GIỚI THIỆU HỆ THỐNG
Đặc tả hệ thống
- Tăng cường mức độ bảo vệ đối với khu vực sinh sống và làm việc
- Giải quyết các vấn đề hiện tại của khóa cửa thông thường
- Tiện lợi, dễ sử dụng, hiện đại và phù hợp với đa số thị trường
- Dùng cho các xí nghiệp, nhà máy, công ti
- Các khách sạn, nhà nghỉ, khu nghỉ dưỡng, tối ưu hóa việc bảo vệ tài sản và mang tính thẩm mỹ cao
- Người dùng nhập mật khẩu từ bàn phím
- Nếu đúng mật khẩu, có thể thay đổi mật khẩu hoặc chỉ để mở khóa
- Nếu sai quá số lần quy định thì có cảnh báo về âm thanh
- Hệ thống cần: 1 vi điều khiển, 1 động cơ, 1 bàn phím, 1 loa báo, led màu, màn hình lcd
- Chương trình quét bàn phím và điều khiển LED màu, LCD
- Chương trình điều khiển nhập, đổi mật khẩu
1 Name: Khoá cửa dùng mật khẩu số (6 số)
2 Purpose: Khoá cửa điện tử bảo mật bằng mật khẩu 6 chữ số
Outputs: Màn hình LCD, Loa báo động Buzzer, LED, Relay
Khi bắt đầu, màn hình LCD hiển thị ký hiệu “✱” Sau khi nhập một số, đèn LED màu vàng sẽ nhấp nháy, và màn hình LCD sẽ hiển thị số vừa được nhập trong 100ms trước khi trở lại hiển thị “✱”.
Nhập đúng mật khẩu màn hình LCD hiển thị chữ “MOI VAO” và khóa sẽ được mở.
Nhập mật khẩu của sản phẩm, sau khi màn hình LCD hiển thị “MOI VAO” nhấn nút ‘✱’ để thay đổi mật khẩu sản phẩm.
Màn hình LCD hiển thị “CAI DAT 1”, nhập mật khẩu 6 số mới và nhấn
Màn hình LCD hiển thị “CAI DAT 2”, nhập lại mật khẩu 6 số muốn cài đặt rồi nhấn ‘✱’
Nếu 2 lần nhập đều giống nhau, cài đặt thành công mật khẩu mới và màn hình LCD hiển thị “CAI DAT XONG”.
Nếu 2 lần nhập khác nhau, cài đặt thất bại, màn hình LCD hiển thị
“KHONG TRUNG KHOP” và quay lại màn hình nhập mật khẩu.
Nhập sai mật khẩu lần 1 màn hình LCD sẽ hiển thị “SAI LAN THU 1” và chuông báo động sẽ reo lên trong 3 giây.
Nhập sai mật khẩu lần 2 màn hình LCD sẽ hiển thị “SAI LAN THU 2” và chuông báo động sẽ reo lên trong 5 giây.
Nhập sai mật khẩu lần 3 thì màn hình sẽ hiển thị “CANH BAO!!!”, LED đỏ sẽ sáng và chuông báo động sẽ reo lên không ngừng.
Khoá cửa được bảo mật bằng mật khẩu 6 số
Mở cửa khi nhập mật mã chính xác
Sau khi nhập 3 lần sai sẽ có cảnh báo bằng đèn Led và chuông báo
Chủ nhà có quyền thay đổi mật khẩu
Nếu có thể: Lưu lại lịch sử nhập mật khẩu và thay đổi mật khẩu trong vòng
Có độ bảo mật tuyệt đối cao
Tốc độ xử lý tối đa: 20Mhz
Điện áp hoạt động : 3 - 5.5 Volt
Hoạt động tốt ở nhiệt độ: 10 - 70 độ C
Tuổi thọ trung bình: 8 - 10 năm tùy theo mức độ sử dụng.
