5643

Электронный кодовый замок

Курсовая

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

В курсовой работе рассматривается цифровое устройство - кодовый электронный замок. Для данного прибора разработана электрическая структурная схема, принципиальная и функциональная схемы, плата печатная и сборочный чертеж. В расчетной части дока...

Русский

2012-12-16

81 KB

129 чел.

В курсовой работе рассматривается цифровое устройство – кодовый электронный замок. Для данного прибора разработана электрическая структурная схема, принципиальная и функциональная схемы, плата печатная и сборочный чертеж. В расчетной части доказано, что выбранные номиналы действительно удовлетворяют условиям работы. Произведен расчет блока управления исполнительным устройством с оптронной развязкой и блока индикации.

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ. 

      1.     А-Ампер

мА - милиАмпер (10-3 Ампер);  мкА – микроАмпер (  10-6  Ампер)

    2.      В – Вольт;

   3.     Вт – Ватт

   4.     мВт – милмВатт (10-3  Ватт);

   5.     Гц – Герц

МГц – мегаГерц (103  Герц);

  6.      ИК – инфракрасный;

  7.      КОм – килоОм (103  Ом);

  8.      с – секунда;

  9.      Ф – Фарад

пФ – пикаФарад (10-12 Фарад );

  1.  ºC – градус Цельсия;
  2.  СК – емкость коллектора транзистора;
  3.  IКБО – ток коллектор-база обратный;
  4.  IК max –  максимальный ток коллектора;
  5.  IК,И max – импульсный максимальный ток коллектора;
  6.  fГР – граничная частота усиления транзистора;
  7.  h21э – коэффициент усиления транзистора при включении с общим эммитером;
  8.  РК – максимальная рассеиваемая мощность коллектором;
  9.  ТMAX – максимальная рабочая температура транзистора;
  10.  UКЭНАС – напряжение коллектор-эммитер в режиме насыщения;  
  11.  UКЭО max – максимальное напряжение коллектор-эммитер обратное ;
  12.  UКБО max – максимальное напряжение коллектор-база обратное;
  13.  UЭБО max – максимальное напряжение эммитер-база обратное.

ВВЕДЕНИЕ.

В настоящее время на многих производственных предприятиях существуют помещения служебного пользования, доступ в которые имеет ограниченный круг специалистов. К помещениям такого типа относятся: серверные, электрощитовые, компрессорные, – помещения с повышенной степенью опасности для жизни человека. С целью ограничения доступа посторонних лиц можно применить электронный кодовый замок.

Постановка задачи: разработать электронный кодовый замок, используя стандартные  логические элементы,  который должен состоять не менее, чем из пяти функциональных блоков, проанализировать принцип  действия.  В ходе выполнения курсового проекта необходимо разработать схему электрическую функциональную, электрическую структурную и электрическую принципиальную схемы. Необходимо произвести расчеты по выбранным элементам (в данном курсовом проекте - блока управления исполнительным устройством с оптронной развязкой и блока индикации), выполнить чертеж печатной платы, сборочный чертеж.

Проект разработан на основании индивидуального задания, выданного руководителем.

1. ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ.

Напряжение источников питания, В:

Постоянного напряжения……………………………………………9

Переменного напряжения…………………………………………220

Ток, потребляемый от источника питания 9В, мА…………………..35-50

Количество возможных комбинаций кода срабатывания……………..512

Габаритные размеры, мм…………………………………………….125х80

Время между двумя смежными попытками набора кода, с…………….4,8

2. АНАЛИЗ СУЩЕСТВУЮЩИХ АНАЛОГОВ.

В настоящее время рынок наполнен всевозможными охранными системами, основанными на использовании микропроцессорной техники с повышенной степенью защиты. В подобных устройствах используются микроконтроллеры различных фирм-изготовителей таких, как Atmel, Microchip, Dallas Semicondacter, Phillips, Siemens и других, которые не являются взаимозаменяемыми. Управляющие программы в таких микроконтроллерах защищены от копирования и перезаписи, в результате чего при повреждении устройства практически неремонтопригодны.

