Arduino Projekt: Türsicherheitssystem

Abb. 1: Türsicherheitssystem

Autor: Justin Frommberger

Aufgabenstellung

• Ziel des Projektes ist, ein Türsicherheitssystem zu simulieren.
• Die Aufgabe besteht darin, die Tür mit einem vierstelligen Zahlencode zu öffnen (LED leuchtet grün).
• Wird der Code 3-mal falsch eingegeben, ertönt ein Warnsignal und die LED leuchtet rot.
• Alle Eingaben müssen auf dem seriellen Monitor angezeigt werden.
  

⇒ Für den Fall, dass kein Arduino zur Verfügung steht oder Materialien nicht vorhanden sind. Kann dieser webbasierter Arduino Emulator verwendet werden. [klicken]


[Abb. 2: UML]

Benötigte Materialien

Tabelle 1: Materialliste

Nr.	Anz.	Beschreibung	Bild
①	1	Funduino Arduino UNO R3
②	1	Typ 2
③	20+	Jumperkabel, männlich/männlich
④	1	Steckbrett
⑤	2	LED Rot/Grün
⑥	3	Widerstand 120 Ω
⑦	1	TowerPro SG90 Servomotor
⑧	1	Piezo Lautsprecher
⑨	1	4x4 Tastenfeld

Vorab wichtig zu wissen

Abb. 3: LED

Servomotor Kabel

Tabelle 2: Servomotor Farberkennung

Schwarz oder Braun	Masse (GND)
Rot	VCC/+ 5 V
Organe, Gelb oder Weiß	PWM-Signal

Tastenfeld

Definition Tastenfeld [klicken]

Aufbau Schaltung

Abb.4 Schaltung Tür Sicherheitssystem

In Abbildung 4 wird die Schaltung für das Projekt "Tür Sicherheitssystem" dargestellt.
Bevor mit der Programmierung begonnen werden kann, muss die Schaltung des Projekts aufgebaut werden.

Programmierung

Es ist wichtig, die [Programmierrichtlinien] beim Programmieren einzuhalten.

Wenn Sie Fragen zur Programmierung haben, finden Sie die Antworten in den [Grundkenntnissen].

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Bibliotheken einfügen

Laden Sie für das Projekt die Bibliothek für das Tastenfeld 4x4 herunter.
Benötigt werden die Bibliotheken Servo.h und Keypad.h.

[Quelltext 1: TSS.ino]

Lösung  

/* Benötigte Bibliotheken */
#include <Keypad.h>
#include <Servo.h>

---

Initialisierung Arduino

1. Tastenfeld initialisieren
Ziel ist es, alle benötigten Variablen für die Funktion zu definieren:
Keypad tastenfeld = Keypad(makeKeymap(Hexa_Keys), rowPins, colPins, ROWS, COLS);

• ROWS sind die Anzahl der Spalten und COLS sind die Anzahl der Zeilen. Diese werden als Variable festgelegt.
• Daraufhin müssen rowPins und colPins über eine Array-Zuweisung ihren Ziffern zugeordnet werden.
• Zum Schluss muss die hexaKeys Matrix aufgebaut werden. Hier wird jede Ziffer für das Tastenfeld festgelegt.

[Quelltext 2: TSS.ino]

Lösung  

/* Tastenfeld */
/* Größe des Keypads definieren */
const byte COLS = 4; //4 Spalten
const byte ROWS = 4; //4 Zeilen

byte colPins[COLS] = {2,3,4,5}; //Definition der Pins für die 3 Spalten
byte rowPins[ROWS] = {6,7,8,9}; //Definition der Pins für die 4 Zeilen

/* Ziffern und Zeichen des Keypads festlegen */
char hexaKeys[ROWS][COLS]={
{'D','#','0','*'},
{'C','9','8','7'},
{'B','6','5','4'},
{'A','3','2','1'}
};
Keypad tastenfeld = Keypad(makeKeymap(hexaKeys), rowPins, colPins, ROWS, COLS); //Das Keypad kann ab sofort mit "Tastenfeld" angesprochen werden

2. Tastenfeld Variablen
Benötigte Variablen zum:

• Festlegen des Passwortes, jeder Buchstabe einzeln
• Speichern der aktuell gedrückten Taste
• Speichern der vier gedrückten Tasten
• Verhindern einer falschen Position bei der Eingabe

[Quelltext 3: TSS.ino]

Lösung  

/* Variablen */
char p1='1';char p2='2';char p3='3';char p4='A'; // Vier Zeichen des Passwortes eingegeben
char taste; //Taste ist die Variable für die jeweils gedrückte Taste auf dem Tastenfeld
char c1, c2, c3, c4; // Speichern der gedrückten Tasten
byte z1=0, z2, z3, z4; // Falsche Position zuordnen wird verhindert

