Построение функциональной и принципиальной схемы, выбор и расчёт её отдельных элементов

Разрабатываемое устройство должно выполнять следующие функции:

• ввод трёхзначного десятичного кода, открывающего замок;

• открывание задвижки замка;

• закрывание задвижки замка;

• световая и звуковая индикация текущего состояния замка.

Так как большинство существующих электромеханических замков обладает механической системой закрывания замка с помощью собачки, в них отсутствует возможность электрического закрывания засова замка. Поэтому в разрабатываемом устройстве отпадает необходимость реализации электронной функции запирания засова.

В соответствии с заданными функциональными требованиями можно составить текстовый алгоритм работы кодового замка:

1. Начало работы (засов замка закрыт);

2. Инициализация заданного кода K_з = XXX;

3. Обнуление введённого кода K_в = 000;

4. Ожидание нажатия кнопки;

5. По нажатию кнопки замок переходит в режим ввода кода;

6. Установка номера текущего разряда введённого кода N_р = 3;

7. Включение светового сигнала;

8. Обнуление счётчика числа нажатий кнопки N_н = 0;

9. Запуск таймера длительностью в шесть секунд;

10. Ожидание нажатия кнопки или окончания времени таймера;

11. По нажатию кнопки увеличивается счётчик числа нажатий кнопки N_н = N_н + 1;

12. По истечении времени таймера, происходит вычисление значения введённого кода K_в по формуле: K_в = K_в + N_н • 10^Nр;

13. Пауза на 0,5 с;

14. Если N_р > 0, уменьшение номера разряда кода N_р = N_р – 1, переход к пункту 7;

15. Если N_р = 0, сравнение заданного и введённого кодов: K_з = K_в;

16. Если K_з = K_в, замыкание цепи открытия замка, затем переход к пункту 3;

17. Если K_з ≠ K_в, включение сигнала тревоги;

18. Запуск таймера длительностью в 10 секунд;

19. По истечении времени таймера, выключение сигнала тревоги, переход к пункту 3.

Блок-схема данного алгоритма представлена на рисунке 2.

Рисунок 2. Блок-схема алгоритма работы кодового замка.

Для включения мощной цепи питания электромеханического замка с помощью универсальных цифровых выходов микроконтроллера MB90F591G можно использовать схему электронного ключа на низкочастотном транзисторе, включённом в режиме электронного ключа.

Вывод звуковых сигналов может быть осуществлён с помощью встроенного широтно-импульсного модулятора микроконтроллера и низкоомного динамика. Для обеспечения заданного режима питания динамика и обеспечение возможности регулирования громкости, он также подключается к выводам микроконтроллера через электронный ключ.

Функциональная схема объекта проектирования имеет вид, представленный на рисунке 3.

Рисунок 3. Функциональная схема объекта проектирования.

В качестве электромеханического замка, выполняющего открывание защёлки, может быть использован замок Полис-11M. Данный замок производит открывание защёлки при подаче постоянного напряжения 12В на электромагнит. Закрывание защёлки производится автоматически при захлопывании двери с помощью механической системы взвода защёлки.

Так как, требуемое напряжения питания электромеханического замка составляет 12В, а требуемое напряжение питания микроконтроллера MB90F591G должно лежать в диапазоне от 4,5В до 5,5В, можно выбрать в качестве блока питания проектируемого устройства 12В аккумуляторную батарею. Для питания от сети переменного тока, к батареи может быть подключён дополнительный преобразователь переменного напряжения.

Для обеспечения постоянного напряжения питания микроконтроллера используется схема стабилизации и преобразования напряжения питания на основе стабилизатора фиксированного положительного напряжения КР142ЕН5А. Максимальное входное напряжение данного стабилизатора составляет 15В, ток 1,5А. Вид принципиальной схемы блока питания микроконтроллера показан на рисунке 4.

Рисунок 4. Принципиальная схема блока питания микроконтроллера.

Управление питание электромеханического замка осуществляется по универсальному порту ввода-вывода P80 микроконтроллера с помощью N-канального полевого транзистора КП707B1, работающего в режиме электронного ключа. Пороговое напряжение затвора данного транзистора составляет 5В, максимальный ток сток-исток 3А, максимальное напряжение сток-исток 800В. Принципиальная схема цепи электронного ключа для управления электромеханическим замком представлена на рисунке 5. Выпрямительный диод КД257Б устанавливается для защиты полевого транзистора от наведённой ЭДС обмотки электромагнита электромеханического замка.

Рисунок 5. Схема электронного ключа, включающего питание электромеханического замка.

Вывод звукового сигнала тревоги осуществляется с помощью встроенного широтно-импульсного модулятора (ШИМ) микроконтроллера и низкоомного маломощного динамика 6ГДВ-2, управляемого через транзистор, работающий в режиме электрического ключа. Принципиальная схема блока вывода звукового сигнала показана на рисунке 6.

Номинальное сопротивление динамика 6ГДВ-2 8 Ом. Тогда при работе от напряжения питания 5В, максимальный ток на коллекторе транзистора составит:

Это позволяет выбрать в качестве управляющего транзистора КТ630Е, максимально допустимый ток коллектора которого равен 1А, а статический коэффициент передачи тока h21э равен 160. Для обеспечения работы транзистора в режиме насыщения найдём требуемый ток базы:

Найдём величину резистора R4 для обеспечения тока базы, требуемого для работы транзистора в режиме насыщения:

Для обеспечения режима насыщения выберем следующий наименьший резистор 1 кОм из стандартного ряда сопротивлений E24.

Рисунок 6. Схема электронного ключа, управляющего динамиком.

Принципиальная схема проектируемого устройства представлена на рисунке 7.

Рисунок 7. Принципиальная схема проектируемого устройства.