В служебных помещениях, не имеющих высокого уровня секретности, но обладающих повышенной опасностью для жизни человека, доступ к которым должны иметь только квалифицированные специалисты.,  нет необходимости устанавливать дорогостоящие охранные системы повышенной сложности. Поэтому существует необходимость в разработке охранного устройства на стандартных взаимозаменяемых логических элементах, легко поддающихся ремонту специалистам среднего уровня и обладающих сравнительно невысокой стоимостью.

Таким устройством является разработанный в данном курсовом проекте кодовый электронный замок, использующий стандартную логику КМОП: микросхемы К176ЛА9, К176ТМ2, К176ИД1, К176ИЕ2.

3. РАЗРАБОТКА  ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ

СТРУКТУРНОЙ  СХЕМЫ.

Электрическая структурная схема кодового электронного замка представлена на чертеже, имеющем код  .Э1.

Принцип действия устройства основан на подсчете девятиразрядной кодовой комбинации, представляющей собой произвольное чередование логических уровней 0 и 1. Дешифрированное последнее (девятое) состояние счетного узла служит сигналом включения исполнительного механизма.

Устройство ввода (блок 1) организовано на контактных переключателях без фиксации положения, с помощью которых осуществляется набор кода доступа. Так как при использовании механических контактов возникает явление дребезга контактов, целесообразно включить в схему разрабатываемого устройства блок подавления дребезга контактов (блок 2). На вход блока 2 сигнал поступает от устройства ввода, с выхода данного блока – на вход устройства разрешения работы (блок 4). С формирователя импульсов (блок 3) сигнал поступает на  счетчик импульсов (блок 5). Если работа разрешена, введенный код проверяется на соответствие с ключом, установленном в дешифраторе (блок 6). Девятиразрядный код доступа задается распайкой перемычек так, что его невозможно изменить без механического вмешательства.  В случае совпадения набранного кода с заданным срабатывает блок управления исполнительным устройством (блок 7), исполнительное устройство (блок 8), блок индикации 9, сигнализирующий об исправной работе кодового электронного замка.

Если набранный код не совпадает с ключом, установленным в дешифраторе, с выхода дешифратора на блок 3 поступает сигнал, запрещающий формирование и дальнейший счет импульсов вводимого кода. Устройство разрешения работы позволяет повторить попытку набора кода доступа только через определенный временной интервал. Если начать набор кода до истечения этого интервала, замок не сработает даже при безошибочном наборе. При номиналах элементов, указанных в схеме, задержка времени составляет 4,8 с.

4. РАЗРАБОТКА  ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ  

ФУНКЦИОНАЛЬНОЙ  СХЕМЫ.

Электрическая функциональная схема кодового электронного замка представлена на чертеже, имеющем код.Э2.

Электрический импульс, сформированный кнопочными переключателями SB1, SB2 проходит на RS-триггер, организованный на элементах DD1.1, DD1.2 (подавитель дребезга контактов) и на устройство, формирующее импульсы для кодового счетчика DD2.1, DD2.2.

До  набора кода выход устройства разрешения счета импульсов DD1.3, R5, VD1, R6 находится в состоянии логической «1», блокируя счетчик DD4 по входу R. При нажатии  одной из кнопок на выходе устройства разрешения счета импульсов появляется сигнал логического «0», разрешающий прохождение импульсов на вход счетчика.

Последовательность логических уровней, возникающая на выходах счетчика, поступает на входы дешифратора DD3, а затем – на кодирующую матрицу, состоящую из элементов VD2...VD10, S1…S9, с помощью которой происходит сравнение набранного кода с установленным ключом.

