Elektronisches Schließfach

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Autoren: Kilian Engelhardt & Jörn-Hendrik Beleke
Betreuer: Prof. Schneider

Einleitung

Das Projekt "Elektronisches Schließfach" entsteht im Rahmen des Praktikums "Fachpraktikum Elektrotechnik" im Studiengang "Mechatronik (MTR)".

Ziel des genannten Projekts ist die Entwicklung eines Schließfachs zum Verstauen privater Gegenstände, welches komfortabel durch die Eingabe eines PIN-Codes oder biometrischer Daten durch eine Fingerabdruckerkennung auf einem Bedienfeld durch den Besitzer entsperrt werden kann. Zusätzlich verfügt das Schließfach über Zahlentasten , wodurch die Öffnung des Schließfachs durch weitere Personen mit der Eingabe eines PIN-Codes ermöglicht wird. Zur Entsperrung des Verschlussriegels soll ein Servomotor eingesetzt werden. Über ein LCD-Display werden Anweisungen und der Eingabestatus für den Bediener dargestellt. Eine erfolgreiche sowie mehrfach fehlerhafte Eingabe soll akustisch durch einen Ton bzw. Alarm eines Summers und visuell durch das Leuchten von LEDS bestätigt werden. Zusätzlich wird eine Funktion zur Änderung des Zahlencodes und Fingerabdrucks implementiert.

Anforderungen

Die Anforderungen an das Projekt werden in der nachfolgenden Tabelle 1 aufgezeigt. Dabei sind diese in die Bereiche Hardware, Mechanik und Software unterteilt.

Tabelle 1: Auflistung der Anforderungen

Nr.	Beschreibung	Bereich	Datum	Status
1	Das elektronische Schließfach muss ein Bedienpanel mit Fingerabdruckerkennung und Tastern zur PIN-Code-Eingabe besitzen.	Hardware	04.10.2023	Erledigt
2	Das Bedienpanel muss über ein LCD-Display und LEDs zur Visualisierung des Eingabestatus verfügen.	Hardware	04.10.2023	Erledigt
3	Für das Schließfach muss eine Spannungsquelle bereitgestellt werden.	Hardware	04.10.2023	Erledigt
4	Als Mikrocontroller muss ein Arduino eingesetzt werden.	Hardware	04.10.2023	Erledigt
5	Als Schließmechanismus muss ein Servomotor mit Sperrriegel eingesetzt werden.	Hardware	04.10.2023	Erledigt
6	Für das Schließfach muss ein Gehäuse angefertigt werden.	Mechanik	04.10.2023	Erledigt
7	Der Algorithmus muss die Signale der Fingerabdruck- und PIN-Code-Eingabe erfassen und verarbeiten.	Software	04.10.2023	Erledigt
8	Der Schließmechanismus muss durch den Algorithmus betätigt werden.	Software	04.10.2023	Erledigt
9	Der Algorithmus muss über eine Funktion zur Änderung des PIN-Codes bzw. Fingerabdrucks verfügen.	Software	04.10.2023	Erledigt
10	Auf dem LCD Display muss der Eingabestatus durch den Algorithmus visualisiert werden.	Software	04.10.2023	Erledigt
11	Der Algorithmus muss eine Alarmfunktion für wiederholt falsche Eingaben besitzen.	Software	04.10.2023	Erledigt
12	Die Umsetzung des Algorithmus muss unter Matlab/Simulink erfolgen.	Software	04.10.2023	Erledigt

Funktionaler Systementwurf/Technischer Systementwurf

Zur näheren Erläuterung wird der Systementwurf in Komponenten unterteilt:

• Gehäuse: Das Gehäuse beinhaltet alle folgenden Komponenten und bietet die grundlegende Funktion eines Schließfachs in Kombination mit dem Schließmechanismus.

• Schließmechanismus: Als Schließmechanismus wird ein Servomotor eingesetzt, welcher das Schließfach über einen Verschlussriegel öffnet oder sperrt.

• Endschalter: Diese Komponente erfasst den geöffneten oder geschlossenen Zustand der Schließfachtür.

• Tastenfeld und Fingerabdrucksensor: Diese Komponenten erfassen die Eingabe des PIN-Codes und der biometrischen Daten.

• LCD-Display: Auf dem Display werden Anweisungen und der Eingabestatus für den Nutzer dargestellt.

• Summer: Dieser Lautsprecher informiert den Nutzer akustisch über den Eingabestatus.

• Arduino: An den Arduino Mikrocontroller sind die genannten elektrischen Komponenten angebunden. Der Mikrocontroller führt den Algorithmus aus, welcher die Eingaben des Nutzers auf dem Bedienpanel erfasst, verarbeitet und entsprechende Aktionen durch die Komponenten steuert.

• Spannungsquelle: Als Spannungsquelle für den Arduino mit Platine wird eine 9V-Block-Batterie eingesetzt.

Die nachfolgenden Abbildungen 1.1 und 1.2 stellen eine Skizze des Systementwurfs sowie den Signalfluss des Systems dar.

