Tinh cấp thiết của đề tài
Với sự phát triển không ngừng của khoa học kỹ thuật, đặc biệt trong lĩnh vực điều khiển tự động, công nghệ vi mạch lập trình đã mang lại những ưu điểm vượt trội so với các mạch lắp ráp từ linh kiện rời, bao gồm kích thước nhỏ gọn, giá thành hợp lý, độ chính xác cao và hiệu suất tối ưu.
Cửa tự động đang trở thành một giải pháp phổ biến trong nhiều lĩnh vực hiện nay Việc sử dụng sức người để vận hành cửa truyền thống đòi hỏi sự tập trung cao và thường xuyên lặp lại, điều này gây khó khăn trong việc đảm bảo độ chính xác Do đó, cần thiết phải có một hệ thống tự động để nhận biết đặc điểm và tính năng của cửa tự động, nhằm nâng cao hiệu quả và độ tin cậy trong công việc.
Tình hình nghiên cứu
Cửa tự động là một lĩnh vực khá rộng Trong thực tế công nghiệp khá nhiều loại cửa tự động như cửa trượt, cửa cuốn
Qua quá trình tìm hiểu các mô hình thực tế và các công trình nghiên cứu, cùng với sự hỗ trợ nhiệt tình từ các anh chị trên diễn đàn điện tử và sự hướng dẫn tận tình của ThS Hồ Sỹ Phương, em đã quyết định chọn đề tài này để thực hiện.
“Thiết kế, chế tạo cửa tự động ứng dụng RFID”
Mục đích nghiên cứu
Để thiết kế và thi công một hệ thống cửa tự động hiệu quả, cần nắm rõ các khâu, bộ phận và linh kiện cần thiết, cũng như nguyên lý hoạt động của chúng Việc này sẽ giúp tạo ra một mô hình nhỏ gọn, phục vụ cho nhu cầu học tập, nghiên cứu và ứng dụng của sinh viên.
Nhiệm vụ quan trọng của nghiên cứu này là phân tích hoạt động của hệ thống cửa trượt tự động trong thực tế Bên cạnh đó, nghiên cứu cũng nhằm tìm hiểu cách sử dụng và lập trình vi điều khiển 16F877A để điều khiển toàn bộ chương trình cho hệ thống này.
Phương pháp nghiên cứu
5.1 Cơ sở phương pháp luận
Dựa trên kiến thức về vi điều khiển PIC 16F877A, lập trình và nhận dạng, chúng tôi tiến hành phân tích để tìm ra giải pháp mới, chế tạo một mô hình đơn giản nhưng hiệu quả và thực nghiệm Cuối cùng, chúng tôi tổng hợp và đánh giá giải pháp đã đề ra, xem xét tính tối ưu của nó.
5.2 Các phương pháp nghiên cứu cụ thể
- Khảo sát thực tiễn: tìm hiểu về mô hình cửa tự động trong đời sống thực tế
- Xây dựng mô hình – thực nghiệm: chế tạo mô hình quay thuận và quay nghịch, vận hành thử nghiệm.
Dự kiến kết quả nghiên cứu
+ Nắm vững kiến thức về vi điều khiển PIC 16F877A, về lập trình C, về nhận dạng RFID, từ đó ứng dụng hiệu quả vào đề tài
+ Bài báo cáo hoàn chỉnh các nội dung và trình bày rõ ràng, khoa học
- Phần cứng: Thiết kế, chế tạo hoàn chỉnh mô hình cửa trượt tự động
+ Sử dụng được phần mềm thiết kế và vẽ mạch Proteus 8.0
+ Lập trình code ngôn ngữ Keil C bằng phần mềm Keil uVision3
+ Biết cách nạp code vào vi điều khiển bằng phầm mềm Little Programmer Version Gold.
Kết cấu đề tài
Nội dung đồ án gồm 3 chương
Chương 1: Cơ sở lý thuyết
Chương 2: Phân tích và lựa chọn phương án thiết kế cửa tự động
Chương 3: Thiết kế, chế tạo mạch điều khiển cửa tự động
TÓM TẮT ĐỒ ÁN Đồ án này đi vào tìm hiểu tổng quan về công nghệ RFID (Radio Frequency
Kỹ thuật RFID (Nhận dạng tần số vô tuyến) được ứng dụng để đóng mở cửa tự động, cho phép nhận diện và lưu trữ dữ liệu từ xa qua các thẻ RFID Thẻ RFID, chứa chip silicon và anten, nhận lệnh từ thiết bị phát đáp bằng tần số vô tuyến So với mã vạch, RFID vượt trội hơn nhờ khả năng hoạt động không cần tiếp xúc trực tiếp, giảm thiểu khả năng giả mạo và cho phép đọc/ghi dữ liệu lớn Bài viết này trình bày chi tiết cách xây dựng hệ thống RFID để tự động hóa quá trình đóng mở cửa.