Mật khẩu mặc định của sản phẩm là “000000”
Lắp đặt sử dụng khoá cửa ra vào, cửa tại các căn hộ, nhà riêng, phòng riêng, cửa tủ,…
Lắp đặt tại nơi có độ ẩm thoáng mát
Nhiệt độ hoạt động: 10-70 oC
1 Name: Khoá điện tử dùng mật khẩu số
2 Description: Hệ thống khoá cửa được bảo vệ bằng mật khẩu số (ví dụ 6 số) Đóng mở cửa bằng motor được điều khiển qua 1 vi điều khiển (PIC16F877A) Đồng thời có màn hình hiển thịhiển thị LCD (LCD1602) cùng với các LED và buzzer để giao tiếp với người dùng.
3 External Environment: Thiết bị được sử dụng cố định (gắn cố định ở cửa) Môi trường trong nhà hay ngoài trời Nhiệt độ bảo quản từ 10-70 o C.
4 System Connectivity: Thiết bị được kết nối với nguồn sử dụng sử 5V (PIN).
Hình 1 System block diagram 1.4 Đặc tả phần cứng
Khối xử lý chính sử dụng vi điều khiển PIC 16F877A với nguồn cung cấp 5V, có nhiệm vụ nhận tín hiệu từ bàn phím, xử lý các tín hiệu này và gửi tín hiệu đầu ra đến còi báo, khối hiển thị và mạch relay.
Hiển thị giao diện, thông tin tương tác với người sử dụng o LED (2-2.4VDC supply):
Chóp sáng khi bấm phím để xác nhận phím đã được nhấn
Báo mở cửa (LED XANH)
Cảnh báo khi nhập sai mật khẩu (LED ĐỎ)
Nút #: Xác nhận mật khẩu.
Nút *:Thay đổi mật khẩu.
Nhận thông tin gửi về bộ điều khiển khi người dùng thao tác nhấn phím
Khối chốt cửa : RELAY, chốt khóa cửa LY-03
Hình 3 Cấu trúc khối chốt cửa
Relay: nhận tín hiệu từ bộ điểu khiển cho phép đóng – mở cửa
Khối âm thanh (cảnh báo) : Buzzer 5 VDC supply
Phát ra âm báo khi cảnh báo nhập sai mật khẩu nhiều lần (3lần)
Mật khẩu mặc định là 6 số 0.
Thời gian hiển thị nút nhấn sau khi nhấn tối thiểu 1ms Hiển thị thành dấu “*” sau 100ms nhấn nút Sử dụng nút “#” để kiểm tra mật khẩu.
Thông báo cho người dùng khi nhập đúng và nhập sai mật khẩu.
Nhập sai 3 lần còi báo 3s, nhập sai 3 lần tiếp theo còi báo 5s, nhập sai 3 lần tiếp theo nữa, còi báo liên tục.
Sau khi nhập đúng mật khẩu, nhấn nút “#” để khoá cửa
Người dùng có thể đổi mật khẩu bằng cách nhập đúng mật khẩu hiện tại, với mật khẩu mới gồm 6 số Để thực hiện việc đổi mật khẩu, hãy sử dụng nút “*” và kiểm tra lại mật khẩu mới lần thứ hai Hệ thống sẽ thông báo cho người dùng biết mật khẩu thay đổi có phù hợp hay không.
- Lưu đồ giải thuật cho hệ thống:
Hình 4 Lưu đồ giải thuật của hệ thống
- Lưu đồ giải thuật chi tiết:
Hình 5 Lưu đồ giải thuật chi tiết
Phân tích hệ thống
- Constraints issues o Low price: < 200.000 vnd o Low power: 1W when idle, 5W when active (active mean open the door) o Delay: < 2 seconds
- Functional issues o Support 2 charging modes: PIN, direct current. o Door lock can not be open in any case which the password is wrong
- Real-time issues o Soft realtime o Delay < 2 second
- Concurrent issues o Các tác vụ đồng thời xảy ra:
Nhập số từ bàn phím + Led nhấp nháy báo hiệu tín hiệu nhấn
Thực hiện quét bàn phím và các chức năng liên quan
Hợp đồng nhóm
TEAM NAME: group_2 Date: 1 Sep 2021
Tống Trần Thái Anh Software
Võ Thị Kim Anh Hardware
Lý Thiên Bảo Leader, software
2 Design hardware Đức Bảo, Kim Anh
3 Software Thái Anh, Thành Danh, Thiên Bảo
Team meeting 4PM, Wednesday, weekly
Team rules 1 Participate in all team meetings
2 Complete all assigned tasks before deadlines
Kế hoạch dự án
Hình 7 Kế hoạch dự án
THIẾT KẾ HỆ THỐNG
Phần cứng
1.1.1 Đặc tả của Vi điều khiển
PIC 16F877A là một trong những vi điều khiển phổ biến nhất trong các dự án và ứng dụng hệ thống nhúng Với tính linh hoạt và khả năng sử dụng cao, PIC16F877A không chỉ có giá thành rẻ mà còn đáp ứng nhu cầu của nhiều sinh viên và kỹ sư.