В случае правильной последовательности набора кода на блок управления исполнительным устройством (R7, R8, VT1, R10, U1, R11, R12, VD11…VD14) поступает сигнал с логическим уровнем «1» и на блок индикации (HL1, R9). Исполнительное устройство Y1 срабатывает.

При первом неверном наборе в последовательности кода с выхода декодирующей матрицы уровень логической  «1» поступает на D-входы триггера DD2, и при последующем нажатии на одну из кнопок  на инверсном выходе триггера DD2.1/2  появляется уровень логического нуля, что приводит к загрузке счетчика импульсов DD4 нулями и дешифратор DD3 выходит в начальное состояние.  На блок управления исполнительным устройством поступает уровень логического «0»,  исполнительное устройство не срабатывает.      

5. ВЫБОР  ЭЛЕМЕНТНОЙ  БАЗЫ.

Перечень электронных компонентов кодового электронного замка представлен в документе, имеющем код ПЭ3.

В устройстве использованы  постоянные резисторы МЛТ -0,125(R1… R10),  МЛТ-0,25 (R11), МЛТ-0,5 (R12); электролитический конденсатор К53-30 (С1); диоды КД522А (VD1…VD10) и КД202Н (VD11…VD14); светодиод АЛ307АМ (HL1); тиристор КУ202Н (VS1); оптрон АОУ103Б (U1); транзистор КТ340А (VT1); микросхемы К176ЛА9 (DD1), К176ТМ2(DD2), К176ИД1(DD3), К176ИЕ2(DD4); электромагнитное реле МИС1100Е (Y1); вставка плавкая ВП1-1 (FU1, FU2); переключатели КМ1-1(SB1, SB2).  

 Отметим возможные замены некоторых элементов схемы. Диоды  КД522А на КД520А; переключатели КМ1-1 на ПКн2-1Т или КМД1-1; светодиод АЛ307АМ на другой такого же типа с любым буквенным индексом или на диод типа КИПМ01А-1К.

 Конденсатор С1 должен быть выбран с малым током утечки.

Подбирая резисторы R1…R3 (в пределах 27 – 300 кОм), следует стремиться к увеличению их сопротивления, но не в ущерб четкости работы цифрового блока. Надо иметь ввиду, что если  кнопки кодонабирателя по тем или иным причинам приходится отнести на большое расстояние от цифрового блока, то при этом повышается чувствительность устройства к действию помех от цепей исполнительного узла. В этом случае не рекомендуется чрезмерно увеличивать сопротивление этих резисторов.

6. РАССЧЕТНАЯ  ЧАСТЬ.

Расчет блоков управления и индикации.

Блоки управления и индикации состоят из транзисторного ключа (R7, R8, VT1), оптронного тиристорного  ключа (U1), индикаторного светодиода (HL1), ограничительных резисторов (R9…R11).  

 1. Резистор R7 подбираем исходя из типовых значений параметров базовых логических элементов КМОП-логики[4,с135].

Iвых. логической «1» для микросхем 17серии составляет 0,5 мА. При напряжении питания устройства U= 9В падение напряжения на ключевом транзисторе микросхемы DD3 составляет 0,8В. Падение напряжения база-эмиттер транзистора VT1 примем равным  0,7В.

Падение напряжения на резисторе R7 составит:  UR7= 9-0,8-0,7=7,5В.

Сопротивление резистора R7 находим по закону Ома:          R7=7,5/0,0005=15000 Ом =15 кОм

2. Номинал резисторов R9, R10.

Согласно справочным  данным[4,с.24] номинальный рабочий ток светодиода  АЛ307АМ  I=10мА. При напряжении питания U=9В падения напряжения: на светодиоде в открытом состоянии 2В; на открытом транзисторном ключе от 0,4В до 0,8В, примем равным 0,4В.

Падение напряжения на резисторе R9 составит:  UR9= 9-2-0,4=6,6В.

