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.
Reflexion
Rückblickend konnten wir uns durch das GET Fachpraktikum jede Menge neues Wissen und praktische Erfahrungen aneignen. Es war es interessant ein eigenes Projekt von der Planung und Vorbereitung bis hin zur Fertigung und Dokumentation durchzuführen. Hierbei haben wir einiges über die Funktionsweise und die technischen Daten einzelner Bauteile gelernt. Außerdem konnten wir unsere grundlegenden Lötkenntnisse und Fertigkeiten bei der Erstellung der Platinen erweitern. Jedoch kam es auch einige mal zu Schwierigkeiten. Zum einen in der Planungsphase bei der Bestellung der geeigneten Bauteile, da unsere Konzept im laufe des Semesters noch einige mal überarbeitet werden musste. Zum anderen bei der Bestückung der Platinen durch unsaubere kontaktlose Lötstellen, wodurch zur Findung und Behebung diese viel Zeitaufwand nötig war. Desweiteren war es uns leider nicht möglich unsere Schaltung direkt in einen Spind der Hochschule einzubauen, da wir diesen zu Befestigung des Motors hätten verändern müssen. Aus diesem Grund haben wir zur Simulation und zum Vorführungszweck eine Holzkiste verwendet, in der wird den Motor befestigen konnten.
Ausblick/Verbesserungen
Ausblick:
Durch das Anbinden einer Kamera und der passenden Software auf dem Controller ist es mit unserer Schaltung möglich mehrer Schränke mit einen Barcode oder QR-Code zu Öffnen und Schließen.
Verbesserungen:
Im laufe unseres Projektes ist uns aufgefallen das es noch einige Verbesserungen gibt. Eine Verbesserung ist es den 9V Motor durch ein Schrittmotor zu ersetzten. Durch den Einsatz eines Schrittmotors kann man die Position des Motors besser einstellen und dann so das Auf und Zu Schließen des Schrankes besser kontrollieren. Ein Weiterer Punkt ist das wir uns überlegt haben das es eventuell ein vorgefertigtes Digitales Schloss im freien handel gibt. Uns ist auch noch aufgefallen, dass wir durch den Einsatz eines Controllers mit mehr Ausgängen auch mehr Schränke ansteuern können (Optionale Verbesserung).