Elektronisches Schließfach
Autoren: Kilian Engelhardt & Jörn-Hendrik Beleke
Betreuer: Prof. Schneider
Einleitung
Das Projekt "Elektronisches Schließfach" entsteht im Rahmen des Praktikums "Fachpraktikum Elektrotechnik" im Studiengang "Mechatronik (MTR)".
Ziel des genannten Projekts ist die Entwicklung eines Schließfachs zum Verstauen privater Gegenstände, welches komfortabel durch die Eingabe biometrischer Daten durch eine Fingerabdruckerkennung auf einem Bedienfeld durch den Besitzer entsperrt werden kann. Zusätzlich verfügt das Schließfach über Zahlentasten auf dem Bedienfeld, wodurch die Öffnung des Schließfachs durch weitere Personen mit der Eingabe eines PIN-Codes ermöglicht wird. Zur Entsperrung des Verschlussriegels soll ein Servomotor eingesetzt werden. Für die Schaltung des Bedienpanels wird eine Platine entwickelt und angefertigt oder auf einem Breadboard realisiert. Über ein LCD-Display werden Anweisungen und der Eingabestatus für den Bediener dargestellt. Eine erfolgreiche sowie mehrfach fehlerhafte Eingabe soll akustisch durch einen Ton bzw. Alarm eines Summers und visuell durch das Leuchten von LEDS bestätigt werden. Zusätzlich wird eine Funktion zur Änderung des Zahlencodes oder Fingerabdrucks implementiert.
Anforderungen
Die Anforderungen an das Projekt werden in der nachfolgenden Tabelle 1 aufgezeigt. Dabei sind diese in die Bereiche Hardware, Mechanik und Software unterteilt.
| Nr. | Beschreibung | Bereich | Datum | Status |
|---|---|---|---|---|
| 1 | Das elektronische Schließfach muss ein Bedienpanel mit Fingerabdruckerkennung und Tastern zur PIN-Code-Eingabe besitzen. | Hardware | 04.10.2023 | Erledigt |
| 2 | Das Bedienpanel muss über ein LCD-Display und LEDs zur Visualisierung des Eingabestatus verfügen. | Hardware | 04.10.2023 | Erledigt |
| 3 | Für das Schließfach muss eine Spannungsquelle bereitgestellt werden. | Hardware | 04.10.2023 | Erledigt |
| 4 | Als Mikrocontroller muss ein Arduino eingesetzt werden. | Hardware | 04.10.2023 | Erledigt |
| 5 | Als Schließmechanismus muss ein Servo-Motor mit Sperrriegel eingesetzt werden. | Hardware | 04.10.2023 | Erledigt |
| 6 | Für das Schließfach muss ein Gehäuse angefertigt werden. | Mechanik | 04.10.2023 | Erledigt |
| 7 | Der Algorithmus muss die Signale der Fingerabdruck- und PIN-Code-Eingabe erfassen und verarbeiten. | Software | 04.10.2023 | Offen |
| 8 | Der Schließmechanismus muss durch den Algorithmus betätigt werden. | Software | 04.10.2023 | Offen |
| 9 | Der Algorithmus muss über eine Funktion zur Änderung des PIN-Codes bzw. Fingerabdrucks verfügen. | Software | 04.10.2023 | Offen |
| 10 | Auf dem LCD Display muss der Eingabestatus durch den Algorithmus visualisiert werden. | Software | 04.10.2023 | Offen |
| 11 | Der Algorithmus muss eine Alarmfunktion für wiederholt falsche Eingaben besitzen. | Software | 04.10.2023 | Offen |
| 12 | Die Umsetzung des Algorithmus muss unter Matlab/Simulink erfolgen. | Software | 04.10.2023 | Offen |
Tabelle 1: Auflistung der Anforderungen
Funktionaler Systementwurf/Technischer Systementwurf
Zur näheren Erläuterung wird der Systementwurf in Komponenten unterteilt:
- Gehäuse: Das Gehäuse beinhaltet alle folgenden Komponenten und bietet die grundlegende Funktion eines Schließfachs in Kombination mit dem Schließmechanismus.
- Schließmechanismus: Als Schließmechanismus wird ein Servo-Motor eingesetzt, welcher das Schließfach über einen Verschlussriegel öffnet oder sperrt.
- Endschalter: Diese Komponente erfasst den geöffneten oder geschlossenen Zustand der Schließfachtür.
- Tastenfeld und Fingerabdrucksensor: Diese Komponenten erfassen die Eingabe des PIN-Codes und der biometrischen Daten.
- LCD-Display: Auf dem Display werden Anweisungen und der Eingabestatus für den Nutzer dargestellt.
- Summer: Dieser Lautsprecher informiert den Nutzer akustisch über den Eingabestatus.
