Электронный кодовый замок на микроконтроллере PIC12F675. Схема. Кодовый замок PIC16F628A Распознавание кнопок с помощью АЦП

В различной радиолюбительской литературе можно обнаружить множество вариантов электронных кодовых замков.

Особенностью данной схемы кодового замка на микроконтроллере является принципиально новый метод считывания нажатия клавиш, используя всего лишь один порт микроконтроллера PIC12F675. Эта особенность может быть реализована только с микроконтроллерами в составе которого имеется модуль аналого-цифрового преобразователя (АЦП), к примеру как наш микроконтроллер PIC12F675.

Данный микроконтроллер снабжен 10 битным АЦП с диапазоном преобразования от 0 до 1023. Суть метода в том, что клавиатура представляет из себя, по сути, делитель напряжения на резисторах R1-R12 и при нажатии определенной кнопки клавиатуры на вход 7 микроконтроллера поступает напряжение, величина которого характерна только для данной кнопки.

Работа кодового замка на PIC12F675

Для записи 4 цифр секретного кода сперва необходимо нажать кнопку “CODE” и удерживать ее до того момента когда загорится светодиод LED. Затем поочередно нужно набрать 4 цифры секретного кода. По завершению ввода, данный код будет записан в энергонезависимую память микроконтроллера.

Теперь если набрать данный код на клавиатуре произойдет включение реле на 5 секунд. При десятикратной неверно набранном секретном коде прозвучит сигнал тревоги.

Электронные замки бывают разных типов, в этой статье представлен еще один интересный вариант. Отличие этой конструкции в том, что клавиатура использует толко один вывод микроконтроллера. Для определения нажатой кнопки используется АЦП. Этот способ может использоваться только с микроконтроллерами, имеющими встроенный АЦП, в этой схеме использован PIC12F675.

Как это работает

Нажмите 4 кнопки в определенной последовательности, и реле замкнет цепь замка примерно на 5 секунд. Но снаала нужно запрограммировать код следующим образом: нажать и держать кнопку CODE, пока не загорится светодиод. Когда светодиод загорится, введите свой код. После введения четвертой цифры код запишется в eeprom, и включить реле будет возможно только используя этот код. Если при вводе кода ошибиться 10 раз, то включится второе реле, отвечающее за сигнал тревоги.

Распознавание кнопок с помощью АЦП

Как видно из схемы, клавиатура собрана из набора кнопок и резисторов. Клавиатура подключена только тремя проводами:, +5V, земля и сигнальный провод, подключенный к выводу 7 контроллера. Резисторы подключены последовательно, и в каждой точке соединения существует свое напряжение. Когда мы нажимаем кнопку, мы подаем определенное напряжение на вывод 7 микроконтроллера. Вывод 7 сконфигурирован как вход и подключен к модулю АЦП контроллера. PIC12F675 имеет 10-битный АЦП и диапазон значений варьируется от 0 до 1023. Так, если мы имеем 12 кнопок, диапазон между ними составляет 85 единиц. Кнопка “0” лежит в диапазоне 0-85, Кнопка “1” 86-170, Кнопка “2” 171-256 … и т.д.

Ограничивать доступ посторонних лиц в помещения с ценными вещами поможет кодовый замок. Один из вариантов реализации кодового замка на микроконтроллере PIC16F628A приведён в данной статье.

На рисунке ниже изображена схема кодового замка. Ядром схемы является микроконтроллер PIC16F628A. Алгоритм выполнения основных команд изображен на рисунке 2. Код программы написан на языке ассемблер, смотреть листинг в папке CL\16F628ATEMP.ASM архива с проектом. Прибор управляется одной кнопкой. Нажатием на кнопку добиваются последовательной смены режимов работы прибора. Звуковое сопровождение нажатия кнопки обеспечивает пьезоизлучатель звука. Для визуального отображения информации служит дисплей со встроенным контроллером.

Полный цикл внутрисхемного программирования и отладки микроконтроллера PIC16F628A был осуществлён при помощи MPLAB IDE v8.15 (интегрированная среде разработки), компилятор MPASM v5.22 (входит в MPLAB IDE v8.15) и MPLAB ICD 2 (внутрисхемный отладчик). Для тех, кто не располагает средствами приведёнными выше, а имеет свою программу для работы с HEX файлами и иной программатор, можно в соответствующем проекте найти файл 16F628ATEMP.HEX.

Микроконтроллер DD1 имеет функциональные выводы RA0, RB0 – RB7, CCP1, которые служат для ввода и вывода информации. Микроконтроллер DD1 не имеет функции принудительного сброса, вывод для сброса подключен через резистор R1 к положительному потенциалу питания. Для генерации тактовой частоты используется встроенный RC-генератор на кристалле.