This project explores the applications of RFID (Radio Frequency Identification) technology in automating community access through automatic doors RFID serves as an advanced identification method that enables remote data storage and retrieval using RFID devices These devices consist of RFID tags, which contain silicon chips and antennas that can receive and respond to radio frequency signals from RFID transceivers Unlike traditional barcodes, RFID technology offers enhanced security, as it is nearly impossible to forge, and allows for the reading and writing of updated information with substantial data storage capacity This project demonstrates the complete process of building an RFID tag specifically designed for opening automatic doors.
Bảng 1.1 Tóm tắt đặc điểm của VDK PIC16F877A 23
Bảng 2.1 Dải tần số của các hệ thống bảo mật khác nhau 38
Bảng 2.2 Các thông số cơ bản của hệ thống 40
Bảng 2.3 Tóm tắt đặc điểm của VDK PIC16F877A 33
Hình 1.1 Lịch sử phát triển RFID giai đoạn 1990-2009 13
Hình 1.2 Hệ thống RFID toàn diện 14
Hình 1.3 Layout của thiết bị mang dữ liệu transponder 14
Hình 1.4 Cấu trúc của một thẻ thụ động 15
Hình 1.5 Một số loại thẻ tích cực 17
Hình 1.6 Cấu trúc của một thẻ bán tích cực 18
Hình 1.7 Cấu trúc layout cơ bản của một reader 20
Hình 1.8 Cơ chế truyền ở trường gần, trường xa giữa thẻ và reader 23
Hình 1.9 Cơ chế truyền modulated backscatter của thẻ thụ động 24
Hình 1.10 Cơ chế truyền modulated backscatter của thẻ bán thụ động 25
Hình 1.11 Cơ chế truyền kiểu máy phát của thẻ tích cực 25
Hình 1.12 Layout bộ nhớ của một thẻ RFID 27
Hình 1.13 Sơ đồ các chân của PIC16F877A 30
Hình 2.1 Giới thiệu hoạt động của hệ thống EAS tần số vô tuyến 37
Hình 2.2 Antenna khung của hệ thống RF (cao1.2-1.6m) của transponder 38
Hình 2.3 Mạch cơ bản và hình dạng cụ thể của transponder vi ba 39
Hình 2.4 Transponder vi ba nằm trong vùng truy vấn của detector 39
Hình 2.5 Sơ đồ mạch điện và hoạt động của EAS sử dụng bộ chia tần số 40
Hình 2.6 Antenna của hệ thống RFID điện từ (cao1.40 m) và transponder 41
Hình 2.7 Sơ đồ khối của transponder tuần tự sử dụng ghép cảm ứng 43
Hình 2.8 Sơ đồ điện áp của tụ nạp 43
Hình 2.9 Sơ đồ khối của hệ thống 44
Hình 2.10 Sơ đồ khối của PIC16F877A 46
Hình 2.11 Bộ nhớ chương trình PIC16F877A 34
Hình 2.12 Chân kết nối RC 522 48
Hình 3.1 Mô hình cửa trượt tự động 50
Hình 3.2 Sơ đồ khối vi điều khiển PIC16F877A 51
Hình 3.3 Sơ đồ nguyên lý của mạch điều khiển động cơ 52
Hình 3.4 Sơ đồ nguyên lí mạch cầu H dùng BJT 53
Hình 3.5 Màn hình hiển thị và các chân của LCD1602 54
Hình 3.6 Động cơ điện một chiều 56
Hình 3.7 Hình dạng và sơ đồ chân LM7805 56
Hình 3.8 Sơ đồ mạch in 57
Hình 3.9 Mạch sau khi đã hoàn thành 57
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Tổng quan về công nghệ RFID
RFID là công nghệ sử dụng sóng vô tuyến để xác nhận và theo dõi dữ liệu của các đối tượng thông qua thẻ (Tag) Thiết bị Reader quét thông tin từ thẻ và truyền tải dữ liệu này đến cơ sở dữ liệu để lưu trữ.
Kỹ thuật RFID là một hệ thống không dây cho phép đọc thông tin từ chip mà không cần tiếp xúc trực tiếp hay yêu cầu tầm nhìn giữa thiết bị đọc và chip, hoạt động hiệu quả ở khoảng cách xa.
Nó cho ta phương pháp truyền và nhận dữ liệu từ một điểm đến điểm khác
Hệ thống RFID bị động hoạt động đơn giản bằng cách sử dụng một reader phát tín hiệu tần số vô tuyến qua antenna đến một con chip không tiếp xúc Khi nhận được tín hiệu, chip phản hồi thông tin về reader, và sau đó reader gửi dữ liệu này đến máy tính để điều khiển và xử lý Các con chip không tiếp xúc không cần nguồn điện riêng, mà hoạt động nhờ năng lượng từ tín hiệu của reader.
Kỹ thuật RFID sử dụng công nghệ truyền thông không dây qua tần số sóng vô tuyến để truyền tải dữ liệu từ thẻ đến thiết bị đọc (reader) Các thẻ RFID có thể được gắn vào hoặc đính kèm với các đối tượng cần nhận diện, như mô hình, sản phẩm, hộp, hoặc pallet.