Abbildung 1.1: Skizze des Systementwurfs

Abbildung 1.2: Signalfluss des Systems

Komponentenspezifikation

In der nachfolgenden Tabelle 2 sind alle für das Projekt verwendeten Komponenten aufgelistet, welche anhand des Systementwurfs ausgewählt wurden.

Tabelle 2: Komponentenliste

Nr.	Komponentenbezeichnung	Beschreibung	Bild
1	Arduino MEGA	ATmega2560 Prozessor Versorgungsspannung: 7V-12V (empfohlen) Betriebsspannung: 5V 54 digitale Ein-/Ausgänge und 16 analoge Eingänge	mini
2	Fingerabdrucksensor JM 101	Betriebsspannung: 5V	mini
3	Mechanischer Endschalter	Ausführung: Wechslerkontakt NC oder NO je nach Verschaltung Betriebsspannung: 5V	mini
4	MG90S Micro Servo	Betriebsspannung: 5V Blockierdrehmoment: 2 kg/cm Maximaler Drehwinkel: 180°	mini
5	4x4 Tastenfeld	Betriebsspannung: 5V 16 Tasten: Zahlen 0 bis 9 Buchstaben A bis D Sonderzeichen * und #	mini
6	16x02 I2C LCD Modul	Betriebsspannung: 5V 2 Zeichenreihen, 16 Zeichen pro Reihe mit I2C HD44780 Modul, verlötet	mini
7	Piezo Lautsprecher	Betriebsspannung: 5V	mini
8	Industriegehäuse	Abmessungen: 250 x 350 x 150 mm Material: ABS Kunststoff	mini
9	Montageplatte Arduino Mega	Herstellung mittels 3D-Druck Ermöglicht Montage des Arduinos an Schließfachtür	[In Bearbeitung]
10	Spannungsquelle	9V-Block-Akku	[In Bearbeitung]

Umsetzung (HW/SW)

Hardware

Montage der Komponenten

Nach den Funktionstests der Einzelkomponenten (siehe Kapitel Komponententest) wurden diese im Gehäuse verbaut. Dazu mussten entsprechende Aussparungen für den Fingerabdrucksensor, das Tastenfeld und das LCD-Display an der Schließfachtür angefertigt werden, siehe Abbildung 2.1a.

Um den Servomotor am Schließmechanismus zu befestigen, wurden Bohrungen in den Verschlussriegel des Schließmechanismus eingebracht. Mittels Schrauben wurde dann ein im Lieferumfang enthaltenes Verbindungsstück mit dem Motor und den Bohrungen verbunden. Wie in Abbildung 2.1b dargestellt, wurde der Motor anschließend über passend zugesägte Kunststoffwinkel an der Innenseite der Schließfachtür angebracht.

Der Endschalter (Abbildung 2.1c) wurde an der Innenkante des Gehäuses angebracht, sodass dieser betätigt wird, wenn die Tür geschlossen ist.

Abbildung 2.1a: Schließfachtür von außen

Abbildung 2.1b: Schließfachtür von innen

Abbildung 2.1c: Endschalter an Gehäuseinnenkante

Verdrahtung der Komponenten

Im Anschluss an die Montage der einzelnen Komponenten im Gehäuse mussten alle elektronischen Komponenten mit dem Arduino Mikrocontroller elektrisch verbunden werden. Dazu wurde der folgende Verdrahtungsplan nach Abbildung 2.2 für das Gesamtsystem angefertigt.

Abbildung 2.2: Verdrahtungsplan des Gesamtsystems

Software

Die Umsetzung der Software für das Gesamtsystems des elektronischen Schließfachs erfolgt unter MATLAB Simulink. Da für dieses Projekt ein Arduino Mega 2560 als Mikrocontroller eingesetzt wird, wurde das "Simulink Support Package für Arduino Hardware" aus dem MATLAB Add-On Explorer zur einfachen Integration der Arduino-Hardware in Simulink installiert. Zusätzlich wird der Block "S-Function Builder" aus der Simulink Bibliothek zur Softwareentwicklung verwendet. Durch diesen Funktionsblock kann C++-Code in Simulink-Modellen integriert werden, was die Verwendung von Arduino-Bibliotheken zur Steuerung der Arduino-Hardware ermöglicht. Als Hilfestellung bei der Implementation der S-Funtions im Simulink-Modell wurde sich am folgenden Wiki-Artikel orientiert: https://wiki.hshl.de/wiki/index.php/Datei:S-Function_Tutorial.pdf

Insgesamt wurden vier S-Function Blöcke erstellt, um den Fingerabdrucksensor, das LCD-Display, das Tastenfeld und den EEPROM-Speicher des Arduinos in Simulink einzubinden. Der Quellcode für die jeweiligen S-Function Blöcke ist nachfolgend aufgeführt.

