XVI Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке. Летняя площадка 2022
Могут ли микропереключатели работать как микросхема (Кодовый замок)
Автор работы награжден дипломом победителя I степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
Как и когда начиналась цифровая техника? Не так уж и давно, где-то в семидесятых годах прошлого века, когда был изобретен микрокомпьютер. Это событие было началом цифровой революции, призванной в конечном счете привести к значительному увеличению возможностей человечества управлять миром, в котором оно обитает. Уже сейчас цифровая электроникаи цифровые устройства расширяют диапазон средств связи между людьми, увеличивают интеллектуальные возможности человека [1].
Я увлекаюсь пайкой и уже умею собирать простейшие схемы из радиодеталей. У каждой детали своё назначение и принцип работы. Работа микросхемы для меня была загадкой. Я стал изучать её работу и решил собрать устройство для изучения принципа работы микросхемы на практике.
Цель работы
Смоделировать работу микросхемы собрав кодовый замок на микропереключателях.
Задачи
Изучить информацию по теме проекта;
Изучить устройство микросхемы и принцип её работы;
Рассмотреть типы замков;
Начертить варианты схем кодового замка;
Собрать модель устройства;
Сделать выводы.
Объект исследования
Микросхема.
Микропереключатель.
Гипотеза
Микросхема —электронное вычислительное устройство, которое обрабатывает информацию, выраженную в единицах и нулях (замкнуто или разомкнуто, электронное устройство проводит или не проводит ток, магнитный сердечник намагничен или размагничен). Предположим, что используя микропереключатели можно смоделировать работу микросхемы путем замыкания и размыкания контактов, тем самым имитировать логическую единицу и ноль.
2. Основная часть
Поиск информации
И з интернета я узнал, что работа микросхемы основана на принципах цифровой логики. Логический элемент интегральной микросхемы содержит группу
электрически соединенных элементов, реализующих одну простейшую функцию логики. Такие элементы можно встретить во многих схемах. Они имеют обозначения: «И», «ИЛИ», «НЕ» - их можно назвать «основными» (базовыми). Также, существуют их комбинации: «И-НЕ», «ИЛИ-НЕ». Почему их называют «цифровыми»? Потому что в основе их работы заложена логическая цифровая, двоичная система счисления — цифры «0» и «1». Набор из нескольких таких «элементарных» логических элементов содержат внутри себя микросхемы. При этом за «ноль» принимается напряжение в доли вольта, а за «единицу» принимается напряжение в несколько вольт. Конкретные значения «0» и «1» определяются диапазоном рабочего напряжения питания микросхемы.
Принцип работы такой цифровой логики можно легко и очень доступно продемонстрировать при помощи так называемых «таблиц истинности». Например, по таблице истинности для элемента типа «И» видно, что значение «1» на выходе «Y» появится, только тогда, когда и на входе «Х1», и на входе «Х2» также будут «единицы». Поэтому такой элемент и называется - «И». А для элемента «ИЛИ» ситуация будет другая: «единица» на её выходе появится, если хотя бы на одном из входов будет присутствовать «единица» - или на Х1, или на Х2, или на обоих вместе. Соответственно, такой элемент будет называться «ИЛИ».
Так что логика, как видим, присутствует не только в названии таких элементов, но и в принципе их работы. В качестве примера приведены элементы с двумя входными выводами, однако их может быть и больше, но в любом случае логика работы сохраниться. Третий логический элемент - «НЕ», на схемах он изображается почти так же, как «ИЛИ», но имеет всего один входной вывод. Такие элементы называют ещё «инверторами». Как следует из этого названия, они и предназначены для инвертирования сигнала, то есть при подаче на вход «1» на выходе элемента «НЕ» получим «0» и наоборот. Комбинация из таких элементов встречается очень часто и обозначается на схемах как элементы «И-НЕ» или «ИЛИ-НЕ», но с «кружком» у выходного вывода [2].
Таблицы "истинности" для разных логических элементов
Кстати, «инвертор» можно получить и из любого элемента «И-НЕ» или «ИЛИ-НЕ», просто соединив все их входные выводы вместе:
Этой минимально необходимой информации достаточно для понимания принципа работы элементарной цифровой логики.
Типы замков
Электромеханический замок и принцип его работы
Сочетание надежности и секретности — принцип электромеханического замка. Электромеханический замок на двери – это запирающее устройство с механическим запором, принцип работы которого заключается в подаче электричества на блок замка, в результате автоматически отодвигая запор.
Кодовый замок открывается в том случае, когда код замка совпадает с набранным кодом.[3]
Электронный замок и принцип его работы
В электронных замках закрытие/открытие дверей производится с помощью электронных ключей. Каждый из них имеет свой уникальный ID-код, который считывается специальным устройством в замке (специалисты называют его «считывателем») и передается в электронное устройство, которое называется «контроллер». Если в памяти контроллера записан полученный код, то замок откроется [4].
Кстати в контроллерах тоже используются микросхемы.
Для объяснения работы микросхемы я решил взять принцип работы электромеханического замка, как наиболее простого в исполнении.
Практическая часть
Схемы и состав устройства
Схема устройства на микросхеме приведена на рисунке 1.
Устройство состоит из следующих деталей:
Замок;
Блок питания;
Микросхема;
К лавиатура открытия замка (кнопки).
