, 22 групи К1.2, коли реле К1 знеструмлено - замикаються, підключаю ту частину схеми пристрою, яка живиться від батареї в режимі автономного електроживлення. Індикатор HL1 включений.
В ДБЖ застосовані резистори типу С2-ЗЗН-0,125 (R18, R20 С2-ЗЗН-0.5) підійдуть будь-які інші, з такою ж потужністю розсіювання і похибкою 5%. Змінні резистори R31, R40 типу СП5-3-1 Вт Конденсатори С1, СЗ, С5, С6..С8 типу-К10-17а, С9 -К50-35, С2, С4, .СЮ - К50-38. Транзистор VT1 встановлюється на радіаторі з площею ефективної поверхні не менше 20 см 2. Вимикач SA1 - ПТ73-2-2.
У замку (рис. 1) застосовані резистори типу С2-ЗЗН-0.125 підійдуть будь-які інші з такою ж потужністю розсіювання і похибкою 5%. Конденсатори С1 ... С5, типу-К10-17а, С5 - К50-35. З'єднувачі Х1, Х2 типу WF-2 (відповідна частина - розетка HU-2). Конденсатор С4 встановлюється між ланцюгом + 5V і загальним провідником мікроконтролера DD1 (у самого корпусу мікросхеми). Індикатори HG1 ... HG4 типу HDSP-F501 зеленого кольору, Пристрій не вимагає ніякого налаштування і наладки. При правильному монтажі замок починає працювати відразу.
Налаштування ІБП зводиться до установки зарядного струму акумуляторної батареї резистором R17, а так само установки значення напруги зарядки батареї резистором R8. Якщо в процесі експлуатації струм зарядки, використовуваної батареї не змінюється, то для зменшення кількості налаштувань, можна замінити резистори R17, R18 на один прецизійний, наприклад типу С2-29, відповідної потужності. Схема плати соленоїда побудована на базі транзистора 2Т825А2 (максимальний струм колектора до 15 А, корпус ТО-220) і транзисторної оптопари ЗОТ110Б. Напруга живлення 24В. Конденсатори С1, типу К50-35. У загальному випадку, схемне рішення, визначається конкретними параметрами виконавчого механізму (соленоїда).
Зрозуміло, що до з'єднувачі Х1 плати соленоїда підключається соленоїд, з'єднувач Х2 плати соленоїда підключається до з'єднувачі Х1 замку, а з'єднувач ХЗ до з'єднувачі Х2 ДБЖ. З'єднувач Х1 замку підключається до з'єднувачі Х1 ДБЖ.
Зовсім коротко про програму. Програмне забезпечення мікроконтролера було розроблено в середовищі AVR Studio. У програмі використовуються два переривання: Reset і переривання таймера ТО, обробник якого починається з мітки TIM0. При переході на мітку Reset инициализируются стек, таймер, порти, а так само прапори і змінні використовуються в програмі.
У обробнику переривання таймера ТО здійснюється: процедура опитування кнопок S1 ... S8, функціонування динамічної індикації, перекодування двійкового числа в код для відображення інформації на семисегментний індикатор пристрою, а так же часовий інтервал тривалістю п'ять секунд, необхідний для включення виконавчого пристрою соленоїда (установка сигналу рівня лог. О на виведенні PD5 мікроконтролера DD1). В ОЗУ мікроконтролера з адреси $ 60 по адреса $ 64 організований буфер відображення для динамічної індикації. (RAM = $ 60 -початковий адреса буфера відображення.)
Прапори, задіяні в програмі, знаходяться в регістрах R19 (flo) і R25 (flol).
Розроблена програма на асемблері займає всього близько 0,7 Кб пам'яті програм мікроконтролера. Змінюючи незначно, лише програмне забезпечення мікроконтролера, для збільшення ступеня захисту, код для відкриття замку можна зробити, наприклад, 10-ти розрядним Зрозуміло, що при цьому на дисплеї будуть відтворюватись тільки чотири молодших розряду. Для прикладу нижче наведено фрагмент програми для кодового замка з 4-х розрядним кодом, де вводиться код порівнюється з еталонним кодом 4321 (табл.1.).
Автор пропонує читачеві самому доопрацювати програмне забезпечення для зміни розрядності еталонного коду або для зміни самого еталонного коду.
Шишкін С.
Файли для прошивки мікроконтролера можна запросити в редакції, взяти з диска # 22, купленого не раніше місяця виходу цього журналу, або завантажити тут: radiohex.narod2.ru