1.1.2 Giới thiệu chung về nhận dạng vô tuyến RFID
Công nghệ hiện đại ngày nay tập trung vào sự đơn giản và tiện lợi, với ưu tiên hàng đầu là khả năng không dây Sự phát triển của thiết bị không dây mang lại cho con người cảm giác tự do và thoải mái hơn Công nghệ RFID đã tạo ra một cuộc cách mạng trong môi trường tương tác hiện tại, được đánh giá cao và phát triển nhanh chóng Lịch sử của công nghệ tương tự bắt đầu với bộ tách sóng IFF (Identification Friend or Foe), được phát minh vào năm 1937 bởi người Anh và được quân đồng minh sử dụng trong Thế Chiến II để nhận dạng máy bay.
Kỹ thuật RFID đã trở thành nền tảng cho hệ thống kiểm soát không lưu toàn cầu vào thập niên 50, nhưng do chi phí cao và kích thước lớn, nó chỉ được áp dụng trong quân đội, phòng nghiên cứu và các trung tâm thương mại lớn Ngày nay, công nghệ RFID đã phát triển mạnh mẽ, cung cấp thông tin chính xác về tình trạng các thành phần và sản phẩm có giá trị cho nhiều loại hình doanh nghiệp Hệ thống RFID hiện có thể được triển khai rộng rãi, mang lại hiệu quả quản lý và đảm bảo lợi nhuận đáng kể cho khách hàng.
Cuối thập niên 60 và đầu thập niên 70, các công ty bắt đầu giới thiệu ứng dụng mới cho RFID với chi phí hợp lý Những thiết bị giám sát điện tử (Electronic Article Surveillance - EAS) được phát triển nhằm kiểm soát hàng hóa như quần áo và sách trong thư viện.
Kỹ thuật RFID đã trở nên phổ biến từ những năm 60 và 70, với sự gia tăng ứng dụng trong nhiều lĩnh vực của đời sống.
Kỹ thuật RFID đã trải qua quá trình hoàn thiện từ nhận biết đến nhận dạng, với Mario Cardullo trở thành người đầu tiên phát triển công nghệ này vào năm 1973 Từ những năm 1960, kỹ thuật radio đã được nghiên cứu và ứng dụng trong thương mại, đặc biệt là trong thập niên 1970 nhờ vào sự hợp tác của các công ty, học viện và chính phủ Mỹ Một ví dụ điển hình là hệ thống theo dõi nguyên liệu hạt nhân do Bộ Năng lượng Los Alamos National Laboratory phát triển, sử dụng thẻ RFID gắn trên xe tải và các reader tại cổng bảo vệ Hệ thống này hiện nay được áp dụng trong các dịch vụ trả phí tự động, cho thấy sự cải tiến vượt trội so với các công nghệ trước đây như mã vạch và thẻ từ.
Công nghệ RFID đã phát triển mạnh mẽ từ đầu những năm 80, với ứng dụng rộng rãi trong việc kiểm soát xe tại Mỹ và đánh dấu đàn gia súc ở Châu Âu Hệ thống này còn được áp dụng trong nghiên cứu đời sống hoang dã, nơi các thẻ RFID được gắn vào động vật để theo dõi chúng trong môi trường tự nhiên Đến thập niên 90, sự xuất hiện của tần số UHF đã giúp công nghệ RFID phát huy tối đa lợi thế về khoảng cách và tốc độ truyền dữ liệu, đưa công nghệ này đạt được nhiều thành tựu đáng kể.
Hình 1.1 Lịch sử phát triển RFID giai đoạn 1990-2009
Mặc dù các nguyên lý cơ bản của kỹ thuật RFID đã được phát hiện từ thời Marconi, nhưng chỉ từ cuối thế kỷ XX, chúng ta mới bắt đầu khám phá những tiềm năng lớn lao của công nghệ này.
20 Những năm đầu của thế kỷ 21 đã đánh dấu những điểm mốc chuyển biến quan trọng của RFID Kỹ thuật RFID hiện nay đang được sử dụng trong cả khu vực kinh tế tư nhân và nhà nước, từ việc theo dõi sách trong thư viện đến việc xác nhận một chiếc chìa khóa khởi động xe Các nhà bán lẽ tầm cỡ đang yêu cầu các nhà cung cấp lớn sử dụng thẻ RFID, cùng với những tiến bộ kỹ thuật và giảm giá cả đã thúc đẩy sự phát triển của RFID Tại Việt Nam, nhu cầu sử dụng RFID ngày càng nhiều và mở ra một thị trường vô cùng tiềm năng cho các nhà nghiên cứu, sinh viên và các nhà sản xuất Tuy nhiên để có thể vận dụng và phát triển một hệ thống, chúng ra cũng cần phải có sự hiểu biết nhất định về chúng
1.1.3 Các thành phần của một hệ thống RFID
Các thành phần chính trong hệ thống RFID là thẻ, reader và cơ sở dữ liệu Một hệ thống RFID toàn diện bao gồm bốn thành phần:
- Thẻ RFID (RFIDTag, Transponder-bộ phát đáp) được lập trình điện tử với thông tin duy nhất
- Các reader (đầu đọc) hoặc sensor (cái cảm biến) để truy vấn các thẻ
- Antenna thu, phát sóng vô tuyến
Máy chủ và hệ thống phần mềm giao diện với hệ thống được tải tại máy chủ - hostcomputer-server Nó cũng có khả năng phân phối phần mềm cho các thiết bị đọc và cảm biến Cơ sở hạ tầng truyền thông là một thành phần thiết yếu, bao gồm cả mạng có dây và không dây, cùng với các bộ phận kết nối tuần tự, nhằm đảm bảo sự kết nối và truyền tải hiệu quả giữa các thành phần đã nêu.