Сопротивление резистора R9 находим по закону Ома:   

R9=6,6/0,010=660 Ом, выбираем ближайший по номиналу в сторону увеличения сопротивления R9=680 Ом.      

Согласно справочным  данным[4,с.186] номинальный ток срабатывания фототиристорного оптрона АОУ103Б I=20мА. При напряжении питания U=9В падения напряжения: на открытом ИК-светодиоде, входящем в состав оптрона, 2В; на открытом транзисторном ключе от 0,4В до 0,8В, примем равным 0,4В.

Падение напряжения на резисторе R10 составит:  UR10= 9-2-0,4=6,6В.

Сопротивление резистора R10 находим по закону Ома:   

R10=6,6/0,020=330 Ом.

3. Параметры транзистора VT1.

Ток, протекающий через транзистор VT1, равный сумме токов, проходящих по ветвям  с резисторами R9 и R10:          IVT1=10+20=30мА.

Минимальный коэффициент усиления транзистора VT1:      

β= IVT1/IR7=30/0,5=60мА

Согласно техническим данным, рассчитанным выше, выбираем транзистор типа КТ340А [4, c.255]:

h21э……………...100-150

UКЭНАС, В…………….0,2

IКБО, мкА………………1

fГР, МГц(fMAX)...…….300

СК, пФ…………………7

РК, мВт……………...150

ТMAX, ºС…………...…85

Предельные значения параметров:

UКЭО max, В……………..20

UКБО max, В……………..20

UЭБО max, В……………....5

IК max, мА………………50

IК,И max, мА……………200

4. Номинал сопротивления R11.

Т. к. максимально допустимый выходной ток фототиристорного оптрона КУ103Б равен 100мА , а ток удержания 10мА, принимаем рабочий ток равным 30-40мА. Исходя из того, что тиристор работает на выпрямленном сетевом напряжении 220В с амплитудным значением 315В+10%-20%, рассчитываем номинал резистора R11:

R11=(315В+10%-20%)/(30-40мА)=7,9-10,3кОм

Выбираем номинал R11равным 10кОм.

                              7.  РАЗРАБОТКА   ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ

ПРИНЦИПИАЛЬНОЙ   СХЕМЫ.

Электрическая принципиальная схема кодового электронного замка представлена на чертеже, имеющем код Э3.

Кодирующий узел содержит две кнопки SB1, SB2 с переключающими группами контактов, не фиксируемые в нажатом положении. Девятиразрядный шифр задают распайкой перемычек S1 – S9 на выходе дешифратора DD3. Наличие перемычки соответствует сигналу 1,      отсутствие – 0.

Узел защиты от дребезга контактов кнопок собран на элементах DD1.1, DD1.2. Он представляет собой RS-триггер, срабатывающий от первого замыкания контактов и поэтому не реагирующий на остальные дребезговые переключения.

Счет импульсов вводимого кода ведет счетчик DD4. Узел, собранный на триггерах DD2.1, DD2.2, запрещает дальнейший счет импульсов вводимого кода при ошибке в наборе. В устройство введен узел задержки времени, состоящий из элементов VD1, R5, R6, C1, DD1.3 (конденсатор С1 должен быть выбран с малым током утечки). При ошибке в наборе кода этот узел позволяет повторить попытку только через определенный временной интервал. Если начать набор кода до истечения этого интервала, замок не сработает даже при безошибочном наборе. Минимальный разрешаемый интервал времени между двумя смежными попытками набора кода устанавливают соответствующим выбором номиналов разрядной цепи R5C1. Для гальванической развязки двух источников, питающих цифровой блок и исполнительный механизм, а также для обеспечения электробезопасности пользования замком при сетевом питании применен фототиристорный оптрон U1. Исполнительный электромагнит Y1 срабатывает после открывания тиристора VS1, управляемого фотодинистором оптрона.