- Vi điều khiển 8 bit, sử dụng công nghệ tích hợp cáo RISC CPU.
Người dùng có khả năng lập trình bằng các câu lệnh đơn giản, với tất cả các câu lệnh được thực hiện trong một chu kỳ Tuy nhiên, một số lệnh rẽ nhánh sẽ yêu cầu thực hiện trong hai chu kỳ.
- Tần số hoạt động tối đa là 20 MHz
- Bộ nhớ chương trình: 8K x 14 bits/word Flash ROM.
- 5 I/O Port (A,B,C,D,E) tương ứng 33 chân ra.
- 2 bộ định thời 8 bit: Timer0 và Timer2.
- 1 Bộ định thời 16 bit Timer 1, có thể hoạt động ở chế độ tiết kiệm năng lượng (SLEEP MODE) với nguồn xung clock ngoài.
- 2 Bộ Capture/ Compare/ PWM.(Bắt Giữ/ So Sánh/ Điều Biến Xung)
- 1 Bộ biến đổi Analog to Digital 10 bit, 8 ngõ vào.
- 2 Bộ so sánh tương tự (Comparator).
- 1 Bộ định thời giám sát (Watch Dog Timer).
- 1 Cổng giao tiếp song song 8 bit.
- Chế độ tiết kiệm năng lượng (Sleep Mode).
- Nạp trương trình bằng cổng nối tiếp ( ICSP™)(In-Circuit Serial Programming™ -)
- Tập lệnh gồm 35 lệnh có độ dài 14 bit.
Hình 8 Sơ đồ khối PIC16F877A
+ Khối bộ nhớ chứa chương trình – Flash Program Memory.
+ Khối bộ nhớ chứa dữ liệu EEPROM – Data EEPROM
+ Khối bộ nhớ file thanh ghi RAM – RAM file Resgiter.
+ Khối giải mã lệnh và điều khiển – Instruction Decode Control.
+ Khối thanh ghi đặc biệt
+ Khối giao tiếp nối tiếp.
+ Khối chuyển đổi tín hiệu tương tự sang số - ADC.
+ Các khối port xuất nhập.
Hình 9 Sơ đồ chân của PIC16F877A
- Vi điều khiển PIC16F877A bao gồm 40 chân vật lý được bố trí như hình vẽ.
- Các chân nguồn: Chân 11, 32 là các chân VDD(+5V), Chân 12 là các chân VSS (0V).
- Chân reset: Chân số 1 MCLR là chân reset của PIC chân này có nhiệm vụ khởi động lạiVĐK PIC.
- 4 cổng xuất nhập tín hiệu:
+ PORT A và thanh ghi TRIS A; PORT B và thanh ghi TRIS B
+ PORT C và thanh ghi TRIS C; PORT D và thanh ghi TRIS D
- Bộ đếm và định thời:
+ Timer 0 là bộ định thời 8 bit timer hoạt động ở 2 chế độ: chế độ định thời và chế độ đếm.
+ Timer 1 là bộ định thời 16 bit được tạo thành từ 2 thanh ghi 8 but TMR1L và TMR1H.
+ Timer 2 là bộ định thời 8 bit được ứng dụng để điều chế độ rộng xung (PWM).