Hình 1.2 Hệ thống RFID toàn diện
Thẻ RFID, hay còn gọi là bộ phát đáp, là thiết bị lưu trữ dữ liệu trong hệ thống RFID, bao gồm một phần tử kết nối và một vi chip điện tử.
Hình 1.3 Layout của thiết bị mang dữ liệu transponder
Thẻ gồm có 2 phần chính:
- Chip: Lưu trữ một số thứ tự duy nhất hoặc thông tin khác dựa trên loại thẻ: read-only, read-write, hoặc write-once-read-many
- Antenna được gắn với vi mạch truyền thông tin từ chip đến reader Antenna càng lớn cho biết phạm vi đọc càng lớn
Các thẻ RFID được phân loại dựa trên việc thẻ có chứa một cung cấp nguồn gắn bên trong hay là được cung cấp bởi thiết bị chuyên dụng:
- Bán tích cực (Semi-active, còn gọi bán thụ động - semi-passive)
Hình 1.4 Cấu trúc của một thẻ thụ động
Thẻ thụ động không có nguồn bên trong và sử dụng năng lượng từ reader để hoạt động và truyền dữ liệu Với cấu trúc đơn giản và không có thành phần động, thẻ này có thời gian sống dài và khả năng chịu đựng tốt trong điều kiện môi trường khắc nghiệt Khi thẻ và reader giao tiếp, reader phải truyền dữ liệu trước, do đó cần có reader để nhận thông tin từ thẻ Khoảng cách truyền dữ liệu của thẻ thụ động dao động từ 11cm (ISO14443) đến 10m (ISO 18000-6) và có thể lên đến 183m khi kết hợp với ma trận Thẻ thụ động nhỏ hơn và giá rẻ hơn so với thẻ tích cực hoặc bán tích cực, hoạt động ở các tần số thấp, cao, siêu cao hoặc vi sóng Các thành phần chính của thẻ thụ động bao gồm
Vi mạch thông thường gồm có:
- Bộ chỉnh lưu (powercontrol/rectifier): chuyển nguồn AC từ tín hiệu antenna của reader thành nguồn DC Nó cung cấp nguồn đến các thành phần khác của vi mạch
Vi điều khiển PIC16F877A
2.1 Các hệ thống RFID cơ bản
Trong phần này, bài viết sẽ giới thiệu về các hệ thống RFID cơ bản, cách thức hoạt động và mối liên hệ giữa transponder và reader Hai vấn đề chính được đề cập là năng lượng cung cấp cho transponder và phương thức truyền dữ liệu giữa transponder và reader Thực tế, hệ thống RFID có thể được chia thành ba loại cơ bản: hệ thống một bit, hệ thống song công và bán song công, cùng với hệ thống tuần tự.
+ Hệ thống song công và bán song công
Một bit là đơn vị thông tin nhỏ nhất, chỉ có hai trạng thái: 1 hoặc 0, thể hiện sự hiện diện hoặc vắng mặt của transponder trong vùng thẩm vấn Mặc dù bị giới hạn về khả năng, transponder 1 bit vẫn rất phổ biến và chủ yếu được ứng dụng trong các thiết bị chống trộm tại cửa hàng, như hệ thống EAS để giám sát hàng hóa điện tử.
Hệ thống EAS bao gồm các thành phần chính như antenna của reader, phần tử bảo mật và thiết bị vô hiệu hóa Trong các hệ thống hiện đại, quá trình vô hiệu hóa diễn ra khi mã hàng hóa được đăng ký tại quầy tính tiền Một số hệ thống còn tích hợp bộ kích hoạt để khôi phục phần tử bảo mật sau khi đã vô hiệu hóa Tốc độ phát hiện của hệ thống phụ thuộc vào độ rộng của cổng, tức khoảng cách tối đa giữa transponder và antenna của reader.
