Cerradura electrónica Introducción

En esta memoria se explican los pasos seguidos para la realización de un proyecto mediante el cual se intenta implementar una cerradura electrónica de seis cifras introducidas a través de teclado. Estas seis cifras pueden elegirse a voluntad y cambiarse tantas veces como se desee, lo cual no es posible en otro tipo de cerraduras.

La motivación que ha llevado a la elección de este tipo de cerradura, viene dada, por la imposibilidad de utilizar otro tipo de sistema con elementos más complejos, como pueden ser los microcontroladores, dispositivos que facilitarían el montaje tanto disminuyendo el tamaño final de la placa, como el numero de pistas, lo que reduciría notablemente la complejidad del circuito impreso.

La cerradura codificada consta básicamente de un teclado por donde se introduce el código a comparar, un modulo codificador, y algunos circuitos lógicos que comparan los números introducidos con los programados.



Lista de componentes:

  • Resistencias
    • R1, R2 = 100 kohmio
    • R3 = Array, 8 * 1 Mohmio
    • R4 = 10 Mohmio
  • Condensadores
    • C1 = 2,2 nF
    • C2, C12 = 220 nF
    • C3, C4, C6 - C11 = 100 nF
    • C5 = 1µF, 16 V
  • Semiconductores
    • D1 - D12 = 1N4148
  • Circuitos Integrados
    • IC1 = 4068
    • IC2, IC6 = 4093
    • IC3 = 4538
    • IC4, IC5 = 4017
  • Varios
    • Socket 1 = Zscalo de 20 pines
    • S1 - S12 = 12 pulsadores montados en una placa externa


Funcionamiento del circuito

En el montaje se han utilizado circuitos integrados de la tecnología CMOS porque consumen mucho menos que los TTL ya que en reposo necesitan muy poca corriente para trabajar (alrededor de 0.6 µA), de esta forma se pueden utilizar pilas para alimentar el circuito.

El esquema del circuito es el de la figura siguiente obtenida del Capture:

Pulse para descargar el archivo cerradura.dsn

El código es introducido por medio de los 12 pulsadores S1 - S12 y previmente ha de ser programado por medio de un msdulo de codificacisn que consiste en un zscalo de 20 patillas en el que cableandolo se fijara el csdigo deseado.

La tecla ‘#’ (S4) se usara para el desbloqueo del circuito. Para realizar esto se debe de unir directamente la tecla con la salida de la puerta IC2d. Los pulsadores estan aislados entre s? por medio de los diodos D1 - D12. La tecla ‘*’ (S12) se ha utilizado como reset porque esta unida a AR que es el reset de los monoestables.

El módulo de codificación está identificado en el listado de componentes como zócalo1. La conexión del módulo de codificación se basa en que si las teclas forman parte del código se unirán a las salidas A1 - A6 si forman parte del codigo (tienen orden, es decir, si en la A1 se conecta el pulsador correspondiente a el nº 3, ése será el primer nº del código) y a AR las que no formen parte de dicho código ya que este terminal cuando se activa provoca el reseteado del circuito.

El diseño se ha basado en un multivibrador monoestable, IC3a e IC3b, y dos contadores decimales IC4 e IC5. Cuando el circuito se encuentra totalmente en reposo, la salida /Q (pin 7 de IC3a) está anivel alto y ambos contadores están reseteados. Si se pulsa alguna de las teclas se disparan los multivibradores, después de lo cual los contadores cambian de estado.

La constante de tiempo (tiempo de monoestable) de IC3a, es alrededor de dos segundos, duarante los cuales los contadores están habilitados. Cada vez que se pulse otra tecla, se añaden otros dos segundos, por lo que después de doce segundos, el circuito pasa a un estado de aceptación de clave.

El tiempo de activación del monoestable IC3b es de unos 20 ms. LA impedancia de salida del monoestable (pin 10) junto con el condensador C3 forman un filtro paso bajo. Este filtro se encarga de retrasar un poco la señal de reloj de los contadores con respecto al período cuando estos están habilitados. Lo cual quiere decir que al introducir el primer dígito, la salida Q1 de IC4 pasa a nivel alto. Si el dígito es correcto, la salida A1 del módulo de codificación pasa también a nivel alto. Por tanto la salida de la puerta NAND IC2a (que está unida a A1) pasa brevemente a nivel bajo y la salida de IC1 (que es otra puerta NAND) pasa a nivel alto. El filtro de paso bajo formado por R2 y C4 (colocado como entrada de reloj de un 4017) funciona como trigger Schmitt borra este pulso alto.