К выводу RA0 через токоограничивающий резистор R3 подключена тактовая кнопка SB1. В отжатом положении тактовой кнопки SB1 резистор R7 имитирует низкий логический уровень. Микроконтроллер DD1 распознаёт три состояния тактовой кнопки SB1:

1. Не нажата;
2. Нажата кратковременно (менее 1 с);
3. Нажата и удерживается (более 1 с).

Пьезоизлучатель звука P1 помогает различать состояния тактовой кнопки SB1. Так при 1 состоянии генерации звука не происходит, при 2 состоянии звук генерируется до того момента пока микроконтроллер не распознает 3 состояние, а в 3 состоянии генерации звука не происходит.

Для отображения информации используется жидкокристаллический дисплей HG1. Техническую спецификацию дисплея можно найти на сайте . Он имеет контроллер, в котором реализована функция знакогенерации. Отображает две строки по шестнадцать символов в каждой. Управление дисплеем осуществляется через выводы микроконтроллера RB0, RB1, RB4 – RB7. Загрузка данных происходи полубайтами, через выводы RB4 – RB7. «Защёлка» - RB1. Выбор регистра сигнала формируем на выводе RB0. Резисторами R5 и R6 устанавливаем контрастность дисплея HG1. Подсветка дисплея подключена к питанию через токоограничивающий резистор R4. Дисплей HG1 прикручивается к плате 3 x 15 мм латунными стойками и 3 x 6 мм винтами.

Формированием логики на RB2 добиваются открытия или закрытия полевого транзистора VT1 , который включает и выключает подключенный к клеммнику X1 электрический замок. Электрический замок должен быть рассчитан на рабочее напряжение 9-15 В и потреблять ток не более 1 А. При подачи напряжения на электрический замок должен открываться, при отсутствии напряжения блокируется (закрывается).

К выводу CCP1 (аппаратная реализация ШИМ, частота 4 кГц, скважность 2) через токоограничивающий резистор R2 подключен пьезоизлучатель звука P1 с рабочей частотой генерации звука 4 кГц.

Прибор запитывается от переменного или постоянного источника напряжения, подключаемого к разъему X2. Номинальное напряжение источника питания 9 – 15 В. Номинальный ток источника питания 1 А. Для стабилизации питания используется обычная схема из диодного моста VD1, линейного стабилизатора DA1, фильтрующих конденсаторов C1 – C4.

Прибор может эксплуатироваться в диапазоне температур от –20 °С до +70 °С.
Микроконтроллер запрограммирован таким образом, что имеет одиннадцать рабочих состояний.

1. При включении прибора происходит чтение энергонезависимой памяти данных EEPROM, где происходит выгрузка данных состояния замка и кода. Прибор открывает или закрывает электрический замок согласно прочитанному регистру состояния замка. Прибор переходит в состояние где отображает статистику кодирования, т.е. 2.
2. В данном состоянии прибор в верхней строке выводит на дисплее надпись «Stat. Стат.» и в нижней строке отображает статистику кодирования, а именно число кодирований и число декодирований*. После кратковременного или удерживаемого нажатия тактовой кнопки прибор руководствуясь регистром о состоянии замка переходит в состояние кодирования если замок открыт, т.е. 3 и переходит в состояние декодирования если замок закрыт, т.е. 4.
3. Прибор выводит в верхней строке на дисплее надпись «Code Код» и переходит в состояние где происходит ввод кода (подпрограмма «Ввод кода»), т.е. 5. Происходи инкрементирование счётчика числа кодирований. Прибор переходит в состояние где меняет состояние замка, закрывая его, т.е. 9.
4. Прибор выводит в верхней строке на дисплее надпись «Decode Д.код» и переходит в состояние где происходит ввод кода (подпрограмма «Ввод кода»), т.е. 5. Происходи инкрементирование счётчика числа декодирований. Прибор сравнивает введённый код с кодом сохранённым в энергонезависимой EEPROM памяти. Если код совпадает тогда прибор переходит в состояние где меняет состояние замка, открывая его, т.е. 10, а если код не совпадает переходит в состояние где выводит информацию о ошибке, т.е. 11.
5. В нижней строке дисплея квадратными скобками выделяется первая цифра четырехзначного кода. Кратковременным нажатием на тактовую кнопку происходит инкрементирование регистра вводимой цифры**. Если тактовая кнопка нажата и удерживается более 1 с, то прибор переходит в состояние где происходит выбор второй цифры кода, т.е. 6.
6. В нижней строке дисплея квадратными скобками выделяется вторая цифра четырехзначного кода. Кратковременным нажатием на тактовую кнопку происходит инкрементирование регистра вводимой цифры**. Если тактовая кнопка нажата и удерживается более 1 с, то прибор переходит в состояние где происходит выбор третей цифры кода, т.е. 7.
7. В нижней строке дисплея квадратными скобками выделяется третья цифра четырехзначного кода. Кратковременным нажатием на тактовую кнопку происходит инкрементирование регистра вводимой цифры**. Если тактовая кнопка нажата и удерживается более 1 с, то прибор переходит в состояние где происходит выбор четвёртой цифры кода, т.е. 8.
8. В нижней строке дисплея квадратными скобками выделяется четвёртая цифра четырехзначного кода. Кратковременным нажатием на тактовую кнопку происходит инкрементирование регистра вводимой цифры**. Если тактовая кнопка нажата и удерживается более 1 с, то прибор переходит в состояние на то место откуда запрашивалась подпрограмма «Ввод кода», т.е. 3 или 4.
9. Прибор закрывает замок и сохраняет состояние замка и код. В верхней строке выводит на дисплее надпись «Saving Сохран.» и в нижней строке четырёхзначный код. Далее прибор переходит в состояние где отображает статистику кодирования, т.е. 2.
10. Прибор открывает замок и сохраняет состояние замка и код. В верхней строке выводит на дисплее надпись «Saving Сохран.» и в нижней строке четырёхзначный код. Далее прибор переходит в состояние где отображает статистику кодирования, т.е. 2.
11. В верхней строке выводит на дисплее надпись «Error Ошибка» и в нижней строке четырёхзначный код. (Фото 4) После кратковременного или удерживаемого нажатия тактовой кнопки прибор переходит в состояние где отображает статистику кодирования, т.е. 2.