3. Motor, Buzzer und RGB initialisieren

Pins

LED	12 und 13
Motor	11
Buzzer	10

⇒ pinMode();
⇒ Servo.h
[Quelltext 4: TSS.ino]

Lösung  

/* Motor */
Servo servoBlau; //Servomotor Definition

/* Buzzer */
const byte SOUND_BUZZER = 10; // Buzzer ist an Pin 10 angeschlossen
unsigned int sound = 500;  // Frequenz von 500 Hertz
byte falscheEingabe;    // Für eine falsche Eingabe

/* RGB */
const byte ROTE_LED = 12; //Rote LED ist an Pin 12 angeschlossen
const byte GRUENE_LED = 13; //Grüne LED wird an Pin 13 angeschlossen

void setup() 
{
 Serial.begin(9600);

 pinMode(ROTE_LED, OUTPUT);   //Die LEDs werden als Ausgang festgelegt
 pinMode(GRUENE_LED, OUTPUT);

 servoBlau.attach(11); //Der Servomotor ist an Pin 11 angeschlossen
}

---

Richtige Reihenfolge der Eingabe

Wichtig ist, dass die Ziffern richtig eingegeben werden.

• So muss sich eine Funktion überlegt werden, welche dies ermöglicht.
• Zur Verwendung kommen nun die Variablen für die falsche Eingabe.
• Auch muss die Variable Taste ihre Werte erhalten.
• Die gedrückte Taste wird in der c1-4 Variable abgespeichert, um später das Passwort zu überprüfen.

Tipp:

1. Nachdem die erste Ziffer gedrückt wurde, öffnet sich die Eingabe für die zweite Ziffer usw.
2. Benötigt wird hierfür eine if-Bedingung und eine goto Funktion.
3. Die Taste bekommt mit der Funktion tastenfeld.getKey(); ihre Ziffer.

[Quelltext 5: TSS.ino]

Lösung  

void loop() 
{
 Anfang: // Goto Anfang
 taste = tastenfeld.getKey(); 

/* Richtige Reihenfolge des Passwortes erstellen */
  if (z1==0) // Wenn das erste Zeichen noch nicht gespeichert wurde.
  {
   c1=taste; //Unter der Variablen "C1" wird nun die aktuell gedrückte Taste gespeichert
   Serial.print("Die Taste "); 
   Serial.print(c1);
   Serial.println(" wurde gedrückt");
   z1=1; z2=0; z3=1; z4=1; // Zugang zur zweiten Zeicheneingabe freischalten
   goto Anfang;
  }
 
  if (z2==0)
  {
  c2=taste; //Unter der Variablen "C2" wird nun die aktuell gedrückte Taste gespeichert
  Serial.print("Die Taste "); 
  Serial.print(c2);
  Serial.println(" wurde gedrückt");
  z1=1; z2=1; z3=0; z4=1; // Zugang zur dritten Zeicheneingabe freischalten
  goto Anfang;
  }

  if (z3==0) 
  {
  c3=taste; //Unter der Variablen "C3" wird nun die aktuell gedrückte Taste gespeichert
  Serial.print("Die Taste "); 
  Serial.print(c3);
  Serial.println(" wurde gedrückt");
  z1=1; z2=1; z3=1; z4=0; // Zugang zur vierten Zeicheneingabe freischalten
  goto Anfang;
  }
  
  if (z4==0) // Wenn das vierte Zeichen noch nicht gespeichert wurde
  {
   c4=taste; //Unter der Variablen "C4" wird nun die aktuell gedrückte Taste gespeichert
   Serial.print("Die Taste "); 
   Serial.print(c4);
   Serial.println(" wurde gedrückt");
   z1=1; z2=1; z3=1; z4=1; // Zugang zur weiteren Zeicheneingabe sperren
  }
 }
}

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Tür öffnen und schließen

• Für das Öffnen der Tür wird die Taste (#) verwendet. Um die Tür zu verriegeln, wird die Taste (*) genutzt.
• Wenn die Tür offen ist, leuchtet die LED Grün, und Rot, wenn die Tür geschlossen ist.
• Der Motor soll sich beim Schließen zu 90 Grad, beim Öffnen wiederum zu 0 Grad drehen.
• Überprüfe vor dem Öffnen, ob das Passwort korrekt eingegeben wurde.
  

Tipp:

1. Benötigt werden if-Else Funktionen, die nach der bestimmten Taste abfragen und die Anweisung dann ausführen.
2. Nutzen Sie Vergleichsoperatoren zum Abfragen des Passwortes.