Transponder 1 bit gồm 4 thành phần:
PHÂN TÍCH VÀ LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ CỬA TỰ ĐỘNG
Các hệ thống RFID cơ bản
Trong bài viết này, chúng tôi sẽ giới thiệu về các hệ thống RFID cơ bản, bao gồm cách thức hoạt động và mối liên hệ giữa transponder và reader Chúng tôi sẽ tập trung vào hai vấn đề chính: năng lượng cung cấp cho transponder và phương thức truyền dữ liệu giữa transponder và reader Thực tế, hệ thống RFID có thể được phân loại thành ba loại cơ bản: hệ thống một bit, hệ thống song công và bán song công, cùng với hệ thống tuần tự.
+ Hệ thống song công và bán song công
Một bit là đơn vị thông tin nhỏ nhất, chỉ có hai trạng thái: 1 hoặc 0 Điều này thể hiện sự hiện diện hoặc vắng mặt của transponder trong vùng thẩm vấn Mặc dù có giới hạn, transponder 1 bit vẫn rất phổ biến, đặc biệt trong các ứng dụng như thiết bị chống trộm tại cửa hàng (EAS) và giám sát hàng hóa điện tử.
Hệ thống EAS bao gồm các linh kiện chính như anten của reader, phần tử bảo mật và thiết bị vô hiệu hóa sau giao dịch Trong các hệ thống hiện đại, việc vô hiệu hóa diễn ra khi mã hàng hóa được đăng ký tại quầy tính tiền Một số hệ thống còn tích hợp bộ kích hoạt để khôi phục phần tử bảo mật sau khi đã vô hiệu hóa Tốc độ phát hiện của hệ thống phụ thuộc vào độ rộng của cổng, tức khoảng cách tối đa giữa transponder và anten của reader.
Transponder 1 bit gồm 4 thành phần:
Tần số vô tuyến được xác định bởi mạch cộng hưởng LC tại tần số cộng hưởng fR Các phiên bản cũ sử dụng cuộn cảm làm từ dây đồng tráng men kết hợp với tụ điện và được gắn vào miếng plastic Trong các hệ thống hiện đại, cuộn cảm được khắc trực tiếp lên tấm kim loại trên thẻ.
Reader phát ra một trường từ với fG±10% trong dải tần số vô tuyến Nếu mạch
Mạch LC khi đi vào vùng lân cận của trường từ sẽ cảm ứng năng lượng vào mạch cộng hưởng qua cuộn dây theo Định luật Faraday Nếu tần số của trường từ (fG) bằng với tần số cộng hưởng (fR), mạch LC sẽ tạo ra dao động cộng hưởng Dòng điện cảm ứng sinh ra trong mạch cộng hưởng sẽ chống lại sự biến thiên của trường từ, dẫn đến sụt áp trong cuộn phát và làm suy yếu trường từ Sự thay đổi điện áp cảm ứng được nhận biết qua cuộn dây cảm biến, cho phép reader phát hiện sự hiện diện của mạch cộng hưởng trong từ trường.
Hình 2.1 Giới thiệu hoạt động của hệ thống EAS tần số vô tuyến
Sự thay đổi điện áp ở phía phát và các cuộn dây cảm ứng rất thấp, khiến việc nhận biết trở nên khó khăn Tuy nhiên, sự thay đổi nhỏ này đủ để reader nhận dạng transponder một cách tin cậy, nhờ vào tần số quét không hằng định của trường từ phát ra, thường dao động trong khoảng 8,2 MHz ± 10% Khi tần số quét trùng khớp với tần số cộng hưởng của mạch trên transponder, nó sẽ bắt đầu dao động, tạo ra sụt áp ở phía phát và cuộn dây cảm biến Dung sai tần số của transponder phụ thuộc vào chất lượng sản xuất và môi trường kim loại xung quanh Để ngăn chặn transponder kích hoạt hệ thống chống trộm tại quầy thu ngân, thiết bị vô hiệu hóa phát ra trường từ đủ mạnh để đánh thủng tụ điện của transponder, đảm bảo rằng mạch cộng hưởng không hoạt động dưới tác động của tín hiệu quét.
Antenna khung diện tích lớn được sử dụng để phát ra trường từ cần thiết trong vùng truy vấn Antenna này được tích hợp vào cột và kết nối với cổng Nếu cổng có bề rộng dưới 2m, hệ thống RFID tần số vô tuyến có thể được áp dụng.
Hình 2.2 Antenna khung của hệ thống RF (cao1.2-1.6m) của transponder
Bảng 2.1 Dải tần số của các hệ thống bảo mật khác nhau
Hệ thống 1 Hệ thống 2 Hệ thống 3 Hệ thống 4 Tần số (MHz) 1,86 –2,18 7,44 –8,73 7,30 – 8,70 7,40 –8,60
Hệ thống EAS trong dải viba sử dụng linh kiện phi tuyến như diode để tạo ra các hài từ điện áp hình sin Hài của điện áp hình sin A có tần số fA sẽ tạo ra hài B với tần số fB là bội số nguyên của fA, bao gồm các hài bậc cao như 2fA, 3fA và 4fA Mạch transponder 1bit để tạo ra các hài rất đơn giản Antenna dipole tần số 2,45 GHz có chiều dài 6cm, với các tần số sóng mang là 915MHz, 2,45GHz và 5,6GHz Khi transponder nằm trong tầm phát sóng của antenna, dòng điện trong diode sẽ tạo ra hài của sóng mang, đặc biệt là hài bậc 2 và bậc 3, tùy thuộc vào loại diode được sử dụng.