*После переполнения счётчика (больше 65535) происходит обнуление и счёт начинается заново, что приводит к сбою в статистике, в том смысле, что число кодирования может быть больше числа декодирований. Таким образом, рекомендуется обесточить прибор для сброса счётчиков.

**При инкрементировании цифры 9 происходит обнуление.

Так как у микроконтроллера защищена от внутрисхемного чтения EEPROM память (задано в конфигурации) внутрисхемно прочитать и узнать пароль, а следовательно и включить электрический замок не получится. Остаётся более простой способ вскрытия – непосредственно на прямую подать напряжение на электрический замок. Делаю вывод, прибор «кодовый замок» и электрический замок должны быть надёжно защищены от проникновения посторонних лиц. В свободном доступе должна быть кнопка и дисплей.

Стоит отметить, что прибор можно обесточивать, всё равно в энергонезависимой EEPROM памяти после ввода кода сохраняется состояние замка и код. Обесточивать прибор во время сохранения кода в энергонезависимой EEPROM памяти запрещено.

Стоит обратить внимание на одну важную деталь в работе прибора. При включении прибора он может кратковременно открывать электрический замок (на время мене 1 с), не смотря на то, что в энергонезависимой EEPROM памяти сохранено закрытое состояние электрического замка. Мной при симуляции выполнения программного кода в среде MPLAB IDE данная ошибка не была выявлена. При неожиданном обесточивании прибора во время сохранения кода в EEPROM памяти можно некорректно сохранить код и восстановить его не удастся, что приведёт к повторному программированию микроконтроллера. Отсюда следует рекомендация о необходимости стабильного и (или) резервного питания прибора. GB1 – резервное питание.

Файлы для изготовления печатной платы смотреть в папке .

В данном устройстве можно заменить следующие детали. Микроконтроллер DD1 из серии PIC16F628A-I/P-xxx с рабочей тактовой частотой 20 МГц в корпусе DIP18. Дисплей HG1 подойдет любой из серии WH1602x. Стабилизатор напряжения DA1 отечественный КР142ЕН5А (5 В, 1.5 А). Полевой MOSFET транзистор VT1 (N-канал) в корпусе I-Pak (TO-251AA), подойдёт аналог номинала указанного на схеме. Пьезоизлучатель звука P1 с рабочей частотой генерации звука 4 кГц. Диодный мост VD1 можно применить любой из серии 2Wxx. Разъём питания X2 аналогичный указанному на схеме с центральным контактом d=2.1 мм. Неполярные конденсаторы С1 и С2 номиналом 0.01 – 0.47 µF x 50 V. Электролитические конденсаторы С3 и С4 ёмкостной номинал тот же, а напряжение не ниже указанного на схеме.

Скачать архив с проектом кодового замка: 16F628Code_Lock.rar

Этот электронный кодовый замок можно использовать для открытия электромеханического затвора. Функциональность реализована в программном обеспечении. Реле управления замком включается (обычно, чтобы открыть дверь) в течение нескольких секунд, если кто-то вводит правильный код.

Ток потребления схемы является низким, потому что микроконтроллер спит большую часть времени, и просыпается только для обработки нажатий клавиш. Контроллер 16F628A уже работает от внутреннего RC генератора, так что никаких внешних кристаллов не требуется. Каждое нажатие на клавишу дублируется звуковым сигналом зуммера BM1. Зуммер используется с внутренним генератором. Состояние прибора высвечивается на LCD индикаторе типа 16x02 с контроллером HD44780. В замке используется стандартная матричная клавиатура с количеством столбцов 3 и количеством строк 4. Схема замка на рисунке ниже.

