Elektronička brava

SREDNJA STRUKOVNA ŠKOLA VELIKA GORICA

http://public.srce.hr/obrt_skola_vg/

Ul. Kralja stjepana Tomaševića 21

VELIKA GORICA

ELEKTRONIČKA BRAVA

( SMARTCARD )

Maturalni rad šk. God. 2003./04.

Učenik: Boris Ignjatović, 4 F2

Mentor: Veljko Skočilić, dip.ing.

Velika Gorica, travanj 2004.

SADRŽAJ:

1. Uvod 1

2. Teoretski dio 2

2.1. Princip rada 2

2.2. Detaljan opis rada sklopa 3

3. Tehničko – tehnološki dio 5

3.1 Specifikacije materjala 5

3.1.1. Atmel AVR AT90S2313 mikrokontroler 5

4. Opis programa 7

5. Postupak izrade 8

5.1. Opčenito o tiskanim pločicama 8

5.2Materjal potreban za tiskanu pločicu 8

5.3. Izrada tiskane pločice termopostupkom 9

5.4. Izrada tiskane pločice fotopostupkom 10

5.5. Jetkanje pločica 10

5.6. Bušenje tiskanih pločica 11

5.7. Lemljenje 11

5.8 Postupak izrade sklopa 13

5.9. Montažna shema 14

5.10. Izgled gotove pločice i čitača (sa elementima) 14

5.11. Gotov sklop u kučištu 15

6. Zaključak 16

7. Prilozi 17

7.1.Blok shema mikrokontrolera 17

7.2. Električna shema 18

7.3. Shema ugradnje na ulazna vrata 19

7.4. Popis upotrebljenih elemenata 20

8. Literatura

1.OPĆENITO

Često je potrebno zaštititi ili pak zatvoriti objekte, sefove, privatne stanove, ali ne na klasičan način pomoću mehaničkih uređaja (ključeva i brava), već na malo sofisticiraniji način uz pomoć kodirane ili digitalne brave. Kao što samo ime kaže, radi se o uređaju koji počiva na digitalnim signalima tj. digitalnim integriranim kolima. U ovom radu nije korišten klasičan pristup zasnovan na bazi digitalnih brojača, već mikrokontrolerski uređaj i čitač za kartice. Na ovaj način se znatno pojednostavljuje hardver te se nemože zaboraviti kod vrata ili nešto slično jer nam za otvaranje vrata treba samo telefonska kartica koju smo prethodno memorirali u mikrokontroler. Ključevi su prošlost a pametne čip kartice sadašnjost.

2. TEORETSKI DIO

2.1. PRINCIP RADA

Električna brava radi tako da vrata otključavamo tako da u čitač utaknemo čip karticu koju smo pethodno uprogramirali u mikrokontroler ( EPROM ) gdje se mogu upisati serijski brojevi ( dužine 32 bajta ) jedne ili čak četiri čip kartice.

Ako je serijski broj utaknute čip kartice prethodno uprogramiran odnosno ako je jednak nekom od serijskih brojeva upisanih u memoriju mikrokontrolera, elektronička će brava dati dva zvučna signala. Nakon određenog vremena najčešće jedne sekunde nakon izvlačenja pročitane kartice vrata će se otključati i ostati otključana dvije sekunde. Za to vrijeme možete otvoriti vrata u protivno će se vrata ponovno zaključati. Ako serijski broj utaknute kartice nije jednak ni jednom od četiriju u memoriji mikrokontrolera upisanih serijskih brojeva, uslijedit oče više krajčih zvučnih signala. Uneseni serijski brojevi čip kartica trajno su zapamćeni u mikrokontroleru, što znači ako dođe do nestanka električne energije usljedom neke greške brojevi će ostati memorirani.

2.2. DETALJAN OPIS RADA SKLOPA

Električna shema uređaja prikazana je na slici 2.2.1 :

Slika 2.2.1

Tiskana pločica je jednostavna jer izvršenjem svih radnji brave upravlja mikrokontroler: očitavanje čip kartice slika 2.2.2, spremanje serijskog broja čip kartice u dužini 32 bajta u memoriju, uključivanje i isključivanje releja odnosno električne brave u vratima.