Hình 2.3 Mạch cơ bản và hình dạng cụ thể của transponder vi ba
Transponder được đặt trong tầm của antenna phát hoạt động ở tần số 2,45 GHz, với hài bậc 2 của sóng mang ở tần số 4,9 GHz được phát lại và tách bởi bộ thu Sự xuất hiện của hài bậc 2 này có khả năng kích hoạt hệ thống báo động.
Hình 2.4 Transponder vi ba nằm trong vùng truy vấn của detector
Sóng mang được điều chế bằng ASK hoặc FSK sẽ có tất cả các hài cùng dạng điều chế, giúp hệ thống phân biệt rõ ràng giữa tín hiệu nhiễu và tín hiệu có ích Điều này ngăn chặn hiệu quả các báo động sai do tín hiệu bên ngoài gây ra.
Hệ thống này hoạt động ở bước sóng từ 100-135,5 kHz, sử dụng transponder với vi mạch và cuộn dây cộng hưởng bằng đồng tráng men Mạch cộng hưởng được hàn với tụ để đạt tần số hoạt động tối ưu Các transponder có thể được làm từ plastic và dễ dàng gỡ bỏ khi hàng hóa được mua.
Hình 2.5 Sơ đồ mạch điện và hoạt động của EAS sử dụng bộ chia tần số
Vi mạch trong transponder nhận năng lượng từ trường từ thiết bị an ninh Tần số tại cuộn tự cảm được chia đôi bởi vi mạch và được gửi trở lại thiết bị an ninh Tín hiệu hồi tiếp này được truyền qua một dây rẽ nhánh đến cuộn dây.
Bảng 2.2 Các thông số cơ bản của hệ thống
Tần số điều chế/tínhiệuđiều chế 12,5Hz hay 25Hz
Trường từ của transponder xung ở tần số thấp (điều chế ASK) giúp cải thiện tốc độ nhận dạng, tương tự như phương pháp nhận dạng bằng các hài Việc điều chế sóng mang (ASK hoặc FSK) được duy trì ở phân nửa tần số phát (subharmics), nhằm phân biệt giữa nhiễu và tín hiệu có ích Antenna khung được sử dụng là antenna cảm biến.
Transponder trường điện từ hoạt động trong khoảng tần số từ 10 Hz đến 20 Hz, sử dụng từ trường mạch và chứa dải kim loại từ tính dễ biến dạng Những dải kim loại này thường xuyên bị từ hoá theo chu kỳ và có thể bị bão hoà bởi một từ trường mạnh Mối quan hệ không tuyến tính giữa cường độ trường H và thông lượng cảm ứng từ B tạo ra các hài ở tần số cơ bản của transponder Để tối ưu hoá, transponder được bổ sung các thành phần tín hiệu tần số cao hơn, dẫn đến việc phát ra thêm các tần số tổng hay hiệu Ví dụ, nếu tín hiệu chính có tần số fS= 20Hz và các tín hiệu thêm vào là f1=3,5 kHz và f2= 5,3kHz, thì các tín hiệu phát ra sẽ là f1+f2= 8,8kHz, f1–f2=1,8kHz, và fS+f1=fS-1=3,5kHz Mặc dù transponder không phản ứng với hài của tần số cơ bản, nhưng lại bị ảnh hưởng bởi các tần số tổng hay hiệu từ các tín hiệu bổ sung Các transponder này thường có dạng dải băng dính với chiều dài từ vài cm đến 20 cm.
Antenna của hệ thống RFID điện từ (cao 1.40 m) và transponder được vô hiệu hóa bằng cách phủ một phần bằng các tấm kim loại từ cứng Tại quầy thu ngân, nhân viên sử dụng nam châm vĩnh cửu để chạy dọc theo tấm kim loại, từ đó vô hiệu hóa transponder Quá trình này từ hóa các tấm kim loại che phủ, với thiết kế dải kim loại giúp độ từ dư thuận tiện, ngăn chặn trường từ của hệ thống an ninh được kích hoạt.
Yêu cầu đặt ra cho hệ thống
Yêu cầu về chương trình chung
- Phải đáp ứng về chương trình chung
- Chương trình điều khiển cửa cần đảm bảo điều khiển đóng mở cửa một cách thông minh theo đúng yêu cầu công nghệ
- Ứng dụng công nghệ RFID để điều khiển chương trình hoạt động của cửa
Yêu cầu về cơ khí
Mô hình cửa cần phải phản ánh chính xác cả về hình thức lẫn chất lượng hoạt động của cửa thật, đảm bảo tính chắc chắn và gọn gàng Vì vậy, thiết kế kết cấu cơ khí cho mô hình phải tuân thủ các yêu cầu kỹ thuật tương tự như đối với cửa thật, bao gồm khung cửa và cánh trượt.