Импульсы с узла набора кода переключают RS-триггер узла антидребезга, а с выхода элемента DD1.1 триггера поступают на счетный вход счетчика DD4, а затем  - на входы дешифратора DD3. Если последовательность набора кода правильная, то есть соответствует распайке перемычек на выходе дешифратора, то на прямом выходе триггера DD2.2 действует низкий уровень напряжения, разрешающий работу счетчика DD4 до полного набора кода.

Если набираемый код не совпал с установленным в любом разряде счетчика, то на выходе триггера DD2.2 появляется высокий уровень, который запрещает дальнейший счет. Последующие нажатия на кнопки уже не изменят состояния счетчика до тех пор, пока замок не перейдет в исходное положение. После прекращения нажатий на кнопки по истечении временной задержки на выходе инвертора DD1.3 появляется высокий уровень, переключающий триггер DD2.2 и счетчик DD4 в состояние 0.

Таким образом, достаточная надежность охраны обеспечена как большой глубиной комбинационного набора, так и возможностью регулирования длительности возвращения замка в исходное состояние после каждой ошибки в наборе.

При правильном наборе кода сигнал высокого уровня с выхода дешифратора DD3 открывает ключевой транзистор VT1, что приводит к срабатыванию оптрона, а затем – тиристора, включающего питание исполнительного электромагнита – замок сработает. По истечении временной задержки замок возвращается в исходное состояние, соответствующее нулевому состоянию триггера DD2.2 и счетчика DD4.

Для индикации срабатывания замка в коллекторную цепь ключевого транзистора VT1 включают светодиод HL1 с токоограничительным резистором R9.

Цифровой блок замка питается от стабилизированного источника напряжением 9В. Питание исполнительного узла – от сети переменного тока напряжением 220В.

8. РАЗРАБОТКА    ПЛАТЫ   ПЕЧАТНОЙ.

Плата печатная кодового электронного замка представлена на чертеже, имеющем код.ПП.

Плата соответствует ГОСТ 23752-79. Плата изготавливается комбинированным  методом. Шаг координатной сетки выбирается равным 2,5 мм. Соответственно конфигурация проводников выдерживается по координатной сетке. Проводники условно обозначенные сплошными линиями выполняются шириной 0,9+0,3 мм. Расстояние между проводниками не менее 0,3 мм. Проводники покрываются сплавом «Розе». В узких местах допускается занижение контактных площадок до 0,15 мм. Маркировка выполняется травлением шрифтом 2,5 по НО.010.007, в узких местах - шрифтом 2.

9. ОПИСАНИЕ  СБОРОЧНОГО  ЧЕРТЕЖА.

Сборочный чертеж кодового электронного замка представлен на чертеже, имеющем код.СБ.

Печатная плата прибора изготовлена из двустороннего фольгированного стеклотекстолита толщиной 2 мм. При изготовлении использовать припой ПОС61 ГОСТ 21931-76. Установку элементов производить по ОСТ4 ГО.010.030-81. Высота установленных элементов не  превышает высоту выпрямительных диодов КД202Р. Все резисторы постоянного тока МЛТ-0,125(R1–R10), МЛТ-0,25(R11), МЛТ-0,5 (R12) устанавливаются горизонтально по варианту Iа.  Микросхемы К176ЛА9(DD1), К176ТМ2(DD2), К176ИД1(DD3), К176ИЕ2(DD4) устанавливаются горизонтально по варианту VIIIa. Конденсатор К53-30 устанавливаются по варианту IIв. Диоды VD1 – VD10 устанавливаются по варианту Vбб, диоды VD11 – VD14 и тиристор VS1 устанавливаются по варианту Vв.  Транзистор КТ340Б устанавливается по варианту Vа. Фототиристорный оптрон АОУ103Б устанавливается по варианту VIIа. Индикаторный светодиод устанавливается по варианту VIб.

Печатные проводники условно не показаны. Заводской номер, обозначения элементов маркировать краской ЧМ, черный; БМ, белый согласно ТУ029-02-859-78. Шрифт 2,5мм по НО.010.070.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.