[Quelltext 6: TSS.ino]

Lösung  

void loop() 
{
 Anfang: // Goto Anfang
 taste = tastenfeld.getKey(); 
 if (taste) 
 {
  if (taste=='*')
   {
    Serial.println("Tür verriegelt");
    delay(1000);
    servoBlau.write(90); //Servomotor zum Verriegeln auf 90 Grad ansteuern
    digitalWrite(ROTE_LED, HIGH);
    digitalWrite(GRUENE_LED, LOW); 
    z1=0; z2=1; z3=1; z4=1; // Zugang zur ersten Zeicheneingabe freischalten
    goto Anfang; // Damit das Zeichen "*" nicht im folgenden Abschnitt als Codeeingabe gewertet wird
   }
   
  if (taste=='#')
   {
   if (c1==p1&&c2==p2&&c3==p3&&c4==p4) //wird geprüft, ob die eingaben Codezeichen übereinstimmen
   {
    Serial.println ("Code korrekt, Schloss offen");
    servoBlau.write(0); //Servomotor zum Öffnen auf 0 Grad ansteuern.
    digitalWrite(ROTE_LED, LOW);
    digitalWrite(GRUENE_LED, HIGH);
   }
   else // ist das nicht der Fall, bleibt das Schloss gesperrt
   {
    Serial.println ("Code falsch, Schloss gesperrt");
    digitalWrite(ROTE_LED, HIGH); 
    digitalWrite(GRUENE_LED, LOW);
    delay(2000);
    z1=0; z2=1; z3=1; z4=1; // Der Zugang für die erste Zeicheneingabe wird wieder freigeschaltet
    goto Anfang; // Damit das Zeichen "#" nicht im folgenden Abschnitt als Codeeingabe gewertet wird.
  }
 }

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Einbrecher Warnung!

Die Zusatzaufgabe ist, einen Buzzer ertönen zu lassen, wenn das Passwort 3-mal falsch eingegeben wurde.

Tipp:

1. Bei einer falschen Eingabe wird die Variable hochgezählt.
2. Wenn die Variable 3 erreicht, ertönt der Buzzer.

⇒ tone();

[Quelltext 7: TSS.ino]

Lösung  

  if (taste=='#')
   {
   if (c1==p1&&c2==p2&&c3==p3&&c4==p4) //wird geprüft, ob die eingaben Codezeichen übereinstimmen
   {
    Serial.println ("Code korrekt, Schloss offen");
    servoBlau.write(0); //Servomotor zum Öffnen auf 0 Grad ansteuern.
    digitalWrite(ROTE_LED, LOW);
    digitalWrite(GRUENE_LED, HIGH);
   }
   else // ist das nicht der Fall, bleibt das Schloss gesperrt
   {
    Serial.println ("Code falsch, Schloss gesperrt");
    falscheEingabe += 1;
   
   if(falscheEingabe == 3)          // Wenn der Code 3 mal falsch eigegeben wurde
   {
    Serial.println("Besitzer wurde benachrichtigt!");
    tone(SOUND_BUZZER, Sound);
    delay(8000);
    noTone(SOUND_BUZZER);
   }
    digitalWrite(ROTE_LED, HIGH); 
    digitalWrite(GRUENE_LED, LOW);
    delay(2000);
    z1=0; z2=1; z3=1; z4=1; // Der Zugang für die erste Zeicheneingabe wird wieder freigeschaltet
    goto Anfang; // Damit das Zeichen "#" nicht im folgenden Abschnitt als Codeeingabe gewertet wird.
  }
 }

Musterlösung

Lösung Code  

/* Benötigte Bibliotheken */
#include <Keypad.h>
#include <Servo.h>
                                   
/* Tastenfeld */
/* Größe des Keypads definieren */
const byte COLS = 4; //4 Spalten
const byte ROWS = 4; //4 Zeilen

byte colPins[COLS] = {2,3,4,5}; //Definition der Pins für die 3 Spalten
byte rowPins[ROWS] = {6,7,8,9}; //Definition der Pins für die 4 Zeilen

/* Ziffern und Zeichen des Keypads festlegen */
char hexaKeys[ROWS][COLS]={
{'D','#','0','*'},
{'C','9','8','7'},
{'B','6','5','4'},
{'A','3','2','1'}
};
Keypad tastenfeld = Keypad(makeKeymap(hexaKeys), rowPins, colPins, ROWS, COLS); //Das Keypad kann ab sofort mit "Tastenfeld" angesprochen werden

/* Variablen */
char p1='1';char p2='2';char p3='3';char p4='A'; // Vier Zeichen des Passwortes eingegeben
char taste; //Taste ist die Variable für die jeweils gedrückte Taste auf dem Tastenfeld
char c1, c2, c3, c4; // Speichern der gedrückten Tasten
byte z1=0, z2, z3, z4; // Falsche Position zuordnen wird verhindert