Ngoài ra, có hai chân băm xung PWM CCP1 và CCP2, với chu kỳ xung được xác định bởi khoảng thời gian mà giá trị thanh ghi TMR2 tăng đến giá trị thanh ghi PR2.
- Bộ nhớ dữ liệu (Data memory):
Bộ nhớ RAM bao gồm 4 bank, mỗi bank có dải địa chỉ từ 0-7FH, tương đương với 128 Bytes Trong mỗi bank, có các thanh ghi đa mục đích hoạt động như một RAM tĩnh, cùng với các thanh ghi chức năng đặc biệt nằm ở vùng địa chỉ thấp.
Bộ nhớ dữ liệu EEPROM được chia thành nhiều bank Đối với PIC 16F877A bộ nhớ dữ liệu chia thành 4 bank, mỗi bank có dung lượng 128 byte.
Các bank này được lựa chọn bởi 2 bit RPI và RP0 nằm trong thanh ghi STATUS.
- Bộ nhớ chương trình (Program memory):
Vi điều khiển PIC 16F877A có bộ nhớ chương trình 8Kx14 bits/word từ mã của bộ nhớ Flash ROM.
When a reset occurs, execution begins at the address 0000H, while the interrupt vector starts at 0004H The stack consists of eight levels used to store the address of the next instruction to be executed after a CALL command.
1.1.4 Các thiết bị ngoại vi (ngoại vi đóng ngắt) a Thiết bị hiển thị LCD
- Màn hình text LCD1602 xanh lá sử dụng driver HD44780, có khả năng hiển thị 2 dòng với mỗi dòng 16 ký tự.
- Các chân Vcc, Vss và Vee:
Chân Vcc cấp dương nguồn 5V, chân Vss nối đất, chân Vee dùng để điều khiển độ tương phản của màn hình LCD.
Khi ở mức thấp, chỉ được truyền đến LCD như xóa màn hình, vị trí con trỏ Khi ở mức cao, kí tự được truyền đến LCD.
Chân điều khiển dữ liệu giữa LCD và vi điều khiển xác định hướng truyền dữ liệu Khi chân ở mức thấp, dữ liệu được ghi vào LCD, trong khi ở mức cao, dữ liệu được đọc từ LCD Nếu chỉ cần ghi dữ liệu lên LCD, có thể nối chân này xuống GND để tiết kiệm chân.
Cho phép ta truy cập/ xuất đến LCD thông qua chân RS và R/W.
- Các chân D0-D7: Đây là 8 chân dữ liệu 8 bit, được dùng để gửi thông tin lên LCD hoặc đọc nội dung của các thanh ghi trong LCD.
- LCD có 2 chế độ giao tiếp:
Chế độ 4 bit chỉ sử dụng 4 chân D4 đến D7 để truyền dữ liệu, trong khi chế độ 8 bit sử dụng tất cả 8 chân từ D0 đến D7 Khi truyền 1 byte dữ liệu ở chế độ 4 bit, nửa byte cao sẽ được truyền trước, sau đó mới đến nửa byte thấp.
- Điện áp hoạt động: 5V, ta chọn biến trở RV1 1kΩ để điều chỉnh contrast.
Hình 10 Sơ đồ mô phỏng LCD b Thiết bị nhập mật khẩu Keypad 3x4
Keypad là thiết bị nhập cho phép người dùng nhập chữ số, chữ cái hoặc ký hiệu vào bộ điều khiển Tương tự như ma trận LED, các nút nhấn trong keypad 3x4 được kết nối theo hàng và cột, tạo ra tổng cộng 8 ngõ ra.
- Ở mỗi thời điểm khi có nút được nhấn, arduin sẽ đọc về giá trị điện áp sau đó giải mã ra giá trị tương ứng đã được lập trình.
- Sử dụng giải pháp quét cột nên các hàng được kết nối với điện trở kéo lên.
- Port B của vi điều khiển:
Chân 33,34,35,36 nối với ngõ A,B,C,D của Keypad với điện áp hoạt động 5V, ta có dòng là 20mA, chọn 4 điện trở 10kΩ.
Chân 37,38,39 nối với ngõ 1,2,3 của Keypad.
