Sygnet otwierający sejf

Urządzenie składa się z dwóch części: sygnetu i zamka. Sygnet zawiera diodę LED wysyłającą kod odbierany przez czujnik światła umieszczony w zamku. Transmisja jest dwukierunkowa. Zamek stale wysyła zapytanie o kod, a w odpowiedzi sygnet przesyła swój unikatowy kod. Zamek odbiera go i sprawdza czy jest zgodny z zapisanym w pamięci. W przypadku zgodności, podawany jest sygnał elektryczny do elektromagnesu lub silnika, co powoduje odsunięcie rygla zamka.

Tak pomyślane urządzenie jest niezwykle oszczędne pod względem użytych do budowy elementów. Zawiera dwa miniaturowe mikrokontrolery, dwie diody LED, diodę Zenera, tranzystor i kilka elementów biernych SMD. Jeszcze skrawek jednostronnego laminatu i to prawie wszystko!

Dioda LED

Z diodami LED każdy spotkał się i potrafi dobrać odpowiednie do zamierzonego celu rozmiary obudowy diody i właściwy kolor świecenia. Barwa emitowanego światła związana jest ze składem chemicznym użytego materiału półprzewodnikowego, co z kolei ma wpływ na spadek napięcia na diodzie.

Jasność świecenia jest w dość dobrym przybliżeniu wprost proporcjonalna do przepływającego przez diodę prądu. Na obserwowaną jasność ma wpływ sposób wykonania obudowy zamykającej strukturę półprzewodnikową diody. Obudowa może rozpraszać światło, względnie je ukierunkowywać, tak by było emitowane w określonym kącie bryłowym, np. 30°. Do opisywanego zastosowania najbardziej przydatne wydają się być diody określane w katalogach terminem: extra bright lub super bright.

W związku z tym, że zjawiska fizyczne są odwracalne, to można użyć diody LED również jako czujnika światła, ponieważ oświetlone złącze półprzewodnikowe generuje napięcie. Praktyczne wykorzystanie LED jako czujnika światła wymaga mniej lub bardziej dokładnego zdefiniowania parametrów takiego czujnika. Na podstawie pomiarów dla określonego typu LED w warunkach centymetrowej odległości między diodami i przy kilku miliamperach prądu diody nadawczej, przyjęto że oświetloną diodę LED można zastąpić źródłem prądowym o wydajności 1 µA. Przy analizie własności częstotliwościowych czujnika światła należy uwzględnić pojemność złącza p-n. Taki, mocno uproszczony, schemat zastępczy przedstawiony na rys. 1, umożliwia oszacowanie spodziewanej amplitudy sygnału występującego na rezystancji obciążenia RL. Przyjmując, że rezystancja obciążenia ma wartość 1 MV należy spodziewać się sygnału o amplitudzie 1 V.

Rys. 1. Przyjęty schemat zastępczy diody LED pracującej jako czujnik światła

Sygnał z czujnika oświetlenia może być większy lub mniejszy, zależnie od odległości między diodami i od kąta pomiędzy osiami diod. Aby uzyskać sygnał cyfrowy, sygnał z diody podawany jest na komparator o poziomie detekcji ustalonym na 0,6 V. Przebieg z wyjścia komparatora analizowany jest przez mikrokontroler.

Format i parametry transmisji

Dioda w zamku pracuje nieprzerwanie, wysyłając impulsy świetlne synchronizujące z ustaloną częstotliwością. Przez pierwszą część okresu świeci, a w czasie drugiej części przełączana jest na odbiór światła (rys. 2). Obserwator, wskutek bezwładności oka, odnosi wrażenie, że dioda jest ciągle zapalona.

Rys. 2. Format transmisji sygnałów między zamkiem a sygnetem

Dioda w sygnecie jest normalnie ustawiona na odbiór – obserwator określi ją jako zgaszoną. Gdy wykryje ona impulsy synchronizujące mające odpowiednią częstotliwość, to przełączana jest w tryb nadawania kodu. Jeśli bit kodu jest jedynką, to świeci pomiędzy impulsami synchronizującymi, lub pozostaje wygaszona, jeśli wysyłany bit kodu jest zerem. Pierwszym znakiem kodu musi być jedynka. Podczas transmisji kodu obserwator zauważy krótki błysk.

Rys. 3. Rozkład i oznaczenie wyprowadzeń mikrokontrolera PIC10F204

Dioda w zamku, po odebraniu poprawnego kodu, przestaje na pewien czas świecić, tym samym nie wymuszając powtórnej transmisji kodu.

W opisywanym urządzeniu przyjęto częstotliwość impulsów synchronizujących równą 2 kHz. Założono, że do świecenia diody w sygnecie wystarczający będzie prąd około 6 mA. Długość kodu ustalono na 24 bity, co zapewnia 8 mln kombinacji. Przy tych założeniach, czas przesłania kodu wynosi 12 ms. Jeśli sygnet będzie używany co godzinę, to średni prąd potrzebny do transmisji kodu jest nie większy od 0,01 mA!

