Электронные технологии наступают по всем фронтам! На смену механическим замкам приходят электронные обеспечивающие намного более высокую степень секретности за счет применения специального контроллера управления. Контроллер электромеханического замка включается от электронных ключей-таблеток, каждый из которых имеет свой индивидуальный код, записанный при производстве. Номера ключей никогда не повторяются, изменить их невозможно, а количество возможных комбинаций составляет более 2,8 x 10¹⁵. В случае утери, или по другим причинам, любой ключ может быть деактивирован. Один и тот же ключ может быть зарегистрирован в нескольких электронных замках, что избавляет пользователя от необходимости иметь множество ключей от разных замков.

Контроллер в первую очередь предназначен для электромеханических замков типов EL301, EL370, EL371 производства Тайваньской фирмы YUS.

Собрать контроллер электромеханического замка можно из набора МАСТЕР КИТ NM6011.

   Универсальный контроллер электромеханического замка

Вячеслав Чулков "Схемотехника" 200205

Толчком к появлению этой разработки явилось неприятное событие – обокрали моего соседа, и мне пришлось быть понятым при осмотре места происшествия. Воры легко вскрыли два «навороченных» механических замка, которые стояли в железной двери. Милицейский эксперт, который их осматривал, обескуражил меня заявлением, что преступники освоили вскрытие практически всех типов механических замков. К ним могут подобрать, тайно скопировать или просто украсть ключ, высверлить личинку или сломать ее.

Чтобы обезопасить свое жилище от подобных ситуаций, я захотел установить у себя электронный замок, который обеспечивает намного более высокую степень секретности. Но оказалось, что существующие замки не приспособлены к их использованию в быту. К стандартному электромеханическому замку нужно добавить специальный контроллер управления, довольно мощный блок питания и резервный аккумулятор на случай отключения электричества. Весь этот комплект блоков достаточно сложен в монтаже, и имеет значительную цену.

Борьба с перечисленными недостатками потребовала значительных усилий и времени, и в результате была создана разработка, описываемая в данной статье.

Введение

Электронный замок с контроллером Master Kit NM6011 является запирающим устройством нового типа. Традиционные механические замки имеют секретный код, заключенный в механизме замка, а все ключи содержат одинаковые копии его ответной части для осуществления открывания. Поэтому при утрате любого ключа, например, при потере или краже, замок теряет свои защитные качества и его необходимо заменять. В электронном замке реализована иная концепция: в нем используются ключи-таблетки фирмы Dallas Semiconductor, каждый из которых имеет свой индивидуальный номер, записанный при производстве. Номера никогда не повторяются, изменить их невозможно, и количество возможных их комбинаций составляет более 2.8 x 10¹⁵. Перед началом использования, любой из этих ключей должен быть зарегистрирован в контроллере замка. При этом контроллер запоминает индивидуальный номер ключа и, в случае если ключ разрешен (активирован), открывает по нему замок. Одновременно в замке может быть зарегистрировано до 16 ключей под условными номерами от 0 до F (шестнадцатеричные цифры). В случае утери, или по другим причинам, любой ключ может быть деактивирован. При этом замок перестает по нему открываться, но информация о ключе сохраняется в памяти контроллера и ключ в любой момент может быть снова активирован. Информация о ключах хранится в энергонезависимой памяти контроллера, поэтому она не теряется после отключения питания. Один и тот же ключ может быть зарегистрирован в нескольких электронных замках, что избавляет пользователя от необходимости иметь множество ключей от разных замков.

Дополнительная степень защиты заключается в возможности установки замаскированных, например, под обивочные гвозди, контактов считывателя, установленных в любом месте двери.

Принципиальная схема устройства

Общая принципиальная схема для контроллеров NM6011 , NM6012 показана на рис. 1. В зависимости от типа контроллера и режима работы некоторые элементы не устанавливаются. Внешний вид устройства проиллюстрирован на рис. 2, а. Технические характеристики приведены в табл. 1, а перечень элементов - в табл. 2. Чертеж печатной платы и расположение элементов показаны на рис. 3а и 3б.

 

Рисунок 1.
Общая принципиальная схема контроллеров NM6011 , NM6012

Рисунок 2, а. Внешний вид устройства	Рисунок 2, б. Внешний вид устройства со стороны расположения индикатора и кнопок.

Рисунок 3а.
Чертеж печатной платы 

Рисунок 3б.
Расположение элементов на плате

Контроллер управления в первую очередь предназначен для электромеханических замков типов EL301, EL370, EL371 производства Тайваньской фирмы YUS. Эти замки являются одними из самых распространенных и недорогих. Конструкция платы контроллера позволяет установить его вместе с четырьмя элементами питания типоразмера ААА внутри корпуса замка. Таким образом, в результате образуется полностью законченный электронно-механический замок не требующий установки никаких дополнительных внешних блоков. От одного комплекта батарей такой замок может проработать более года. При желании можно вместо батарей установить аккумуляторы размера ААА, но их придется регулярно подзаряжать, так как их ток саморазряда существенно превышает потребление замка. В качестве ключей используются широко распространенные электронные ключи-таблетки DS1990 фирмы Dallas Semiconductor. Контроллер позволяет зарегистрировать, проверить регистрацию, активировать/деактивировать ключи. Использование микропроцессорного управления питанием электромагнита замка обеспечивает надежную его работу при снижении напряжения питания до 3,5…4 В.