Vrata mogu biti jednokrilna, dvokrilna ili električna u kojem slučaju netrebamo električnu bravu. Ja sam koristio jednokrilna vrata te sam upotrijebio električnu bravu, koja je na slici 2.2.3.

Za sprečavanje utjecaja smetnji upotrebljen je troidni transformator s dva sekundarna namota jedan namot služi za napajanje elektronike a drugi za napajanje električne brave. Radni napon brave je između 8-12V, a radna struja od 0.4-1.5A. Led dioda D1 služi kao indikator prisutnosti električnog napona te je zajedno s otpornikom R1 možemo i neupotrijebiti jer nije ključna za rad sklopa.

Napajanje sklopa je klasično. Ispravljač čine greatzov most BR1, kondenzatori C1, C2, C3 i C6 i 5V stabilizator IC2. Tranzistor T2 uključuje i isključuje zujalicu Pi koju možemo zamijeniti i svjetlosnom indikacijom ( LED diodom ).

Ova nam je indikacija potrebna kako bismo znali dali je stavljena čip kartica ispravna ili pogrešna i za potvrđivanje upisa serijskog broja čip kartice u EPROM mikrokontrolera. Tranzistor T1 uključuje i isključuje relej Re1, a on električnu bravu ili električna garažna vrata.

U slučaju da sklop koristimo za otvaranje odnosno zatvaranje električnih garažnih vrata neće nam trebati greatzov most BR2, a umjesto diode D2 na pločicu možemo staviti komadić žice i umjesto troidnog transformatora možemo koristiti transformator 230V/12V/1.5VA.

Otpornici R4, R5, R6 i R7 su vanjski pull-up otpornici.

upotrebljen kristal frekvencije 4 MHz mikrokontroleru osigurava dovoljnu brzinu za očitavanje i spremanje serijskih brojeva pojedinih čip kartica. Umjesto kristala frekvencije 4MHz možemo upotrijebiti i brže ( naprimjer 5 MHz ) ili pak sporije kristale, ali će se time promijeniti i rad releja RE1 i dužina zvučnih signala. Struja u stanju mirovanja ( struja iz naponskog stabilizatora IC2 ) bez LED diode D1 približno iznosi 4 mA, a s LED diodom približno 18 mA ( uz napon kondenzatora C1 od približno 12 V ). Potrebno napajanje sklopa iznosi 10 – 18 V (DC) istosmjernog napona ili 8 – 13 V (AC) izmjeničnog napona.

Slika 2.2.2

Slika 2.2.3

3. TEHNIČKO – TEHNOLOŠKI DIO

3.1. SPECIFIKACIJE MATERIJALA

3.1.1 Atmel AVR AT90S2313 mikrokontroler

Elektronska brava napravljena je uz pomoć ATMEL-ovog 8-mobitnog AVR mikrokontrolera AT90S2313, a programiran je u BASCOM-u (BASic COMpiler). Izgled mikrokontrolera možemo vidjeti na slici 3.1.1.1:

Slika 3.1.1.1.

Raspored pinova mikrokontrolera možemo vidjeti na slici 3.1.1.2

Slika 3.1.1.2.

Mikrokontroler je baziran na AVR RISC arhitekturi. Blok dijagram AT90S2313 je korisno proučiti jer se na njemu vidi osnovni pregled sveukupne unutrašnjosti ( registri, portovi, magistrale itd. ) ono što je značajno za istaknuti u primjeni ovog mikrokontrolera kod ovog uređaja, je da ima dva porta, PORT A i PORT B, sa sveukupno 15 I/O pinova. Također posjeduje dva brojača, jedan osmobitni, a drugi šesnajstobitni. Što se portova tiče ako su programirani kao ulazni softverski se mogu uključiti/isključiti interni pull-up otpornici. Na slici 3.1.1.3. prikazana je shema povezivanja jednog pina sa DATA busom i pripadajućim pull-up otpornikom napravljenim u MOS tehnologiji. Svi pinovi porta A i B mogu dati 20 mA i time direktno pogoniti LED display-e.