Cấu trúc phụ đề của cửa tự động giúp tạo ra mô hình hoàn chỉnh giống như cửa thật Hệ thống cơ và điện hoạt động ổn định, đảm bảo tuân theo thiết kế ban đầu Động cơ sử dụng là loại điện một chiều, kết hợp với bộ đảo chiều, cho phép động cơ quay theo cả hai chiều thuận và nghịch.
Sơ đồ khối làm việc của hệ thống
Hình 2.9 Sơ đồ khối của hệ thống
Phân tích và lựa chọn phương án thiết kế
Vi điều khiển 8051 là một trong những dòng vi điều khiển phổ biến và dễ sử dụng, rất phù hợp cho sinh viên mới bắt đầu học lập trình Qua các môn học lý thuyết và thực hành, em đã có cơ hội tìm hiểu sâu về cấu trúc và chức năng của vi điều khiển 8051 Quá trình nghiên cứu và thí nghiệm với các chip thuộc họ 8051 giúp em nắm vững kiến thức và kỹ năng cần thiết trong việc lập trình vi điều khiển.
8051 (điển hình là 89C51, 89052…), em nhận thấy nó có những nhược điểm cơ bản sau đây:
Bộ nhớ RAM nội của vi điều khiển 8051 chỉ có dung lượng 128 bytes, điều này gây khó khăn trong việc thực hiện các dự án lớn Để khắc phục vấn đề này, cần phải mở rộng bộ nhớ, nhưng điều này lại hạn chế số chân sử dụng cho các ứng dụng của vi điều khiển.
Việc tích hợp số lượng bộ giao tiếp với ngoại vi trong vi điều khiển 8051 là hạn chế, không bao gồm các bộ ADC, PWM hay truyền dữ liệu song song Để sử dụng các chức năng này, cần phải thêm các IC bên ngoài, điều này không chỉ tốn kém mà còn làm tăng độ phức tạp trong việc thực hiện, đặc biệt là khi không có biện pháp chống nhiễu hiệu quả.
Việc sử dụng vi điều khiển 8051 gặp một số hạn chế, đặc biệt là số lượng Timer chỉ có 2, điều này gây khó khăn trong việc viết chương trình Do đó, tôi đã quyết định không chọn vi điều khiển này cho đề tài “chế tạo cửa tự động” Với nền tảng kiến thức từ vi điều khiển 8051, tôi mong muốn tìm hiểu một họ vi điều khiển mới mạnh mẽ và đầy đủ tính năng hơn, nhằm phục vụ tốt cho đồ án hiện tại và cho các dự án trong tương lai.
Trong quá trình tìm kiếm họ vi điều khiển mới, em nhận thấy PIC của Microchip là lựa chọn lý tưởng nhờ vào các port và chức năng vượt trội so với 8051 Mặc dù việc sử dụng PIC16F877A cho đề tài "Thiết kế chế tạo cửa tự động" có thể bị coi là lãng phí, nhưng với mục đích nâng cao kiến thức và khả năng tự học, đây là sự lựa chọn hợp lý Qua thời gian ngắn, em đã nắm vững kiến thức cơ bản để áp dụng hiệu quả vào đề tài tốt nghiệp của mình.
Với những yêu cầu đặt ra, dựa vào sơ đồ khối hệ thống nên em phân tích như sau:
2.3.1 Khối điều khiển trung tâm
Hình 2.10 Sơ đồ khối của PIC16F877A
Cấu trúc tổng quát của vi điều khiển PIC16F877A
- 5 Port I/O (A, B, C, D, E), ngõ vào/ra với tín hiệu điều khiển độc lập
- 2 bộ định thời 8 bit Timer 0 và Timer 2
- 1 bộ định thời 16 bit Timer 1, có thể hoạt động trong cả chế độ tiết kiệm năng lượng (Sleep Mode) với nguồn xung clock ngoài
- 2 bộ CCP, Capture/Compare/PWM - tạm gọi là: Bắt giữ / So sánh / Điều biến xung
- 1 bộ biến đổi tương tự – số (ADC) 10 bit, 8 ngõ vào
- 2 bộ so sánh tương tự (Comparator)
- 1 bộ định thời giám sát (WDT – Watch Dog Timer)
- 1 cổng song song (Parallel Port) 8 bit với các tín hiệu điều khiển
- 1 cổng nối tiếp (Serial Port)
- Chế độ tiết kiệm năng lượng (Sleep Mode)
- Nguồn dao động lập trình được tạo bằng công nghệ CMOS
- 35 tập lệnh có độ dài 14 bit
- Tần số hoạt động tối đa là 20 MHz
PIC là một vi điều khiển kiến trúc RISC, thực hiện một lệnh trong mỗi chu kỳ máy (4 chu kỳ của bộ dao động) Mẫu PIC16F877A có 40 chân, với mỗi chân đảm nhiệm một chức năng riêng biệt.