Контроллер может работать так же и с другими типами замков и источниками питания. Для этого предусмотрено несколько вариантов исполнения, отличающихся установленными компонентами и алгоритмом работы. Подробнее описание вариантов дается далее в разделах «Конструкция» и «Работа устройства».

Таблица 1. 
Технические характеристики

 Таблица 2.
Перечень элементов

Конструкция

В обеих модификациях контроллеров NM6011 и NM6012, отличающихся по комплектации, подаче питания и алгоритму функционирования используются одинаковые печатные платы и прошивки процессора. Алгоритмы функционирования изменяются в зависимости от установленных компонентов, что определяется микропроцессором автоматически. Контроллеры выполнены на односторонней печатной плате из фольгированного стеклотекстолита. Детали, за исключением индикатора и микрокнопок, устанавливаются обычным образом. Микрокнопки устанавливаются со стороны печати после монтажа остальных деталей. Индикатор устанавливается со стороны деталей, но его установка имеет некоторые особенности. Так как выводы индикатора находятся под его корпусом, то непосредственно распаять его на печатную плату весьма сложно. Он может монтироваться одним из двух способов, показанных на рис. 4. При установке по способу а - в отверстия для индикатора со стороны печати вставляются цанговые зажимы, извлеченные из панельки, входящей в набор. Затем снаружи они аккуратно пропаиваются, и в них вставляется индикатор. При установке по способу в - в отверстия вставляются кусочки проволоки, согнутые в виде буквы Г. Затем они припаиваются к печатной плате, после этого устанавливается индикатор, и его ножки припаиваются к проволочкам.

Рисунок 4.
Варианты исполнения монтажа индикатора

При установке платы контроллера в замок типа EL370 (EL371, EL301) необходимо удалить по перфорации угол печатной платы и использовать для крепления контроллера два отверстия 3 в верхней части платы. Контроллер крепится при помощи двух саморезов 3х12 и двух втулок 3х5 на стандартной пластмассовой колодке замка. Для крепления контроллера при его использовании с другими типами замков может использоваться дополнительное отверстие в углу платы. Пример установки платы в замок типа EL370 показан на рис. 5.

Рисунок 5.
Пример установки платы в замок типа EL370

Считыватель ключей представляет собой два обычных контакта. Можно приобрести готовый узел, или сделать его самостоятельно. Один из вариантов считывателя показан на рис. 6.

Рисунок 6.
Вариант считывателя

Работа устройства

Работа контроллера различается в зависимости от его варианта:

NM6011 . Этот вариант предназначен для режима батарейного питания со сверхмалым потреблением и режимом накачки заряда. Контроллер собирается по схеме рис. 1, но в этой модификации не устанавливается микросхема DA1. Питание, V_cc1= 4…6 В подается на контакты Х1, Х7. Электромагнит открывания замка подключается к контактам Х3, Х6. К контактам Х5, Х8 можно подключить светодиод или динамик для индикации режима открывания. К контактам Х9, Х4 подключается считыватель ключей.

После подачи питания микропроцессор опрашивает состояние внешних цепей, определяет конфигурацию устройства, в зависимости от этого настраивает режимы своих внешних портов и переходит в спящий режим. В этом режиме тактовый генератор микропроцессора выключен, и все узлы находятся в режиме микропотребления. Схема контроллера построена таким образом, что остальные узлы так же не потребляют тока питания. В таком состоянии весь микроконтроллер потребляет ток порядка 1 мкА.

При подключении ключа к контактам считывателя, он вырабатывает «импульс присутствия» - короткий отрицательный импульс, извещающий микропроцессор о подключении ключа. Этот импульс переводит триггер, собранный на транзисторах VT3 и VT4 в состояние логического нуля. В таком состоянии этот триггер находится в течение времени, необходимого для выхода микропроцессора из спящего состояния. После выхода из спящего состояния микропроцессор производит чтение кода подключенного ключа, проверяет его на верность и сравнивает его с кодами разрешенных ключей. Если определен разрешенный ключ, то микропроцессор переходит к процессу накачки энергии в накопительный конденсатор C1. Процесс накачки состоит из ряда циклов. В цикле накачки на короткий интервал времени открывается ключ накачки на полевом транзисторе VT2. Происходит линейное нарастание тока через дроссель L1. Затем ключ закрывается, и накопленная энергия из катушки L1 через диод VD2 сбрасывается в накопительный конденсатор C1. После этого микропроцессор через вывод 11 (PD6) проверяет уровень накопленного напряжения. Если он недостаточен, то цикл накачки повторяется. Когда напряжение на конденсаторе C1 достигнет значения 35 В, открывается стабилитрон VD5, и на выводе 11 появляется напряжение лог. 1. Микропроцессор прекращает процесс накачки и на 0,4 секунды открывает силовой ключ на полевом транзисторе VT1. Энергия, накопленная в конденсаторе, сбрасывается в электромагнит открывания замка и замок разблокируется. Из-за использования режима накачки с контролем величины заряда, энергия, подаваемая в электромагнит, не зависит от состояния батареи. Кроме того в микроконтроллере отсутствует эффект внезапного отказа при истощении батареи. Среднее значение тока потребления в процессе накачки не превышает 0,1 А. Время накачки зависит от состояния батареи и составляет от 1,5 сек для 6 В до 8 сек для 3,5 В. Для пользователя время накачки – это время от момента прикосновения ключа к считывателю, до момента разблокирования замка. Это время показывает состояние батареи, и при его увеличении до 5…6 сек необходимо заменить батарею или зарядить аккумуляторы. Для удобства пользования можно подключить к контактам Х5, Х8 контрольный светодиод и вынести его к считывателю. Этот светодиод будет гореть во время процесса накачки, индицируя работу устройства. Вместо светодиода можно подключить миниатюрную динамическую головку, тогда работа контроллера будет подтверждаться звуковым сигналом.