Za rad mikrokontrolera potreban je eksterni oscilator napravljan pomoću kristala kvarca ( Ovdje je korišten kristal 4MHz ) i dva prateća blok kondenzatora, čime odredimo takt mikrokontrolera.

U prilogu možemo vidjeti blok shemu mikrokontrolera (sl. 7.1).

4, OPIS PROGRAMA

Program je pisan u programskom jeziku BASCOM – AVR. Program sadržava sleep funkciju, koja smanjuje potrošnju energije u mikrokontroleru (u stanju pripreme – stand by) na 0.001 mA. Na početku programa je postavljen tip mikrokontrolera i frekvencija upotrijebljenog kristala. Slijede pomoćne varijable za programiranje, određivanje ulaza i izlaza oba porta, postavljanje portova na nultu vrijednost i postavljanje dva pull – up otpornika. Prva petlja počinje na labeli Begin. U njoj se provjerava dali je kartica utaknuta u čitač (vrijednost na pinu 6). Ako je kartica utaknuta , slijedi očitavanje serijskog broja kartice. Serijski broj kartice se ili uspoređuje s već upisanim serijskim brojevima u EEPROMU ili se pak upisuje u slobodno mjesto u EEPROMU mikrokontrolera. Koja će se operacija izvršiti određuje se kratkospojnikom STO (Store). Postavljeni kratkospojnik znači da će se izvršiti spremanje serijskog broja umetnute čip kartice (skok na labelu store), a izvučeni kratkospojnik da će se pokrenuti uspoređivanje s već zapisanim serijskim brojevima čip kartica (skok na labelu check). U slučaju da je serijski broj čip kartice ispravan , uslijedit će dva zvučna signala i čekanje na izvlačenje kartice iz čitača. Jednu sekundu nakon izvlačenja kartice iz čitača mikrokontroler aktivira relej za otključavanje brave u vremenu od 2 sekunde. Dva zvučna signala služe i za potvrdu uspješnosti upisivanja (spremanja) serijskog broja u EEPROM (memoriju). Ako je pak u čitač umetnuta čip kartica sa pogrešnim serijskim brojem (broj nije memoriran) uslijedit će deset kratkih signala.

5.POSTUPAK IZRADE

5.1. OPČENITO O TISKANIM PLOČICAMA

Danas teško možemo zamisliti neki složeniji spoj bez upotrebe tehnike tiskanih spojeva, a praktičnost joj se ne može osporiti niti kod jednostavnijih uređaja. Tehnika tiskanih spojeva donijela je prema uobičajenoj spojnoj tehnici ožičavanja niz prednosti : veću preglednost , smanjenje obujma i težine , te znatno bržu izradu u maloserijskoj i serijskoj proizvodnji.

5.2. MATERIJAL POTREBAN ZA TISKANU PLOČICU

U principu za tiskane pločice može poslužiti bilo koji izolacijski materijal prevučen tankim slojem bakra - el. vodiča , bilo s jedne ili s obje strane ; međutim , najčešće je to pertinaks, super-pertinaks, tvrdi papir ili epoksidna tvrda staklena tkanina.

Ova zadnja spomenuta poznata je u nas pod nazivom Cu-vitroplast te ima niz prednosti nad drugim materijalima : velika čvrstoća , poluprozirnost ,...

Budući da je poluproziran, može se dobro uz pomoć svjetla konstatirati eventualni prekid izrađenih spojnih vodova, neželjeni kontakt ili kratki spoj vodova, i sl. Ploče oslojene bakrom nazivaju se i bakrom kaširane ploče.

Sloj bakra može biti različite debljine , no najčešće je to 35 Nm.

Karakteristično je za ploče vitroplasta to da je boja laminata blijedozelena.

5.3. IZRADA TISKANE PLOČICE TERMOPOSTUPKOM

Tiskane pločice mogu se izrađivati na nekoliko različitih načina. Metoda izrade ovisi o željenoj kvaliteti tiskanih pločica, količini i cijeni.

Najprije se na specijalnu foliju debljine 0,1 mm pomoću standardnog fotokopirnog stroja prekopira izgled tiskane pločice, zapravo fotokopiranjem se na foliju nanosi boja koja se u slijedećoj fazi izrade mora prenijeti na bakrenu površinu buduće pločice.