Hệ thống cửa tự kiểm soát ra vào bao gồm các thành phần chính, trong đó đầu đọc kiểm soát vào ra đóng vai trò quan trọng Đây là thiết bị chịu trách nhiệm kiểm tra tính hợp lệ của người dùng, quyết định việc cho phép hoặc không cho phép họ ra vào các khu vực kiểm soát như phòng thiết bị hay phòng làm việc.
- Hệ thống cửa: Ngăn chặn ra vào cửa tự do
- Thẻ cảm ứng: Mỗi thẻ có một dãy số mật mã riêng
- Hệ thống quản lý máy tính: Quản lý đầu ra, chấm công, thao tác từ xa vào các đầu đọc kiểm soát vào ra
Nguyên lý hoạt động của hệ thống cửa từ
Mỗi cửa ra vào của phòng thiết bị và phòng làm việc sẽ được trang bị một hệ thống khóa điện tử (electro magnetic) cùng với hai đầu đọc thẻ cảm ứng, bao gồm một đầu đọc cho việc vào và một đầu đọc cho việc ra, nhằm điều khiển khóa điện tử một cách hiệu quả.
Các đầu đọc tại các cửa ra/vào sẽ được kết nối và truyền dữ liệu về phần mềm kiểm soát trên máy tính của người quản lý.
Mỗi nhân viên sẽ được cấp một thẻ ID cảm ứng (proximity) chứa tên, hình ảnh, lô-gô và mã số riêng Thẻ này không chỉ là thẻ nhân viên thông thường mà còn được sử dụng để mở và đóng cửa phòng làm việc, thiết bị Để vào phòng, nhân viên cần quét thẻ trước đầu đọc ở khoảng cách 5-15cm, và đầu đọc sẽ xác nhận mã số hợp lệ trên thẻ để mở cửa tự động Cửa sẽ tự động đóng lại sau khi nhân viên đã vào hoặc ra.
- Điện áp hoạt động: 3.3V 13-26Ma
- Dòng tiêu thụ ở chế độ Stand by: 3.3V 10-13mA
- Tần số hoạt động: 13.56Mhz
- Giao thức truyền thông: SPI
- Tốc độ dữ liệu tối đa: 10Mbit/s
- Nhiệt độ hoạt động: -20 đến 80 ° C
- Tốc độ cao SPI: 10Mbit/s
- Hỗ trợ ISO/ IEC 14443A/ MIFARE
- Phụ kiện: móc khóa và thẻ
Hình 2.11 Chân kết nối RC 522
SDA(CS): Chân lựa chọn chip khi giao tiếp SPI (Kích hoạt ở mức thấp) SCK: Chân xung trong chế độ SPI
MOSI (SDI): Master Data Out- Slave In trong chế độ giao tiếp SPI
MISO (SDO): Master Data In- Slave Out trong chế độ giao tiếp SPI IRQ: Chân ngắt GND: Chân mass RST: Chân reset module
Khối nguồn có vai trò quan trọng, chi phối hoạt động của tất cả các khối khác Nguồn yếu có thể khiến vi điều khiển bị reset liên tục và động cơ không hoạt động với công suất tối ưu, dẫn đến sự không ổn định của hệ thống Nguồn cung cấp cho mạch là yếu tố then chốt để đảm bảo hiệu suất hoạt động.
Nguồn 12V, 5A cung cấp cho toàn bộ mạch là yếu tố quan trọng để đảm bảo động cơ hoạt động ổn định Để đạt được điều này, cần có một nguồn ổn định, đáp ứng đầy đủ yêu cầu công suất của động cơ.
Nguồn 5V dùng IC LM7805 để cấp cho khối điều khiển, khối hiển thị và khối nhận dạng, đồng thời còn có nhiệm vụ ổn định dòng trong mạch
Vì vậy nên em chọn nguồn adapter 12V, 5A và nguồn ổn dòng dùng IC LM7805
Trong chương 2, tôi đã trình bày về các hệ thống RFID cơ bản như hệ thống một bit và n bit, cùng với khái niệm và các thành phần của hệ thống RFID RFID là công nghệ sử dụng sóng vô tuyến để xác nhận, theo dõi và lưu trữ thông tin trong thẻ (Tag) Reader quét dữ liệu từ thẻ và gửi thông tin đến cơ sở dữ liệu Các thành phần chính của hệ thống RFID bao gồm thẻ, reader và cơ sở dữ liệu Thẻ RFID chứa dữ liệu thực tế, bao gồm phần tử kết nối và vi chip điện tử Reader điển hình có module tần số vô tuyến, đóng vai trò là đơn vị điều khiển và kết nối với thẻ Cơ sở dữ liệu hỗ trợ theo dõi và lưu trữ thông tin về các mục được gán thẻ Tất cả các thành phần này hoạt động đồng bộ để tạo thành một hệ thống RFID hoàn chỉnh Tôi cũng đã phân tích và lựa chọn phương án thiết kế phù hợp với thực tế và yêu cầu của đề tài.