- Arduino: An den Arduino Mikrocontroller sind die genannten elektrischen Komponenten angebunden. Der Mikrocontroller führt den Algorithmus aus, welcher die Eingaben des Nutzers auf dem Bedienpanel erfasst, verarbeitet und entsprechende Aktionen durch die Komponenten steuert.
- Spannungsquelle: Als Spannungsquelle für den Arduino mit Platine wird eine 9V-Block-Batterie eingesetzt.
Die nachfolgenden Abbildungen 1.1 und 1.2 stellen eine Skizze des Systementwurfs sowie den Signalfluss des Systems dar.
Komponentenspezifikation
In der nachfolgenden Tabelle 2 sind alle für das Projekt verwendeten Komponenten aufgelistet, welche anhand des Systementwurfs ausgewählt wurden.
| Nr. | Komponentenbezeichnung | Beschreibung | Bild |
|---|---|---|---|
| 1 | Arduino MEGA |
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 |
| 2 | Fingerabdrucksensor JM 101 |
|
 |
| 3 | Mechanischer Endschalter |
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| 4 | MG90S Micro Servo |
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| 5 | 4x4 Tastenfeld |
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| 6 | 16x02 I2C LCD Modul |
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| 7 | Piezo Lautsprecher |
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| 8 | Industriegehäuse |
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| 9 | Montageplatte Arduino Mega |
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[In Bearbeitung] |
| 10 | Spannungsquelle |
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[In Bearbeitung] |
Umsetzung (HW/SW)
Hardware
Montage der Komponenten
Nach den Funktionstests der Einzelkomponenten (siehe Kapitel Komponententest) wurden diese im Gehäuse verbaut. Dazu mussten entsprechende Aussparungen für den Fingerabdrucksensor, das Tastenfeld und das LCD-Display an der Schließfachtür angefertigt werden, siehe Abbildung 2.1a.
Um den Servo-Motor am Schließmechanismus zu befestigen, wurden Bohrungen in den Verschlussriegel des Schließmechanismus eingebracht. Mittels Schrauben wurde dann ein im Lieferumfang enthaltenes Verbindungsstück mit dem Motor und den Bohrungen verbunden. Wie in Abbildung 2.1b dargestellt wurde der Motor anschließend über zugesägte Kunststoffwinkel an der Innenseite der Schließfachtür angebracht.
Verdrahtung der Komponenten
Im Anschluss an die Montage der einzelnen Komponenten im Gehäuse mussten alle elektronischen Komponenten mit dem Arduino Mikrocontroller elektrisch verbunden werden. Dazu wurde der folgende Verdrahtungsplan nach Abbildung 2.2 für das Gesamtsystem angefertigt.
Software
Die Umsetzung der Software für das Gesamtsystems des elektronischen Schließfachs erfolgt unter MATLAB Simulink. Da für dieses Projekt ein Arduino Mega 2560 als Mikrocontroller eingesetzt wird, wurde das "Simulink Support Package für Arduino Hardware" aus dem MATLAB Add-On Explorer zur einfachen Integration der Arduino-Hardware in Simulink installiert. Zusätzlich wird der Block "S-Function Builder" aus der Simulink Bibliothek zur Softwareentwicklung verwendet. Durch diesen Funktionsblock kann C++-Code in Simulink-Modellen integriert werden, was die Verwendung von Arduino-Bibliotheken zur Steuerung der Arduino-Hardware ermöglicht.
Eine Anfertigung der Software für das Gesamtsystem befindet sich noch in Bearbeitung.
Die nachfolgenden Programmablaufpläne (Abbildung 2.3a bis 2.3e) zeigen die vorläufige Planung des Hauptprogramms und der Unterfunktionen.
Programmablaufplan Hauptprogramm
Programmablaufplan Unterfunktionen
Komponententest
Test der Einzelkomponenten
[In Bearbeitung]
Servo-Motor
Um die Funktion des Servo-Motors zu testen, wurde dieser in der Ausgangsstellung von 0° am Verschlussriegel im geschlossenen Zustand (waagerecht) montiert. Um den Verschlussriegel zu öffnen, musste dieser vom Servo-Motor um 90° gedreht werden. Dazu wurde ein Simulink-Modell erstellt, welches in Abbildung 3.1a und 3.1b dargestellt ist.
Durch das maximale Drehmoment des Motors von 2kg/cm konnte der Verschlussriegel erfolgreich um 90° gedreht und somit in den geöffneten Zustand versetzt werden, wie in Abbildung 3.2 gezeigt.
Fingerabdrucksensor
LCD Display
Tastenfeld
Test des Gesamtsystems
Ergebnis
Zusammenfassung
Lessons Learned
Projektunterlagen
Projektplan
Projektdurchführung
YouTube Video
Weblinks
Literatur
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