Arduino Projekt: 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, kann ein webbasierter Arduino Emulator verwendet werden. [klicken]

[Abb. 2: UML]

Benötigte Materialien

Tabelle 1: Materialliste
Nr.	Anz.	Beschreibung
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

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

In Abb. 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.

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:

Nachdem die erste Ziffer gedrückt wurde, öffnet sich die Eingabe für die zweite Ziffer usw.
Benötigt wird hierfür eine if-Bedingung und eine goto Funktion.
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
  }
 }
}

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:

Benötigt werden if-Else Funktionen, die nach der bestimmten Taste abfragen und die Anweisung dann ausführen.
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(2000);
   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.
  }
 }

Einbrecher Warnung!

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

Tipp:

Bei einer falschen Eingabe wird die Variable hochgezählt.
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(2000);
    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: Link

→ zurück zum Hauptartikel: BA: Arduino-Projekte für die Lehre

Arduino Projekt: Türsicherheitssystem

Inhaltsverzeichnis

Aufgabenstellung

Benötigte Materialien

Vorab wichtig zu wissen

Servomotor Kabel

Tastenfeld

Aufbau Schaltung

Programmierung

Bibliotheken einfügen

Initialisierung Arduino

Richtige Reihenfolge der Eingabe

Tür öffnen und schließen

Einbrecher Warnung!

Musterlösung

Navigationsmenü