/* Motor */
Servo servoBlau; //Servomotor Definition

/* Buzzer */
const byte SOUND_BUZZER = 10; // Buzzer ist an Pin 10 angeschlossen
unsigned int sound = 500;  // Frequenz von 500 Hertz
byte falscheEingabe;    // Für eine falsche Eingabe

/* RGB */
const byte ROTE_LED = 12; //Rote LED ist an Pin 12 angeschlossen
const byte GRUENE_LED = 13; //Grüne LED wird an Pin 13 angeschlossen

void setup() 
{
 Serial.begin(9600);

 pinMode(ROTE_LED, OUTPUT);   //Die LEDs werden als Ausgang festgelegt
 pinMode(GRUENE_LED, OUTPUT);

 servoBlau.attach(11); //Der Servomotor ist an Pin 11 angeschlossen
}

void loop() 
{
 Anfang: // Goto Anfang
 taste = tastenfeld.getKey(); 
 if (taste) 
  {
  if (taste=='*')
   {
    Serial.println("Tür verriegelt");
    delay(1000);
    servoBlau.write(90); //Servomotor zum Verriegeln auf 90 Grad ansteuern
    digitalWrite(ROTE_LED, HIGH);
    digitalWrite(GRUENE_LED, LOW); 
    z1=0; z2=1; z3=1; z4=1; // Zugang zur ersten Zeicheneingabe freischalten
    goto Anfang; // Damit das Zeichen "*" nicht im folgenden Abschnitt als Codeeingabe gewertet wird
   }
   
  if (taste=='#')
   {
    if (c1==p1&&c2==p2&&c3==p3&&c4==p4) //wird geprüft, ob die Eingaben Codezeichen übereinstimmen
   {
    Serial.println ("Code korrekt, Schloss offen");
    servoBlau.write(0); //Servomotor zum Öffnen auf 0 Grad ansteuern.
    digitalWrite(ROTE_LED, LOW);
    digitalWrite(GRUENE_LED, HIGH);
   }
   else // ist das nicht der Fall, bleibt das Schloss gesperrt
   {
    Serial.println ("Code falsch, Schloss gesperrt");
    falscheEingabe += 1;
   
   if(falscheEingabe == 3)          // Wenn der Code 3-mal falsch eingegeben wurde
   {
    Serial.println("Besitzer wurde benachrichtigt!");
    tone(SOUND_BUZZER, sound);
    delay(8000);
    noTone(SOUND_BUZZER);
   }
    digitalWrite(ROTE_LED, HIGH); 
    digitalWrite(GRUENE_LED, LOW);
    delay(2000);
    z1=0; z2=1; z3=1; z4=1; // Der Zugang für die erste Zeicheneingabe wird wieder freigeschaltet
    goto Anfang; // Damit das Zeichen "#" nicht im folgenden Abschnitt als Codeeingabe gewertet wird.
  }
 }
  
/* Richtige Reihenfolge des Passwortes erstellen */
  if (z1==0) // Wenn das erste Zeichen noch nicht gespeichert wurde.
  {
   c1=taste; //Unter der Variablen "C1" wird nun die aktuell gedrückte Taste gespeichert
   Serial.print("Die Taste "); 
   Serial.print(c1);
   Serial.println(" wurde gedrückt");
   z1=1; z2=0; z3=1; z4=1; // Zugang zur zweiten Zeicheneingabe freischalten
   goto Anfang;
  }
 
  if (z2==0)
  {
   c2=taste; //Unter der Variablen "C2" wird nun die aktuell gedrückte Taste gespeichert
   Serial.print("Die Taste "); 
   Serial.print(c2);
   Serial.println(" wurde gedrückt");
   z1=1; z2=1; z3=0; z4=1; // Zugang zur dritten Zeicheneingabe freischalten
   goto Anfang;
  }

  if (z3==0) 
  {
   c3=taste; //Unter der Variablen "C3" wird nun die aktuell gedrückte Taste gespeichert
   Serial.print("Die Taste "); 
   Serial.print(c3);
   Serial.println(" wurde gedrückt");
   z1=1; z2=1; z3=1; z4=0; // Zugang zur vierten Zeicheneingabe freischalten
   goto Anfang;
  }
  
  if (z4==0) // Wenn das vierte Zeichen noch nicht gespeichert wurde
  {
   c4=taste; //Unter der Variablen "C4" wird nun die aktuell gedrückte Taste gespeichert
   Serial.print("Die Taste "); 
   Serial.print(c4);
   Serial.println(" wurde gedrückt");
   z1=1; z2=1; z3=1; z4=1; // Zugang zur weiteren Zeicheneingabe sperren
  }
 }
}

Quelle

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