Hình 11 Sơ đồ mô phỏng Keypad 3x4 c Còi báo hiệu
- Phát ra âm báo khi cảnh báo nhập sai mật khẩu nhiều lần (3lần)
Khi chưa có tín hiệu , BJT ở trạng thái off Loa tắt
Khí có tín hiệu mở khóa, BJT phân cực , có dòng điện chạy qua, loa hoạt động.
- Điện áp hoạt động: 5V, dòng điện tiêu thụ < 25mA, ta chọn điện trở 1kΩ.
Hình 12 Sơ đồ mô phỏng Buzzer d Module relay
- Relay: nhận tín hiệu từ bộ điều khiển cho phép đóng – mở cửa.
- Dòng vào của Tin hiệu là rất nhỏ không thể chạy thẳng Role được nên ta mới sử dụng transistor để kích dòng cho relay.
- Khi tín hiệu “open” ở mức 0 (0V) thì BJT tắt do không có dòng IBE Relay không làm việc.
Khi tín hiệu "open" đạt mức 1 (5V), R7 sẽ hạn chế dòng điện và phân áp qua R10, kích hoạt BJT Điều này dẫn đến sự xuất hiện của dòng ICE chạy qua cuộn dây, khiến relay đóng tiếp điểm và bóng LED D1 sáng lên, báo hiệu rằng relay đang hoạt động.
- Diode D4 có tác dụng chống lại dòng điện cảm ứng do cuộn dây gây ra tránh làm hỏng transistor.
Hình 14 Sơ đồ mô phỏng khối khóa cửa e Đèn LED
- LED : sử dụng có đường kính 5nm , dòng tiêu thụ 16-18mA, điện áp hoạt động: 1.8V- 2.4V DC
- Khi có tín hiệu mức 1 (5V) từ vi điều khiển , điện trở R5 hạn dòng bóng led sáng.
Hình 15 Sơ đồ mô phỏng đèn LED
1.2 Thiết kế chi tiết phần cứng
1.2.1 Sơ đồ mạch chi tiết phần cứng
Hình 16 Sơ đồ mạch chi tiết phần cứng dùng mô phỏng Proteus 1.2.2 Tính toán thông số mạch a Vi điều khiển:
Cấp nguồn cho Vi điều khiển PIC hoạt động ở mức +5V.
Chọn thạch anh có tần số 20Mhz, phối hợp với 2 tụ điện có giá trị 22pF.
Chân RST: Điện áp vào mức cao: VIH=(0.7Vcc; Vcc + 0.5) = (3.5;5.5)(V) => VIH = 5V, ta chọn điện
- Pic 16F877A sử dụng thạch anh 20Mhz.
Hình 17 Sơ đồ mô phỏng khối dao động
● Sơ đồ kết nối chân :
Hình 18 Sơ đồ mô phỏng PIC 16F877A b Khối nguồn:
Hình 19 Sơ đồ mô phỏng khối nguồn
- Sử dụng biến áp đưa điện áp 220V/AC về 12V/AC theo công thức ta thu được hệ số ¿
36 Nhập 336 vào mục Primary Inductance của biến áp.
Hình 20 Sơ đồ mô phỏng biến áp
- Sử dụng cầu Diode và IC 7812 để đưa giá dòng điện 12V/AC về 12V/DC dùng để nuôi Relay 12V Các tụ C3,C2 dùng để lọc nguồn.
Hình 21 Sơ đồ mô phỏng khối cầu diode và các tụ
- Sử dụng IC7805 đề đưa nguồn 12V/DC về 5V/DC để nuôi vi điều khiển
Hình 22 Sơ đồ mô phỏng IC7805
Phần mềm
2.1 Lưu đồ giải thuật của hệ thống
Hình 23 Lưu đồ giải thuật của hệ thống mở cửa bằng PIN 2.2 Giải thích lưu đồ giải thuật
Khi người dùng bắt đầu sử dụng, hệ thống sẽ khởi tạo biến đếm N=1 và yêu cầu người dùng nhập mật khẩu 6 số Sau đó, hệ thống sẽ kiểm tra tính chính xác của mật khẩu Nếu mật khẩu đúng, hệ thống sẽ mở chốt cửa.