При нажатии на кнопку «Select» микропроцессор также выходит из спящего состояния и переходит в режим установки. В этом режиме, после выхода из спящего состояния, микропроцессор пытается произвести чтение кода ключа. Если ключ присутствует и код прочитан верно, то производится его сравнение с кодами, хранящимися в памяти. Если такой код уже присутствует в памяти, то микроконтроллер выдает на индикатор HL1 номер ключа, а если такого ключа в памяти нет, то на короткое время на индикаторе высвечивается знак «-», после чего процессор переходит в режим ожидания регистрации ключа. Подробнее порядок работы с контроллером в режиме установки описан в разделе «Инструкция по использованию».

Элементы R1, VD3, VD4 обеспечивают защиту входных цепей считывателя от статических разрядов. Диод VD1 защищает ключевой транзистор VT1 от выбросов напряжения на катушке электромагнита замка.

Расчет показывает, что при 10^ти открываниях в день, за год контроллер израсходует около 0,25 А/ч емкости батареи. При типичной емкости батарей размера ААА в 1,0 А/ч очевидно, что время работы комплекта батарей будет ограничиваться временем их хранения, поэтому при выборе батарей для использования в электромеханическом замке рекомендуются выбирать батареи с максимальным допустимым сроком хранения. Для подстраховки на случай отказа батарей можно вывести контакты питания наружу, например, под гвозди обивки. Тогда появляется возможность подключить батарею снаружи и открыть замок.

Питание, V_cc2=5…30 В подается на контакты Х2, Х7. В остальном работа контроллера NM6012 не отличается от NM6011 .

Инструкция по использованию

Тот факт, что в микропроцессорных устройствах большинство функций реализуется на программном уровне, потребовал введения в статью раздела, описывающего процедуры использования электронного замка:

Общие положения

Все операции по регистрации, контролю, активации/деактивации ключей выполняются при помощи двух кнопок «Select» и «Set», расположенных на плате контроллера, установленной внутри замка. Расположение кнопок на плате показано на рисунке 2, б. Все операции необходимо выполнять с паузами между нажатиями на кнопки не более 2 с. В противном случае контроллер сбрасывается и операцию требуется начинать сначала.

Как зарегистрировать новый ключ

Для регистрации нового ключа прислоните ключ к считывателю, затем, нажимая кнопку «Select» выберите номер для ключа, и нажмите кнопку «Set». Признак правильной регистрации - загорание десятичной точки на индикаторе.

Как деактивировать/активировать ключ.

Для активации/деактивации ключа, нажимая на кнопку «Select» выберите номер ключа, который надо активировать/деактивировать, затем нажмите кнопку «Set». Признак активного ключа - свечение точки внизу справа от номера ключа. При каждом последующем нажатии ключ будет активироваться/деактивироваться. Если ключ не активируется, значит под этим номером не зарегистрировано какого либо ключа.

Как проверить номер ключа.

Для того, чтобы проверить под каким номером зарегистрирован ключ, нужно приложить ключ к считывателю и нажать кнопку «Select». На индикаторе высветится номер, под которым зарегистрирован ключ. Если ключ не зарегистрирован, то на 0,4 с. высветится знак «-», а затем номер 0, что означает приглашение зарегистрировать ключ.

Как стереть номер ключа.

Если Вы хотите по каким либо причинам стереть в процессоре информацию о ключе, то для этого необходимо под тем же номером зарегистрировать любой другой ключ. Для стирания допускается один и тот же ключ регистрировать в контроллере под несколькими номерами.

Заключение

Так как описанный контроллер является элементом системы безопасности, то для повышения степени ее защищенности, было принято решение не распространять его внутреннюю микропрограмму. Но в магазинах по продаже электронных компонентов, по индивидуальному заказу, радиолюбители смогут приобретать отдельно микропроцессоры с уже зашитой программой, защищенной от считывания. Цена набора - 680 рублей. 
Заказать.

Tore-Tam