Toplinskom obradom boja s folije prelazi na bakrenu površinu i tu sada čini sloj otporan na otopinu za jetkanje.

Željeni predložak izgleda vodova fotokopira se na foliju pomoću normalnog fotokopirnog stroja.

Bakrenu površinu pločice treba dobro očistiti, a zatim na nju pomoću dva mala komadića ljepljive trake pričvrstiti folija i to tako da boja dođe sa strane bakra. Pločica se na pogodan način zagrije na otprilike 140 °C, a zatim se gumenim valjkom nekoliko puta uz umjereni pritisak pređe preko folije.

Ovako obrađenu pločicu treba ohladiti, a foliju polagano skinuti.

Ako je potrebno napraviti korekciju otiska najjednostavnije je vodootpornim flomasterom, nakon čega se pločica stavlja u otopinu za jetkanje.

Vrijeme jetkanja bakra ovisi o vrsti jetkala i samom tehnološkom postupku, a ako su sve prethodne radnje dobro izvedene kvaliteta gotove tiskane pločice bit će potpuno zadovoljavajuća.

Pločicu je najlakše zagrijati na potrebnu temperaturu uz pomoć glačala i to tako da se temperatura glačala podesi na pamuk, a glačalo okrene radnom površinom prema gore.

Na glačalo zatim postavite pločicu koja se za otprilike dvije minute zagrije na potrebnu temperaturu.

5.4. IZRADA TISKANE POLČICE FOTOPOSTUPKOM

Čišćenje bakrom kaširane pločice "VIM-om" ili sličnim sredstvom

2. Pranje pločice

Sušenje pločice

4. Oslojavanje foto-sprejem

Sušenje u pećnici (25 do 30 min.) - max. temperatura 70 °C

Kopiranje predloška (filma) na fotosloj (4 do 20 min.)

Razvijanje (oko 2 min.) - razvijač temperature oko 20 °C

Ispiranje

Jetkanje (5 do 20 min.) - temperatura otopine max. 50 °C

Ispiranje

Sušenje

Oslojavanje zaštitnim lakom preko kojega se može lemiti

4.5. JETKANJE PLOČICA

Nakon što smo prenijeli željeni sloj na bakreni sloj pristupit ćemo jetkanju u odgovarajućoj otopini.

Takvih otopina ima gotovih samo je pitanje mogu li se uvijek nabaviti.

Jedna od takvih otopina je otopina bakrenog(II)klorida CuCl2.

Bakreni(II)klorid se dobiva u kristalom obliku. Otapa se u vodi i to 200g po litri vode zagrijanoj na 40°C u koju se poslije toga po litri tekućine doda oko 1 dl koncentrirane solne kiseline.

Jetka se na sobnoj temperaturi i to svega 10 min pri jakom gibanju pločice. Ako se otopina zagrije na temperaturu više od 50°C, vrijeme jetkanja se pri svježoj otopini skraćuje na svega 2 min.

Pri jetkanju se treba pobrinuti da se pločica cijelo vrijeme giba amo-tamo. Nakon što se odjetka sav suvišni bakar, pločicu treba dobro isprati tekućom vodom i osušiti toplinom, npr.,sušilom za kosu ili pak među papirima.

Iza toga potrebno je prikladnim otapalom (razrjeđivačem) skinuti zaštitni sloj ili preslikače.

To su, npr.,nitro razrjeđivač za lakove, aceton, benzin za preslikače i sl. Tiskanu pločicu na kojoj se sada jasno vidi bakreni sloj potrebno je nasprejati posebnim lakom koji će bakreni sloj zaštititi od oksidacije.

To ne smije biti kakav god lak, jer će se sigurno desiti da će kasnije lemljenje biti otežano ili čak onemogućeno.

Lakovi predviđeni upravo za tu svrhu su, npr.: Lotlack SK 10, Lot-Spray, Teslanol 12 ili A-film. Takva pločica, jednoliko zaštićena lakom, može stajati dulje vremena prije uporabe, pod uvjetom da prije zaštićivanja nije bila oksidirana.