Este procedimiento se repite para los siguientes dígitos. Si todos los dígitos son correctos, la salida Q6 de IC5 pasa a nivel alto cuando se haya pulsado el sexto dígito. Posteriormente si pulsamos la tecla de desbloqueo ‘#’ (S4), el circuito quedará operativo y la salida de IC2d pasará de estado alto a bajo. Este cambio de estado se puede utilizar para activar un relé que de corriente a un abrepuertas o alguna otra función que al usuario le interese.

El circuito se resetea a los dos segundos después de que se haya pulsado la última tecla por medio de IC3a.

Si se realiza una pulssación incorrecta es imposible que el circuito se active debido a los siguientes aspectos de seguridad:

  • Cuando se introduce un dígito que no forma parte del código programado mediante el módulo de codificación la salida AR (del zócalo de 20 patillas) pasa de nivel bajo a alto, lo que provoca que la salida de la puerta NAND IC6c pase a nivel bajo y por tanto los dos monoestables se resetean.
  • Para evitar que el contador no cuente cuando no deba, por ejemplo cuando un dígito se introduce repetidamente, el pin 6 de IC4 (Q7) se Une con la entrada ENA (pin 13).
  • El Array de resistencias R3, se utiliza para asegurar los niveles en las entradas de las puertas NAND de IC2 e IC6 durante todo el tiempo.


Módulo de codificación:

El número del código se pone en la parte superior del zócalo de 20 pines con cables simples recubiertos de material aislante . Es aconsejable que se empiece por conectar los pulsadores que no se vayan a usar al terminal AR ya definido anteriormento. En la figura siguiente se uestra un ejemplo de programación del módulo de codificación en el que se ha introducido el nº 322761.



conexiones para establecer el código 322761



El dígito 3 se obtiene uniendo los pines 1 y 3 , el dígito 2 juntando los pines 17 y 4 y así sucesivamente. Hay que notar que los dígitos 0, 4, 5, 8, 9, ‘*’ no se utilizan, por lo cual se conectan al pin 9 (AR).



Desarrollo

Para la realización del proyecto se ha utilizado el paquete de software Orcad 9.2, basándose dicho proyecto en la utilización de las aplicaciones Capture y Layout.

Primeramente se ha utilizado la aplicación Capture, con la finalidad de representar el esquema electrónico del circuito. Componente a componente se ha ido implementando el esquema electrónico, para conseguir el resultado final guardado en cerradura.dsn. También se ha hecho uso de la jerarquía descendente para simplificar el esquema.

Una vez realizado el esquema eléctrico, se ha empezado la construcción de un archivo con extensión upd, el cual se necesita para asociar el footprint a cada componente, de modo que se sistematiza la asociación de footprints a componentes en futuras placas, puesto que este archivo upd puede ser reutilizado tantas veces como se quiera, siendo posible su ampliación. Las referencias a estos footprints son extraídas del Layout library manager. También ha sido necesaria la creación de un footprint nuevo para un componente que no se encontraba en el Library manager, se trata de una regleta soldable al circuito impreso para evitar soldar los cables de alimentación y salida, con la comodidad que esto supondría para una posible futura conexión/desconexión.

Al tener ya implementado el esquema eléctrico y asignados todos los correspondientes footprints a cada uno de los componentes, el siguiente paso antes de empezar con el trazado de pistas en Layout es la creación de la netlist en la cual se debe tener en cuenta que los parámetros se van a medir en pulgadas, no en milímetros. Por esto se debe marcar la casilla correspondiente en la ventana User Properties.

Ya en Layout se abre un nuevo documento para crear el archivo cerradura.max, para el cual necesitamos una plantilla que Layout saca por defecto, y la netlist que se ha generado en el Capture.

