Projekt 37: Keyless Entry
Autoren: Philipp Kühnast, Moritz Hemmerich
Betreuer: Prof. Schneider
Aufgabe
Rüsten Sie ein Schließfach eines Spindes so um, dass dieses elektronisch geöffnet und verschlossen werden kann.
Erwartungen an Ihre Projektlösung
- Einsatz einer von Matlab unterstützten HW (z. B. Raspberry Pi, Galileo, oder Arduino)
- Elektronisches Öffnen und Schließen eines Spindes
- Möglichkeit der Anwendung auf n (z.B. n=12) Schließfächer
- Robuste Funktion
- Anbindung einer Webcam zum Einlesen eines Barcodes.
- Kür: Programmierung der Hardware via Matlab 2014a Raspberry Pi Target Hardware Toolbox
- Live Vorführung während der Abschlusspräsentation
Schwierigkeitsgrad
Anspruchsvoll (***)
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Dokumentation
Aufgabenstellung
Dieses Projekt war die Aufgabenstellung für das GET Fachpraktikum im 5. Semester Mechatronik an der Hochschule Hamm-Lippstadt. Die Aufgabe bestand darin, einen elektronischen Schließmechanismus für ein Spind zu entwerfen, sodass dieser durch einlesen eines Barcodes automatisch geöffnet werden kann. Die Software zum erkennen des Barcodes durch eine Kamera war bereit vorhanden. Bei dieser Aufgabe haben wir unser besonderes Augenmerk auf die Möglichkeit gelegt, die Schaltung so auszulegen, sodass beliebig viele weitere Spinds möglichst einfach an das bestehende System angeschlossen werden können. Hierzu haben wir wie in den weiteren Abschnitten noch beschrieben wird, die Schaltung in ein Stuermodul, welches nur einmalig benötigt wird und in Lastmodule aufgeteilt, um die Ansteuerung einfach und übersichtlich zu gestalten.
Verwendete Bauteile
Die folgende Tabelle zeigt die einzelnen Bauteile.
| Bauteil | Bezeichnung | Anzahl |
|---|---|---|
| FET-P | IRF9640 | pro angeschlossen Schrank 2 Stück |
| FET-N | IRF640 | pro angeschlossen Schrank 2 Stück |
| Motor | 9V Motor | pro angeschlossen Schrank 1 Stück |
| Nand-Gatter | MOS 4011 | |
| AND_Gatter | MOS 4073 | |
| Microcontroller | Arduino uno | 1 |
Weitere Bauteile die optional sind:
| Bauteil | Funktion |
|---|---|
| LED | Sollte ein Schrank Simulieren |
| Taster | Sollte die Eingabe Simulieren (z.B Barcode) |
Logik-Gatter
Da es zukünftig möglich sein soll beliebig viele Spinds elektronisch zu öffnen und zu verschließen, mussten wir bei der Ausarbeitung unsere Schaltung die nötige Vorarbeit hierfür liefern. Um zu realisieren das beispielsweise eine ganze Spindeinheit mit 18 einzelnen Spinds angesteuert werden kann, mussten wir die uns durch den Microcontroler [Arduino Uno] vorgegebenen Ausgänge mit hilfe von Logik-Gattern erhöhen. In der unten stehenden Wahrheitstabelle sind die drei PWM ausgänge des Arduino Uno P1, P2 und P3, sowie die durch Logik-Verbindungen entstandenen Ausgänge S1-S8.
Wie zu erkennen ist, kann durch die Anzahl der verfügbaren Ausgänge des verwendeten Microcontroller, P-1...P-n, die Anzahl der Ausgänge S, auf 2^n erweitert werden.
Die aus der Wahrheitstabelle zum öffnen der einzelnen Spinds ist nachfolgend zu sehen:
| P1 | P2 | P3 | S1 | S2 | S3 | S4 | S5 | S6 | S7 | S8 | |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 1 | |
| 0 | 0 | 1 | 0 | 0 | 1 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | |
| 0 | 1 | 0 | 0 | 1 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | |
| 0 | 1 | 1 | 0 | 0 | 0 | 0 | 1 | 0 | 0 | 0 | |
| 1 | 0 | 0 | 1 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | |
| 1 | 0 | 1 | 0 | 0 | 0 | 1 | 0 | 0 | 0 | 0 | |
| 1 | 1 | 1 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 1 | 0 | 0 | |
| 1 | 1 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 1 | 0 |
Die schematische Umsetzung durch die NAND- und AND-Gatter ist in der nachfolgenden Abbildung 1 zu sehen.
Die benötigten negierungen sowie AND-Verknüpfungen haben wir durch zusammengeschlossene NAND-Gatter beziehungsweise einfach AND-Gatter realisiert.
Module
Um einen möglichst effizienten und platzsparenden Einbau der elektronik zu gewähreleisten haben wir uns dafür entschieden, die Schaltung in zwei Module auf separaten Platinen zu erstellen. Hierbei besteht die das erste Modul aus der Steuereinheit, dem Arduino Uno, und einer Verteilereinheit. Die Verteilereinheit besteht aus den verschiedenen, beliebig erweiterbaren Gattern, an dessen Ausgängen nun die verschiedenen Lastmodule angeschlossen werden können. Die gesammte Steuereinheit wird nur einmalig benötigt und kann zum Beispiel Platzsparend in einem Gehäuse hinter dem Schrank verbaut werden. Das zweite Modul ist das Last Modul, welches jeweils aus einer H-Brücke und einem Motor besteht. Die Anzahl dieses Moduls ist abhängig von der Anzahl der Spinds, und muss in Schlossnähe im Spind inneren verbaut werden. Abbildung 4 zeigt den Schematischen Aufbau der zwei Module und deren Submodule.
Logik-Gatter
H-Brücke
Zum öffnen und schließen des Schlosses war es notwending den elektromotor in bei Richtungen zu drehen. Hierfür mussten die beiden Pole des Motor jeweils nach dem öffnen beziehungsweise schließen vertauscht werden. Um dies möglichst einfach zu realiesieren haben wir von einer H-brücke gebrauch gemacht. Diese Schaltung besteht aus je zwei P-Typ und zwei N-Typ Transistoren, welche der unter dem Abschnitt Bauteile der Tabelle entnommen werden können. Im wesendlichen besteht der Aufbau der H-Brücke aus jeweils zwei in Reihe geschalteten Transistoren in deren Mitte sich der Motor befindet (siehe Abbildung 3). Für die Funktionsweise der H-Brücke können die vier Transistoren als einfache Schalter angesehen werden. Wenn nun jeweils die diagonal gegenüberliegenden Transistoren sich öffnen beziehungsweise Schließen, kann der Strome jeweils in Unterschiedlichen Richtungen durch den Motor fließen, wodurch sich die Drehrichtung des Motor ändert.