5.6. BUŠENJE TISKANE PLOČICE

Tiskane pločice treba bušiti pažljivo i s odgovarajućom brzinom vrtnje svrdla. Brzina vrtnje ovisi o materijalu upotrijebljenog svrdla i njegovog reznog kuta , pa i materijalu pločice.

U principu treba upotrebljavati čim veće brzine vrtnje , jer će to dati čišće provrte , a brzina rada će biti veća. Za normalne sastavne elemente rupe treba bušiti svrdlima promjera 0,8 , 0,9 te 1 mm , a prema potrebi i 1,1 te 1,2 mm , što ovisi o promjeru priključaka sastavnih elemenata.

5.7. LEMLJENJE

Lemljenje je jedna od najvažnijih radnji pri sastavljanju sklopa.

Ako ne znamo lemiti onda nam neće pomoći ni dobro lemilo ni dobar lem. Najveću pogrešku čine oni koji na vrh lemila pritisnu žicu za lemljenje, pa tako dobiju kapljicu rastopljenog kositra koju onda donesu na mjesto na kojem treba ostvariti spoj. Pri tome ni ne misle na to, da je sredstvo predviđeno za čišćenje metalnih površina, koje treba zalemiti, isparilo već na šiljku lemila. Sličan tome je slučaj prikazan na primjeru neispravnog lemljenja slika 5.7.1. ispravan postupak je prikazan na slici 5.7.2., gdje se dobro pocinčanim šiljkom lemila zagrijava priključna žica elektroničkog elementa.

Slika 5.7.1. Prikaz neispravnog

Slika 5.7.2. Prikaz ispravnog lemljenja lemljenja

Ona prvo otopi sredstvo za lemljenje koje zalije čitavo mjesto spoja, koje se onda u nastavku razlije rastopljeni kositar. Šiljak lemila se ne smije odmah odmaknuti, već treba sačekati da kositar poprimi jednoličnu srebrnu boju. Dobar lemni spoj je nakon što se ohladi, gladak, a boja mu je mat-srebrna. Uz pojam lemljenja ide i pojam tzv. hladnih spojeva.

To su spojevi naoko u redu, ali su zapravo trajno ili povremeno bez kontakta. Hladni spojevi mogu nastati odmah ili nakon nekog vremena.

Dobra lemna mjesta na tiskanim spojevima izgledaju kao na slici 5.7.3., a loša onako kako je prikazano na slici 5.7.4.

Slika 5.7.3. Izgled pravilno napravljenih lemnih mjesta

Slika 5.7.4. Izgled nepravilno napravljenih lemnih mjesta

5.8. POSTUPAK IZRADE SKLOPA

Tiskana pločica je jednostrana. S obzirom na visinu elemenata preporuča se redosljed lemljenja od najnižih prema najvišim, dakle: podnožje za IC1, otpornici R i diode D, kvarc Q1, tranzistori T1, T2, T3, kondenzatori, ispravljački mostovi BR1 i BR2, kratkospojnici C12, C34 i STO, priključne stezaljke i relej RE1. Otpornik R7 zalemimo na poziciju s oznakom R7 ili na poziciju s oznakom Rx. Isprobamo obje pozicije iako među njima najčešće uopće nema razlike. Osigurač F1 mora biti u zatvorenom kućištu! Na elektroniku najprije dovedemo napajanje bez umetnutog mikrokontrolera. Za provjeru rada elektronike umjesto transformatora možemo upotrijebiti 12V istosmjernog napona iz ispravljača ili adaptera ili napona dviju u seriju povezanih 9V baterija. Provjerimo dali svijetli LED dioda D1 i da li je prisutan napon na pinu 20 podnožja mikrokontrolera koji iznosi 5V. Ako je sve u redu otpojimo napajanje, u podnožje IC1 stavimo mikrokontroler i spojimo konektor čitača kartice i ponovno dovedemo napon napajanja. Relej brave mora privući i zaključati vrata. Prema ranije opisanim uputama trebamo memorirati brojeve sa kartica i još jednom provjerimo ispravnost čitave elektroničke brave. Spajanje konektora čitača čip kartice , transformatora, električne brave i zujalice vidljivo je iz sheme u

prilogu (sl. 7.2).