Inicialmente, si todos los pasos se han realizado de forma correcta, aparecerán todos los componentes ordenados de forma aleatoria en la pantalla. Los componentes están conectados por unas líneas amarillas que son las conexiones lógicas, estas conexiones lógicas son fieles al esquema eléctrico de la cerradura electrónica tratada en el proyecto.

El siguiente paso es la colocación de los componentes teniendo en cuenta las conexiones lógicas que nos muestra el programa, buscando la mínima complejidad para el posterior trazado de pistas. Es de especial importancia este paso, puesto que de él depende el futuro numero de puentes, aumentando considerablemente cada puente la posibilidad de error en la placa, ya que cada uno de estos puentes conlleva dos taladros adicionales en la placa con sus correspondientes soldaduras, además del propio cable que queda al aire. Todo esto hace perder fiabilidad al proyecto cosa, de vital importancia para llevar a buen fin el mismo.

Antes de empezar con el trazado de pistas y una vez situados los componentes se han de definir una serie de parámetros:

  • Route Spacing: aquí se definen las diferentes distancias entre pads y taladros, poniéndolas todas a 20 pulgadas a excepción de la distancia track to pad que la pondremos a 10.
  • Layers: en este menú se seleccionan las capas activas, inicialmente se mantendrá activada tan solo la cara bottom (inferior), si fuera necesario se irían activando capas posteriores, que inicialmente no se usan por ser mucho más compleja su implementación física, además de no disponer de suficientes elementos tecnológicos para implementar una placa con pistas en varias caras.
  • Nets: este es el listado de conexiones, se fijara en este todos los parámetros a 20 pulgadas, como no se necesitan grandes corrientes de alimentación por ser un circuito puramente digital, no es necesario utilizar pistas mas anchas para la alimentación. Si las corrientes fuesen ligeramente mayores se pondrían las pistas de alimentación y masa a 40 pulgadas.
Ahora se procede la parte más laboriosa de la creación del circuito impreso, el trazado de pistas. Donde probablemente sea necesario mover los componentes para encontrar el trazado optimo de las pistas, se trata de evitar en la medida de lo posible la realización de puentes, cuyos efectos se han explicado anteriormente. Finalmente se colocan los tornillos y se utiliza la herramienta Obstacle Tool para determinar el área de la placa. Una vez hecho esto, ya esta lista para imprimir el fotolito.

Una vez realizados los pasos anteriores, se obtiene el siguiente esquema en el Layout, a partir del cual se realiza el fotolito para realizar la placa.

Pulse para descargar el archivo cerradura.max

Bájate el fotolito en formato .PDF

Conclusiones

Finalmente se cometerán los errores que han surgido durante la realización de la placa para que sirvan de experiencia a aquella persona que se disponga a realizar la placa:

  • Antes de realizar la Netlist, es importante asegurarse de que todos los componentes tienen el footprint correcto asociado y de hacer un chequeo eléctrico porque pueden haber conexiones no realizadas que pueden parecer buenas.
  • Si es necesario crear algún footprint sería aconsejable imprimirlo y comprobar que dicho footprint ha sido diseñado con éxito para su propósito, evitando posibles malos entendidos tras la realización de la placa que quedaría inservible.
  • Si desactivas el DRC en algun lugar determinado para trazar una pista en concreto no olvides volver a activarlo ya que luego las conexiones realizadas no cumplirán las distancias mínimas y la realización de la placa resultaría imposible
  • Antes de hacer la placa has de tener todos los componentes comprados para estar seguro de los footprints.
  • Ten especial cuidado en la polaridad de los componentes activos a la hora del montaje puesto que un error en éste paso podría causar la destrucción total de los componentes.


Finalmente

Seguidamente se muestran un par de imágenes del resultado final que se ha obtenido.



Si quisiera realizar también el teclado, Desde aqui puede obtener teclas.dsn y teclas.max. (fotolito en .PDF)



A continuación se muestran los nombres de los creadores de éste, si quieres contactar con alguno de nosotros sólo has de pinchar sobre el nombre de la persona con la que quieres contactar.



David Laurí pla

Álvaro Martínez Durá

Vicente Martínez Santamaría