Die drei verbleibenden Komponenten Endschalter, Piezo-Lautsprecher und Servo-Motor konnten Funktionsblöcken aus der Standard Simulink und Arduino Support Package Bibliothek direkt ausgelesen bzw. angesteuert werden. Da der Endschalter an PIN 11 des Arduinos angeschlossen ist, wurde ein Digital Input Block für PIN 11 verwendet, um den Status des Endschalters (Tür geöffnet / geschlossen) auszulesen. Da der Endschalter als Öffner betrieben ist, gibt der Block eine 1 bei geöffneter Tür und 0 bei geschlossener Tür als Ausgabewert aus. Zur Verwendung des Piezo-Lautsprechers an PIN 12 benötigt es einen PWM-Signal Block, welcher auf eine feste Frequenz von 245.1 Hz eingestellt wurde. Dieser Block kann mit einem Eingabewert zwischen 0 und 255 für einen Pulsweitenmodulation von 0 bis 100% angesteuert werden. Der verwendete Block "Standard Servo Write" aus der Arduino Bibliothek benötigt einen Eingabewert in Grad, um den Servomotor an PIN 10 entsprechend zu drehen. In diesem Modell gibt es die beiden Fälle 0° für die Sperrung und 90° zur Entsperrung der Tür.

Nach Einbindung der einzelnen Komponenten in das Simulink Modell müssen diese noch miteinander logisch verknüpft werden, um die gewünschten Funktionen zu bieten. Bei diesem Projekt eignet sich Simulink Stateflow hervorragend für die logische Steuerung des Modells, da dies ermöglicht, die Ein- und Ausgangsvariablen der Komponenten über verschiedene Zustände (States) mit Übergangsbedingungen zu steuern. Alle Funktionsblöcke der einzelnen Komponenten werden an das "Stateflow-Chart" angeschlossen, wodurch sich folgendes Simulink Gesamtmodell ergibt.

Abbildung 2.3: Simulink Gesamtmodell elektronisches Schließfach

Durch folgende Programmablaufpläne (Abbildung 2.4a bis 2.4e) wird die Planung des Hauptprogramms und der Unterfunktionen dargestellt.

Programmablaufplan Hauptprogramm

Abbildung 2.4a: PAP Hauptprogramm

Programmablaufplan Unterfunktionen

Abbildung 2.4b: PAP Alarmfunktion

Abbildung 2.4c: PAP Entsperrungsfunktion

Abbildung 2.4d: PAP PIN-Änderung

Abbildung 2.4e: PAP Fingerabdruck hinzufügen

Komponententest

Test der Einzelkomponenten

Servomotor

Um die Funktion des Servomotors zu testen, wurde dieser in der Ausgangsstellung von 0° am Verschlussriegel im geschlossenen Zustand (waagerecht) montiert. Um den Verschlussriegel zu öffnen, musste dieser vom Servomotor um 90° gedreht werden. Dazu wurde ein Simulink-Modell erstellt, welches in Abbildung 3.1a und 3.1b dargestellt ist.

Abbildung 3.1a: Simulink-Modell Servo, 0° Ausgangsstellung

Abbildung 3.1b: Simulink-Modell Servo, 90° gedreht

Durch das maximale Drehmoment des Motors von 2kg/cm konnte der Verschlussriegel erfolgreich um 90° gedreht und somit in den geöffneten Zustand versetzt werden, wie in Abbildung 3.2a und 3.2b gezeigt.

Abbildung 3.2a: Servomotor in 0° Ausgangsstellung

Abbildung 3.2b: Servomotor in 90° Stellung

Fingerabdrucksensor

Die Funktion des Fingerabdrucksensors wurde mithilfe eines Sketches der Arduino-Bibliothek "Adafruit Fingerprint Sensor" überprüft. Der Testaufbau ist in Abbildung 3.3a dargestellt. Es konnte erfolgreich ein Fingerabdruck eingelesen und verifiziert werden, siehe Abbildung 3.3b.

Abbildung 3.3a: Testaufbau des Fingerabdrucksensors

Abbildung 3.3a: Ausgabe des seriellen Monitors

LCD Display

Eine Funktionsprüfung des 16x02 LCD Displays mit HD44780 I2C-Modul wurde mithilfe der Arduino-Bibliothek "HD44780" ermöglicht. Auf Abbildung 3.4 ist die Textausgabe auf dem LCD-Display gezeigt.

Abbildung 3.4: Testaufbau des Displays mit Textausgabe

Tastenfeld

Die Funktion des Tastenfelds konnte ebenfalls durch die Verwendung einer Arduino-Bibliothek "Adafruit Keypad" getestet werden. Dazu wurde das Tastenfeld an 8 digitale I/O-Pins (Pin 2 bis Pin 9) des Arduinos angeschlossen, siehe Abbildung 3.5a. Testweise wurden alle Tasten betätigt und die Betätigung auf dem seriellen Monitor ausgegeben (Abbildung 3.5b).

Abbildung 3.5a: Testaufbau Tastenfeld

Abbildung 3.5b: Ausgabe auf dem seriellen Monitor

Projektunterlagen

Projektplan

Zur Planung der Projektdurchführung wurde der folgende Gantt-Projektplan (Abbildung 4.1) mit den einzelnen Projektvorgängen und Meilensteinen erstellt.

Abbildung 4.1: Projektplan Elektronisches Schließfach

Literatur

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