Hochsicherheitssafe

Autoren:Viktor Mirosch, Daniel Schwarz, Maik Kleinspohn
Betreuer: Marc Ebmeyer

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Einleitung

Im Rahmen des Praktikums im Fach "Angewandte Elektrochtechnik" im Studiengang Business and Systems Engineering, soll ein Projekt erstellt werden. In diesem Projekt soll ein Sensor ein Signal empfangen, welches an einen Microcontroller weitergegeben wird, der dieses Signal verarbeitet. Im Anschluss gibt der Microcontroller ein Signal an den Aktor, der eine bestimmte Aktion durchführt.

Wir haben uns für einen Hochsicherheitssafe entschieden. Dieser lässt sich nur mithilfe einer Chipkarte und einem Code entsperren. Bei falscher Eingabe ertönt ein Alarmsignal, eine rote Diode leuchtet und der Safe bleibt geschlossen. Bei richtiger Eingabe erfolgt ein Kontrollpiepen, eine grüne Diode leuchtet und der Safe entsperrt sich.

Anforderungen

Steuerung durch Nummernfeld und RFID Chip
Code änderbar
Akustisches Signal bei jedem Tastendruck
Grünes Licht + einmaliges Piepen bei richtiger Eingabe
Rotes Licht + 3 sekündiger Alarmton bei falscher Eingabe
Öffnen und Schließen durch Servomotor
Schließen des Bolzens durch Taster im Safe

Funktionaler Systementwurf/Technischer Systementwurf

Der Safe schließt mit einem Bolzen automatisch, sobald die Tür im Inneren des Safes einen Taster berührt. Entriegelt wird der Safe mithilfe eines RFID Chips und einem Code der im Tastenfeld eingegeben werden muss. Bei jedem Tastendruck des Bedienfelds gibt es ein kleines akustisches Feedback. Sobald der richtige Code eingegeben und der passende Chip vor den Sensor gehalten wurde, entsperrt der Bolzen mit einem akustischen Signal und eine grüne Diode leuchtet auf. Sollte entweder der falsche Chip oder der falsche Code eingegeben werden, bleibt der Safe geschlossen und es ertönt ein Alarmsignal und eine rote Diode leuchtet.

Der Code soll durch eine bestimmte Tasteneingabe am Bedienfeld änderbar sein.

Komponentenspezifikation

Anzahl	Name	Spezifikationen
1	Arduino Uno R3	Betriebsspannung: 5 V Eingangsspannung: 7 – 12 V Digitale Ein/Ausgänge: 14 (6 PWM) Analoge Eingänge: 6 Takt: 16 MHz
1	Servomotor TowerPro SG90	Drehmoment: 1,8 kg/cm Geschwindigkeit: 0,12 sek/60° Gewicht: 9 g Maße: 23 x 12,2 x 29 Pulsweite: 500 – 2400 µs
1	Tastenfeld Debo Test 4x3	Schnittstelle: 7 Pin Stiftkontakt Maße: 70 x 77 x 1 Kabellänge: 88 mm (mit Verbinder)
3	Widerstand	Widerstandswert: 100 Ω
3	LED (Grün, Gelb, Rot)	Wellenlänge: 700 nm Sperrspannung: 5 V
1	Piezo Speaker	Geräusch-Entwicklung: 85 db Resonanz-Frequenz: 2,3 kHz Spannung: 5 V
1	RFID RC522 Chipleser	Frequenz: 13,56 MHz Leseabstand: 0 – 60 mm Maße: 85,5 x 54 x 0,87
1	RFID RC522 Chip	IC Chip: MFRC522 Maße: 32 x 40,5 x 4,2
1	AC/DC Adapter LJH-186	Input: 100 – 240 V AC Output: 9 V DC 1 A

Umsetzung (HW/SW)

In diesem Abschnitt werden alle genutzten Software und Hardware Komponenten genauer betrachtet. Dabei geht es hauptsächlich um die Programmierung mit Arduino IDE, die Erstellung des Gehäuses mit dem "ANYCUBIC Chiron" 3D Drucker und dem Aufbau der Schaltung mithilfe des Arduino Uno Startersets.

