♦ Установка кодового замка на основе микроконтроллера
КОДОВЫЙ ЗАМОК.
♦ 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 данной статье рассматривается 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.
2. Выбор и обоснование элементной базы
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.
| 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 |
Таблица 2.1.1 – Технические характеристики замка “ПОЛИС-13”
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].
| 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 |
Таблица 2.1.2 – Технические характеристики оптопары АОУ163А
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].
| 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 |
Таблица 2.2.1 - Технические характеристики клавиатуры AK-207
| Номер вывода | Назначение |
| 1 | Колонка 2 |
| 2 | Ряд 1 |
| 3 | Колонка 1 |
| 4 | Ряд 4 |
| 5 | Колонка 3 |
| 6 | Ряд 3 |
| 7 | Ряд 2 |
Таблица 2.2.2 - Назначение выводов клавиатуры
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].
| 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 |
Таблица 2.3.1 – Характеристики светодиода АЛ336И
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.
| 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 |
Таблица 2.4.1 – Характеристики излучателя звука SMA-21-P10
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.