Konektor čitača čip kartica, kojemu izvana dodajemo metalnu prednju ploču s otvorom, montiramo s vanjske strane, a svu ostalu elektroniku s unutarnje strane ulaznih vrata. Tiskanu pločicu konektora čitača čip kartice povežemo s tiskanom pločicom elektronike 8-žilnim kablom. Od kućišta elektronike položimo kanal do najbližeg izvora napona 220/230 V i do električne brave.

Izgled i raspored elemenata na tiskanoj pločici prikazuju ove slike:

Slika 5.8.1 Smartcard čitač Slika 5.8.2 Elektronika

5.9. MONTAŽNA SHEMA

5.10. IZGLED GOTOVE PLOČICE I ČITAČA SA ZALEMLJENIM

ELEMENTIMA

5.11 GOTOV SKLOP U KUČIŠTU

6. ZAKLJUČAK

Opisani sklop nije bio prekompliciran za izradu. Gotovi sklop je radi prema očekivanju, prilikom izrade nisam imao većih problema. Cijeli proces izrade tekao je vrlo ujednačeno i jako sam zadovoljan dobivenim rezultatom, jer neću morati više imati poderane džepove radi nošenja ključeva od kuče.

Sada sam ključeve zamijenio karticom što se pokazalo vrlo korisnim i praktičnim.

Kroz ovaj rad uvjerio sam se da je sklop vrlo koristan, te se nadam da će i drugi pokušati napraviti ovaj sklop te spoznati u njegovu korisnost i pouzdanost.

7. PRILOZI

7.1 BLOK SHEMA MIKROKONTROLERA

7.2 ELEKTRIČNA SHEMA

7.3 SHEMA UGRADNJE NA ULAZNA VRATA

7.4 POPIS UPOTREBLJENIH ELEMENATA

Kom. Tip Vrijednost Oznaka

1 OTPORNIK 1 kohm R1

2 OTPORNIK 22 kohm R2, R8

3 OTPORNIK 4.7 kohm R3,R9,R11

3 OTPORNIK 10 kohm R4, R5, R6

1 OTPORNIK 3.3 kohm R7

1 EL. KONDENZATOR 220μF / 35 V C1

1 EL. KONDENZATOR 22μF / 35 V C3

2 KONDENZATOR 33 pF C4, C5

4 KONDENZATOR 100 nF C2, C6, C7, CX

2 TRANZISTOR NPN BC 547 C T1, T2

1 TRANZISTOR PNP BC 557 C T3

1 DIODA 1N4007 D2

1 LED-DIODA RD 3mm D1

4 DIODA 1N4001 D3

2 GREATZOV MOST B80C1500 BR1, BR2

1 MIKROKONTROLER AT90S2313 IC1

1 PODNOŽJE 20 PIN IC1

1 NAP. STABILIZATOR 78L05 IC2

1 OSIGURAČ 100 Ma F1

1 POSTOLJE OSIGURAČA ZATVORENO F1

1 KRISTAL 4 MHz Q1

1 RELEJ 12 V DC RE1

1 TRANSFORMATOR 230/12V/1.5A TR

1 ZUJALICA 3-16 V Pi

22 PRIKLJUČNE STEZALJKE RASTER 5.08 mm J1-J14, 1-6, P i M

3 KRATKOSPOJNICI STO, C12, C34

1 ISO SMARTCARD CONNECTOR

1 KUTIJA 87x127x60 KUČIŠTE

1 PREDNJA PLOČA 25x105x2 PLASTIKA

2 TISKANA PLOČICA ZA ELEKTRONIKU I KONEKTOR

1 EL. BRAVA ZA NAPON 8-12 V EL. BRAVA

8. LITERATURA

Rudi Šlejkovec elektronička ključavnica Smartcard4

http://www.avr.4mg.com

2. Rudi Šlejkovec Elektronička brava Smartcard4

Svijet ELEKTRONIKE, 2003, Prosinac, str.

3. Atmel Corporation

http://www.atmel.com

4. Jelaković Tihomir, Uvod u elektroniku I elektrotehniku, 1989.,

Školska knjiga - Zagreb