Schaltungsaufbau

Das Arduino Uno Starterset liefert bereits viele wichtige Bauteile die für die Schaltung benötigt werden. Dazu gehören die LED's, die Widerstände, der Servomotor, der Buzzer und vor allen Dingen der Arduino Uno Microcontroller. Den RFID RC522 Chipsensor, den dazugehörigen Chip und das Nummernfeld mussten zusätzlich beschafft werden. Die folgenden Abbildungen zeigen die Schaltung für den Hochsicherheitssafe mit dem Programm "Fritzing" und mit dem Programm "Multisim". Durch die Fritzingdarstellung lässt sich ein Schaltplan erstellen, in dem die Schaltungsverbindungen und die Bauteile leicht nachzuvollziehen und zu verstehen sind, während Multisim sich auf die Fachgerechte Darstellung in einem Schaltplan spezialisiert. Um bei Multisim die Schaltung möglichst verständlich zu halten wurden der Microcontroller, das Nummernfeld und der Sensor vereinfacht dargestellt.

Beginnend mit dem Tastenfeld sehen wir, dass dieses an den Pins A 0 - A 5 & D 2 angeschlossen wurden. Den Schaltungsaufbau konnten wir durch Recherche ermitteln. Die Funduino Seite bietet hier eine Menge nützlicher Infos, aus der wir auch die Schaltung für das Nummernfeld umsetzen konnten. Für weitere Informationen stehen folgende Links zur Verfügung: Anschluss Tastenfeld (1)Anschluss Tastenfeld (2)

Um die gesamte Schaltung auf dem Arduino unterzubringen haben wir uns für die analogen Pins 0 - 5 statt den vorgegebenen digitalen Pins entschieden. Diese funktionieren genauso gut wie die digitalen Pins da für die Tasteneingaben kein digitales Signal benötigt wird.

Der genutzte Summer ist ein Piezzo Speaker. Dieser wurde an dem Pin D 4 angeschlossen, da der Summer ein sogenannter aktiver Buzzer ist und somit die Frequenz variieren kann. Um diesen anzusteuern und verschiedene Töne zu erzeugen wird der digitale Pin benötigt.

Die 3 LED's sind an den Pins D 5 - 7 angeschlossen. Um die LED's vor zu hohen Strömen zu schützen sind jeweils Widerstände mit 100 Ohm vorgeschaltet.

Der Servomotor ist das einzige Bauteil, welches eine höhere Spannung benötigt und ist deswegen mit der 5 Volt Quelle verbunden. Damit der Arduino wie gewünscht die Stellung des Motors bestimmen kann wird auch hier der digitale Pin D 3 genutzt. Weitere Informationen zum Aufbau findet man hier.

Das letzte Bauteil der Schaltung ist der RFID RC 522 Sensor. Wie auch beim Tastenfeld konnten wir sehr nützliche Quellen auf der Funduino Seite finden die den richtigen Anschluss des Sensors schilderten. Die genutzten Pins sind die digitalen Pins D 9 - 13. Für weitere Informationen steht der folgenede Link zu Verfügung: RFID Sensor

Um Platz zu sparen haben wir bewusst auf ein Breadboard für die Bauteile verzichtet. Dadurch kann der Platz innerhalb des Safes hauptsächlich für die Aufbewahrung von Dingen genutzt werden, während das Design des Safes trotzdem noch klein bleibt.

Programmierung

Zuerst haben wir bestimmt welche Position des Motors der Anfangszustand ist. Wir haben uns für 180 entschieden, da so der Servomotor den Safe schließt sobald er an den Strom angeschlossen wird. Dadurch kann der Safe nicht ausgetrickst werden, indem man ihn kurz vom Strom nimmt.

Als nächstes haben wir das Nummernfeld deklariert. In diesem Schritt haben wir der Software gesagt welche Reihe und welche Zeile zu welchem Pin gehört und den einzelnen Tasten eine Nummer zugewiesen. Dadurch konnten wir dann ein Pin festlegen.

Zum Schluss wurde der RFID Leser deklariert. Dabei soll die Software überprüfen ob der Safe geschlossen ist und falls er es ist die Rote LED leuchten lassen.

Wird jetzt der richtige Chip dran gehalten, kann ein Code eingegeben werden. Sollten die Tastatureingaben mit den vorgesehenen variablen übereinstimmen öffnet sich der Safe und die grüne LED leuchtet. Bei der Eingabe soll jede Taste ein Feedback durch einen Tastenton geben.

Jetzt überprüft das Programm ob der Safe offen ist. Mit der Raute Taste kann dieser dann geschlossen werden. Um dem Safe einen neuen Code zuzuweisen, muss zuerst der alte Code eingegeben werden. Bei richtiger Eingabe kann dann einfach der neue Code eingegeben werden.

Komponententest

Ergebnis

Zusammenfassung

Lessons Learned

Projektunterlagen

Projektplan

Projektdurchführung

YouTube Video

Weblinks

Literatur