(Рис.1)
Схема устройства на микропереключателях приведена на рисунке 2.
Устройство состоит из следующих деталей:
Замок;
Блок питания;
М икропереключатели.
(Рис.2)
Схема устройства микропереключателя приведена на рисунке 3.
1 – Корпус
2, 3 – Неподвижные контакты
4 – Подвижный контакт
5 – Упругая пластина (пружина)
6 – Кнопка - толкатель
(Рис.3)
Проверка работы
После сборки устройства (приложение 1 – 13), я провёл испытания полностью смоделировав работу логических элементов микросхемы представленной на рисунках 1, 4.
(Рис.4)
С помощью кнопок кодировщика установим код открытия двери «135», установив их в положение логической единицы. Тем самым мы программируем кнопки «1», «3» и «5» клавиатуры открытия замка на замыкание (т.е нажатие кнопки).
Таблицы истинности для данного кода будут следующими:
|
X1 |
X2 |
X3 |
Y1 |
X4 |
X5 |
X6 |
X7 |
Y2 |
Y1 |
Y2 |
Z |
||
|
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
1 |
0 |
0 |
0 |
||
|
1 |
0 |
0 |
0 |
1 |
0 |
0 |
0 |
0 |
1 |
0 |
0 |
||
|
0 |
1 |
0 |
0 |
0 |
1 |
0 |
0 |
0 |
0 |
1 |
0 |
||
|
0 |
0 |
1 |
0 |
0 |
0 |
1 |
0 |
0 |
1 |
1 |
1 |
||
|
1 |
1 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
1 |
0 |
|||||
|
1 |
0 |
1 |
0 |
1 |
1 |
0 |
0 |
0 |
|||||
|
0 |
1 |
1 |
0 |
1 |
0 |
1 |
0 |
0 |
|||||
|
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
0 |
0 |
1 |
0 |
|||||
|
0 |
1 |
1 |
0 |
0 |
|||||||||
|
0 |
1 |
0 |
1 |
0 |
|||||||||
|
0 |
0 |
1 |
1 |
0 |
|||||||||
|
1 |
1 |
1 |
0 |
0 |
|||||||||
|
1 |
0 |
1 |
1 |
0 |
|||||||||
|
1 |
1 |
0 |
1 |
0 |
|||||||||
|
0 |
1 |
1 |
1 |
0 |
|||||||||
|
1 |
1 |
1 |
1 |
0 |
Из таблиц видно что для открытия замка (подача напряжения на катушку замка) нужна логическая единица.
Z=1 при одном условии, если Y1=1 и Y2=1.
Данное условие соблюдается если Х1=1, Х2=1 и Х3=1 (т.е кнопки 1, 3 и 5 подключенные к вводам микросхемы Х1, Х2, Х3, нажаты. А также не нажаты остальные кнопки (логический «0»).
Ввёл код, закрыл дверцу. Провел испытания согласно таблицам истинности.
Выводы
Испытания показали, что моё устройство работоспособно. Тем самым я подтвердил свою гипотезу, что реализовать простейшую функцию логики можно на обычных микропереключателях. Недостатком моего устройства является то, что на микропереключателях можно собирать простейшие схемы. Более сложные схемы, реализованные на микропереключателях, будут громоздкими. Поэтому для больших и сложных схем лучше применять микросхемы с соответствующей логикой
Моё устройство можно применять в кодовых замках, сейфах и других устройствах, где необходимо ограничить доступ посторонним, а также оно послужит отличным учебным пособием для понимания цифровой логики (приложение 14, 15).
5. Заключение
В процессе изучения принципов цифровой логики и изготовления кодового замка на микропереключателях, я получил такие практические знания и навыки как:
состав и работа микросхем;
разработка логических связей устройств;
разработка схем;
умение собирать схемы при помощи пайки.
Все это поможет мне в будущем стать отличным инженером.
6. Использованная литература
1. А.С. Партин Популярно о цифровых микрсхемах.-Свердловск Сред-Урал кн. изд-во, 1989.— 192 с.: ил.
2. Сайтhttps://zen.yandex.ru/media/ab679/likbez-cifrovye-mikroshemy-elementarnaia- logika-60134f4d3c795d58fd3c97d0
3. Сайт https://mezhdveri.ru/17491-elektromehanicheskiy-zamok.html
4. Сайт https://stroyguru.com/dveri/zamki/elektronnye-zamki-na-vhodnuyu-dver/#:~:text=В%20электронных%20замках%20закрытие%2Fоткрытие%20дверей,электронное%20устройство%2C%20которое%20называется%20«контроллер»
П РИЛОЖЕНИЯ
|
Сверление отверстий для клавиатуры открытия замка |
Установка клавиатуры открытия замка |
|
Микропереключатель клавиатуры замка |
Клавиатура открытия замка в сборе |
|
5. Разметка панели кодировщика |
6. Обрезка панели кодировщика |
|
Установка микропереключателей кодировщика |
8. Панель кодировщика |
|
9. Распайка контактов кодировщика |
10. Установка панели кодировщика |
|
11. Распайка клавиатуры открытия замка |
12. Установка электрического замка |
13. Кодовый замок в сборе
14. Выступление перед классом
15. Демонстрация работы устройства