W powyższym wyliczeniu pominięto prąd zużywany przez mikrokontroler sterujący pracą sygnetu. Opierając się na danych katalogowych mikrokontrolera typu PIC10F204, pobór nie powinien przekroczyć 300 µA w stanie aktywnym i 1 µA w trybie sleep. Stan aktywny jest potrzebny do wykrycia impulsów synchronizujących. Wymaga to, co najmniej 2 ms. Jeśli impulsy synchronizujące będą wykrywane w odstępie co 3 sekundy, to średnie zużycie prądu związane ze stanem aktywnym wyniesie 0,2 µA. Zatem, sumaryczny prąd zasilania sygnetu nie powinien przekroczyć 2 µA i to oszacowanie umożliwia dobór baterii zasilającej.

Minimalne napięcie zasilające mikrokontroler PIC10F204 to 2 V. Suma spadków napięć na czerwonej diodzie LED i szeregowym oporniku ograniczającym prąd diody, to minimum 2,5 V i co najmniej takie powinno być napięcie zasilania. Baterie litowe typu CR mają nominalne napięcie 3 V. W czasie pracy napięcie baterii litowej jest względnie stałe. Rozmiary tego typu baterii są zawarte w jej oznaczeniu (średnica w mm, grubość w 1/10 mm). Im większe rozmiary ma bateria, tym większą ma pojemność (tab. 1). Pojemność 50 mAh zapewni prawie 3-letni czas funkcjonowania sygnetu. W projekcie zastosowano baterię CR1620.

Sygnet

Schemat układu sygnetu jest bardzo prosty (rys. 4).

Rys. 4. Schemat ideowy urządzenia

Rezystor R1 ogranicza prąd diody LED pracującej jako nadajnik. Rezystor R2 to obciążenie dla diody LED pracującej jako czujnik światła. Przełączaniem trybu pracy steruje mikrokontroler PIC10F204. Wyprowadzenie GP0 jest wyjściem podczas nadawania. W czasie detekcji impulsów synchronizujących GP0 jest wejściem (IN+) komparatora. Drugie wejście komparatora (IN–) jest w tym czasie wewnątrz mikrokontrolera dołączone do napięcia odniesienia 0,6 V. Układ zasila bateria litowa zwarta kondensatorem C1 zmniejszającym wpływ rezystancji wewnętrznej baterii.

Zamek

Schemat układu zamka, w stosunku do schematu sygnetu został uzupełniony o wyjście typu otwarty kolektor – tranzystor T1. Tranzystor sterowany jest wyjściem GP1 mikrokontrolera i umożliwia włączenie na ustalony programowo czas elektromagnesu lub silnika przesuwającego rygiel. Na schemacie pominięto diodę tłumiącą przepięcia występujące przy obciążeniach o charakterze indukcyjnym. Układ przystosowany jest do zasilania napięciem 12 V.

Montaż

Elementy elektroniczne urządzenia umieszczamy na płytkach drukowanych wykonanych z jednostronnego szklano-epoksydowego laminatu o grubości 0,5 mm. Rozmieszczenie elementów pokazano na rys. 5 i rys. 6.

Rys. 5. Płytka drukowana sygnetu, wymiary: 12×11 mm

Rys. 6. Płytka drukowana zamka, wymiary: 12×18 mm

Po przylutowaniu, mikrokontrolery trzeba zaprogramować. Płytki drukowane mają (nie pokazano tego na schemacie ideowym) kontakty do podłączenia programatora. Do płytek, na czas programowania, najwygodniej dołączyć przejściówkę wykonaną z typowego złącza bezpośredniego 801 (edge connector Cannon 801). Po zaprogramowaniu płytkę sygnetu umieszczamy na minusowym biegunie baterii CR 1620 i lutujemy doprowadzenia zasilania.

Aby sprawdzić działanie urządzenia, układ zamka uzupełniamy o buzzer i zasilamy napięciem 12 V. Zbliżamy diodę LED w sygnecie do diody LED zamka i buzzer powinien się odezwać. Jeśli wydaje dźwięk, to urządzenie działa, ale to nie koniec naszej pracy. Pozostaje dopracowanie szczegółów czyli nadanie ostatecznych kształtów sygnetowi (dolutowanie obrączki, wykończenie powierzchni czołowej – może zalanie żywicą epoksydową, itd.), oraz ustalenie jaki ma być element wykonawczy w zamka.

Program sterujący

Do opisu projektu dołączono pliki: SYG.HEX i SEJF.HEX umożliwiające zaprogramowanie mikrokontrolerów (z celowo ograniczoną funkcjonalnością).

Początek programu sygnetu zawiera instrukcje:

Ostatnią cyfrę kodu można zmienić zmieniając argument drugiej z kolei instrukcji, lub wpisując do czystych komórek odpowiednie rozkazy. Przykładowo, dla sygnetu, który winien mieć na ostatniej pozycji kodu cyfrę 7 należy do czystych komórek wpisać:

Program dla mikrokontrolera w zamku zawiera instrukcję związaną z czasem trwania impulsu uruchamiającego zamek. Początek tego programu jest następujący:

Jeśli pojawi się potrzeba wydłużeni np. do 3,6 sekund działanie elementu wykonawczego, to w programie, poczynając od pierwszej czystej komórki należy wpisać:

Wspomniana ograniczona funkcjonalność programu polega na tym, że:

• tylko cztery z 24 bitów kodu można zmienić,
• czas pracy urządzenia jest ograniczony do około miesiąca.

Ryszard Głowacki