Для настройки основной платы потребуется осциллограф с секундной разверткой (например, С1-76). После распайки печатной платы проверяют целостность и правильность монтажа, снимают все перемычки, задающие код доступа; подключают устройство к источнику питания +9В (силовую часть не подключают). Проверяют с помощью осциллографа наличие импульсов положительной полярности на выходе микросхемы DD1.2/9. Проверяют цепь прохождения импульсов через микросхему DD2. При нормальной работе устройства после десятого импульса должен загореться индикаторный светодиод HL1.

После проверки цепей устройство устанавливают в корпус, предварительно установив перемычки, задающие код доступа. Подключают к сети переменного напряжения 220В и испытывают вместе с исполнительным устройством.

СПИСОК  ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ.

  1.  Воробьев Н. И.  Проектирование электронных устройств. – М.: Высшая школа, 1989.
  2.  Гершунский Б. С. Справочник по расчету электронных схем. – К.: Издательство при Киевском государственном университете издательского объединения «Вища школа», 1983г.
  3.  Козаченко В., Хмелевская Л.  Кодовый замок. – «Радио», 1990, №8.
  4.  Масленников М. Ю., Соболев Е. А., Соколов Г. В. и др. Справочник разработчика и конструктора РЭА. Элементная база. (2 книги)  – М.: Энергоатомиздат, 1993г.
  5.  Усатенко С. Т., Каченюк Т. К., Терехова М. В. Выполнение электрических схем по ЕСКД. Справочник. – М.: Издательство стандартов, 1989г.
  6.  Шевкопляс Б. В. Микропроцессорные структуры. Инженерные решения. – М.: Радио и связь, 1990г.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

65090. Караунасы-никудерийцы и их роль в чагатайской истории 63.5 KB
  Никудерийцы и Дувахан Согласно завещанию Чингизхана улус его сына Чагатая распространялся от уйгурских земель на востоке до Амударьи на западе а на юге имел пределом индийские владения. После поражения Боракхана и подчинения ильханами дома...
65091. Клад серебряных монет первой четверти XV в. из Туркмении 88 KB
  Осенью 1997 г. в Москву были привезены для продажи коллекционерам 350 серебряных монет из большого клада, найденного незадолго до того в северной части Туркменистана. Владелец А.Алиев сообщил, что точное место находки ему неизвестно...
65093. ХУДОЖЕСТВЕННОЕ ОФОРМЛЕНИЕ МУСУЛЬМАНСКИХ МОНЕТ: НАРУШЕНИЕ ЗАПРЕТА? 137.5 KB
  Но если монеты античной Греции Рима эллинистического Востока обычно ассоциируются с прекрасными портретами конными экипажами образами богов и богинь то традиционно оформленные дирхемы и динары Арабского халифата а после его распада монеты многих его идеологических преемников...
65096. Клад из с. Новая Казанка Уральской области 159 KB
  Монетный состав клада, несмотря на его скромные размеры, довольно необычен и представляет научный интерес даже в таком составе. Монетные дворы, представленные в комплексе — Сарай ал-Махруса, Мохша, Сарай, Хорезм, Сарай ал-Джадид...
65097. «Железные псы» Батуидов (Шибан и его потомки в войнах XIII в.) 617 KB
  Согласно Рашид ад Дину и более поздним зависимым от него источникам Шибан 5 был пятым сыном Джучи Рашид ад Дин 1960 С. Старше Шибана по Рашид адДину были Орда Бату Берке и Беркечар. Несмотря на то что Рашид адДин в генеалогии Джучидов позиционирует Шибана пятым сыном...
65098. Буддизм в культуре Золотой Орды 288 KB
  Среди довольно обильных данных письменных источников, характеризующих конфессиональную ситуацию в Золотой Орде, сведения о буддизме единичны. По этой причине нередко даже специальные исследования религии и верований...