Hệ thống sẽ theo dõi xem người dùng có nhấn * hoặc # hay không Nếu nhấn *, người dùng có thể thay đổi mật khẩu; nếu nhấn #, hệ thống sẽ khóa cửa Nếu không nhấn gì, cửa sẽ giữ trạng thái mở Khi đổi mật khẩu, chương trình yêu cầu nhập hai lần; nếu hai lần giống nhau, thông báo sẽ hiển thị.
“CAI DAT XONG” nếu không giống nhau thì sẽ cho đổi mật khẩu lại.
Nếu nhập sai mật khẩu 6 số: hệ thống sẽ đếm xem bao nhiêu lần Nếu 1,2,3 đầu sẽ hiện
Hệ thống sẽ phát cảnh báo sau 3 lần nhập sai mật khẩu với chuông reo 3 giây và đèn LED nháy 3 lần Nếu tiếp tục sai thêm 3 lần nữa, tổng số lần sai sẽ là 6, lúc này chuông sẽ reo 5 lần trong 5 giây và đèn LED nháy 5 lần Nếu có 9 lần nhập sai, LCD sẽ phát cảnh báo với chuông báo liên tục và không cho phép nhập mật khẩu nữa.
Phần mềm dùng cho vi điều khiển trung tâm PIC16F877A được thực hiện là phần mềm PIC
C Compiler và được nạp cho vi điều khiển thông qua chương trình
(Có file phần mềm đính kèm theo)
KIỂM TRA VÀ ĐÁNH GIÁ HỆ THỐNG
Tiến hành thi công
1.1 Mô phỏng và chạy thử demo
- Để đảm bảo an toàn cho sản phẩm cuối cùng, cũng như chỉnh sửa và bổ sung thêm tính năng cho sản phẩm.
Do ảnh hưởng của dịch bệnh Covid-19, nhóm không thể gặp mặt trực tiếp để thực hiện dự án, vì vậy đã quyết định mô phỏng sản phẩm bằng phần mềm Proteus và một số công cụ bên thứ ba khác.
- Kết quả chạy mô phỏng thành công.
- Sau đó nhóm tiếp tục tiến hành thực hiện sản phẩm để test sản phẩm.
- Kết quả cũng thành công.
Thực hiện vẽ mạch trên phần mềm Proteus và nạp chương trình hex cho vi điều khiển PIC16F877A trong mạch mô phỏng bằng PIC C Chương trình nạp được đính kèm theo.
Hình 24 Mô phỏng khi nạp code
Thành phẩm
- Sản phẩm có tính thẩm mỹ cao.
- Sử dụng nguồn nuôi từ Adapter hoặc jack cắm USB.
Hình 25 Mạch hoàn thiện thực tế
Kiểm tra
- Trong suốt quá trình thi công cũng như thiết kế, nhóm test sản phẩm liên tục để hoàn thiện tạo độ chính xác nhất.
Đánh giá
Theo ngữ cảnh kinh tế: Sản phẩm có kinh phí không quá đắt tùy thuộc vào mẫu mã, linh kiện, không gian lắp đặt khác nhau.
Khóa cửa thông minh mang lại nhiều lợi ích vượt trội so với ổ khóa truyền thống Với khả năng đóng mở cửa thông minh, người dùng có thể tiết kiệm thời gian và công sức khi ra ngoài, đồng thời không cần phải mang theo chìa khóa Ngoài ra, khóa cửa thông minh còn đảm bảo tính an toàn và bảo mật cao hơn nhờ vào việc mã hóa mật khẩu riêng biệt cho mỗi người dùng, và cảnh báo bằng âm thanh khi phát hiện hiện tượng bất thường Không chỉ vậy, khóa cửa thông minh còn góp phần bảo vệ môi trường bằng cách hạn chế rác thải từ kim loại, giúp giảm thiểu việc cắt chìa khóa mới hoặc thay thế ổ khóa khi bị hư hỏng.