Для того чтобы открыть замок введите правильный код и используйте "#" в качестве клавиши "ввод". Первоначальный код 623342. Код может быть изменен в любое время после ввода действующего кода. Клавиша "*" используется для изменения кода. Введите фактический код, и нажмите "*". Если код введен правильно, индикатор изменения кода HL1 загорится, после этого введите новый код дважды подтверждая ввод клавишей "#". Так же можно изменить длину кода.

Данный кодовый замок на микроконтроллере собран на достаточно простом микроконтроллере AVR ATtiny13. Его можно применить для ограничения допуска в различные складские помещения, запирание ворот гаража и дверь дома, а также для включения различных приборов, включение которых нужно ограничить.

Принцип работы

Работа замка на микроконтроллере основана на поочередном вводе трех чисел. Размер каждого числа может быть в диапазоне от 0 до 255. Это в свою очередь повышает уровень секретности кодового замка по сравнению с другими замками, у которых каждое секретное число имеет размер от 0 до 9.

В том случае если введенная последовательность этих трех чисел совпадает с тремя числами, которые внесены в память микроконтроллера кодового замка, то на выходе (вывод 3) появится управляющий сигнал (лог.1), на 15 секунд загорится светодиод HL4 сигнализируя о правильности ввода и сработает реле К1 управляющее исполнительным механизмом замка. По истечении 15 секунд на выводе 4 микроконтроллера появится лог. 0 и замок перейдет в первоначальное состояние ожидания.

Управление работой кодового замка осуществляется всего двумя кнопками, руководствуясь только индикацией светодиодов. Причем ввод секретного кода осуществляется только одной кнопкой SB2, которая находится на наружной панели замка. Вторая кнопка SB1 предназначена для программирования, и она расположена на самой плате.

Этапы управления кодовым замком

• Внесение в энергонезависимую память микроконтроллера три кодовых числа.

Рассмотрим это на конкретном примере. Допустим, нам нужно задать следующий секретный код: первая цифра 8, вторая цифра 12, третья цифра 9. Для этого подаем питание на устройство, затем нажимаем и удерживаем обе кнопки (SB1 и SB2). После этого отпускаем кнопку SB1, и как только начал мигать светодиод HL1 отпускаем и кнопку SB2. После этих манипуляций светодиод HL1 будет гореть постоянно, а светодиоды HL2 и HL3 не будут гореть. Это состояние светодиодов говорит о том, что устройство перешло в режим программирования.

Теперь чтобы записать первое число нам нужно нажать и удерживать кнопку SB2, при этом все три светодиода начнут мигать. Нужно отсчитать необходимое количество вспышек (в нашем случае это 8) и отпустить кнопку. После этого, в подтверждении правильности введенного числа, светодиоды промигают такое же количество раз (8 раз). Все, первое число записано. Далее загорается светодиод HL2 – напоминая нам, что необходимо записать второе число.

Поступаем точно так же как и с записью первого числа: нажимаем и удерживаем кнопку SB2 и отсчитываем необходимое число вспышек светодиодов (в нашем примере это 12), отпускаем кнопку и проверяем правильность ввода по повторным вспышкам. Затем загорается светодиод HL3 для третьего числа, и повторяем туже процедуру и для третьего числа (число 9).

После того так мы записали в память микроконтроллера все три числа и для выхода из режима программирования нужно нажать кнопку SB1.

• Набора секретного кода

Рассмотрим так же это на примере. До этого мы записали секретный код 8-12-9. Для ввода вначале нажимаем кнопку SB1 и отпускаем ее сразу, после того как загорится светодиод HL1, тем самым переводим наш замок в режим ввода кода. Свечение светодиода HL1 свидетельствует, что нужно ввести первую цифру. Процедура ввод цифр аналогична тому, как вводились цифры при программировании. То есть, нажимая на кнопку SB1, отсчитываем необходимое количество, после чего отпускаем кнопку и наблюдаем подтверждение наборной цифры путем мигания светодиодов. Затем переходим ко второй и третьей цифре.

В том случае если все три цифры секретного кода введены верно, сработает реле и на 15 секунд включится светодиод HL4, светодиоды HL1,HL2,HL3 будут светиться в режиме бегущих огней.

Для ввода секретного кода предоставляется три попытки. Если в третий раз код введен неверно, возможность ввода блокируется на 2,5 минуты. По прошествии этого времени замок снова будет готов к вводу кода.

При программировании микроконтроллера следует выставить следующие фьюзы:

• CKDIV8 = 0
• BODLEVEL0 = 0
• SPMEN = 0

(1,3 Mb, скачано: 1 566)