Báo cáo Thiết kế mạch giám sát số lượng xe ra vào bãi đỗ xe quản lí bằng RFID

TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI

Lịch sử công nghệ RFID

RFID là công nghệ tiên tiến trong nhận dạng đối tượng, vượt trội hơn mã vạch Lần đầu tiên được sử dụng trong quân đội vào năm 1940 để phân biệt máy bay đồng minh và máy bay địch qua hệ thống IFF Sau đó, RFID phát triển mạnh mẽ từ những năm 1950 đến 1970, với ứng dụng thương mại và công nghệ cảm biến ra đời Tại Mỹ, RFID được áp dụng rộng rãi trong vận chuyển, kiểm tra nhân sự và giám sát động vật, trong khi châu Âu chú trọng vào giám sát động vật và ứng dụng công nghiệp Đến những năm 1990, RFID trở thành trung tâm cho hệ thống tính cước điện tử tại Mỹ, với hệ thống đầu tiên ra đời ở Oklahoma năm 1991, cho phép xe cộ qua trạm tính cước mà không bị cản trở Sự phát triển của RFID trong những năm 1990 đã mở ra nhiều ứng dụng mới trong thương mại và quản lý giao thông.

Bảng 1 1 Tóm tắt quá trình phát triển RFID

1940 - 1950 Radar được sử dụng Nỗ lực chính trong chiến tranh thế giới thứ

II RFID được phát minh vào năm 1948.

1950 - 1960 Những cuộc khảo sát đầu tiên về công nghệ RFID và thí nghiệm trong phòng thí nghiệm.

1960 - 1970 Sự phát triển của lí thuyết RFID và bắt đầu thử nghiệm các ứng dụng ngoài trời.

1970 - 1980 Sự bùng nổ của RFID Kiểm tra gia tăng của RFID, sự thi hành các ứng dụng RFID.

1980 - 1990 Những xu hướng chính của các ứng dụng RFID trong thương mại.

1990 - 2000 Sự xuất hiện các tiêu chuẩn, sự triển khai rộng rãi của RFID và

RFID trở thành 1 phần của cuộc sống hằng ngày.

Các đặc điểm của hệ thống RFID

Các hệ thống RFID có thể được phân biệt với nhau theo ba cách khác nhau dựa trên các thuộc tính đặc trưng dưới đây:

 Phương pháp ghép nối vật lý

Tần số hoạt động là thuộc tính quan trọng nhất của hệ thống RFID, quyết định khả năng truyền tín hiệu của reader Tần số này có mối liên hệ chặt chẽ với khả năng đọc từ khoảng cách xa, và thường được xác định dựa trên khoảng cách cần thiết để thực hiện việc đọc thành công.

Phạm vi đọc của hệ thống RFID được xác định bởi khoảng cách giữa thẻ và đầu đọc Dựa vào yếu tố này, hệ thống RFID có thể được phân loại thành ba kiểu khác nhau.

 Trực tiếp: Đó là các hệ thống có phạm vi đọc thấp hơn 1 cm Một vài hệ thống LF và HF RFID thuộc về nhóm này.

Hệ thống RFID tầm gần có phạm vi đọc từ 1 cm đến 100 cm, chủ yếu hoạt động ở dải tần LF và HF.

Hệ thống RFID tầm xa có khả năng đọc với phạm vi lớn hơn 100 cm, thuộc dải tần UHF và tần số vi ba.

1.2.3 Phương pháp ghép nối vật lý

Ghép nối vật lý trong bài viết này đề cập đến phương pháp kết nối giữa thẻ và anten, tức là cơ chế chuyển giao năng lượng từ thẻ đến anten Dựa trên tiêu chí này, có ba kiểu hệ thống RFID khác nhau được phân loại.

Từ trường là một dạng hệ thống RFID, được biết đến như các hệ thống ghép nối theo kiểu điện kháng Các hệ thống RFID thuộc nhóm này bao gồm một số loại LF và HF.

Điện trường là một loại hệ thống RFID, được phân loại theo kiểu ghép nối điện dung Nhóm này chủ yếu bao gồm các hệ thống RFID tần số thấp (LF) và tần số cao (HF).

Điện từ trường là một phần quan trọng trong các hệ thống RFID, thường được gọi là các hệ thống backscatter Những hệ thống RFID này hoạt động trong dải tần số UHF và vi ba, thuộc về nhóm điện từ trường.

Các thành phần của hệ thống RFID

Hệ thống RFID là một tập hợp các thành phần thiết yếu để triển khai giải pháp RFID, bao gồm các thiết bị và công nghệ cần thiết để hoạt động hiệu quả.

 Thẻ: Đây là một thành phần bắt buộc của bất cứ hệ thống RFID nào.

 Thiết bị đọc thẻ: Đây cũng là một thành phần bắt buộc.

Anten của thiết bị đọc thẻ là một thành phần thiết yếu Hiện nay, nhiều thiết bị đọc thẻ đã được tích hợp anten, giúp giảm kích thước của chúng một cách đáng kể.

 Khối điều khiển: Đây là một thành phần quan trọng Tuy nhiên hầu hết các reader thế hệ mới đều đã tích hợp thành phần này lên chúng.

 Các căm biến, bộ truyền động, bộ báo hiệu: Đây là các thành phần tùy chọn, được sử dụng ở đầu vào và đầu ra của hệ thống RFID.

Máy chủ và hệ thống phần mềm là thành phần quan trọng trong một hệ thống RFID, mặc dù lý thuyết cho thấy hệ thống này có thể hoạt động độc lập Thực tế cho thấy, nếu thiếu các thành phần này, hệ thống RFID sẽ trở nên gần như vô giá trị.

Cơ sở hạ tầng truyền thống là một yếu tố quan trọng, bao gồm mạng có dây và không dây, cùng với hệ thống kết nối nối tiếp, nhằm kết nối hiệu quả các thành phần đã được đề cập.

Dưới đây là sơ đồ của một hệ thống RFID:

Hình 1 1 Sơ đồ khối của một hệ thống RFID

Phương thức làm việc của RFID

Hệ thống RFID bao gồm ba thành phần chính: tag, đầu đọc và máy chủ Tag RFID, với chip bán dẫn và anten nhỏ gọn, có thể ở dạng nhãn giấy, dán vào thùng chứa plastic hoặc được thiết kế thành miếng da bao cổ tay Mỗi tag được lập trình với một mã nhận dạng duy nhất, cho phép theo dõi đối tượng hoặc con người Các chip trong tag có khả năng lưu trữ nhiều dữ liệu như chuỗi số, thời dấu và thông tin cấu hình Hiện nay, các hệ thống RFID trong siêu thị hoạt động chủ yếu ở băng thông UHF, trong khi các hệ thống cũ sử dụng băng thông LF và HF, còn băng thông viba đang được chuẩn bị cho các ứng dụng tương lai Tag có thể được cấp nguồn bằng pin tích cực hoặc nhờ vào đầu đọc đánh thức tag thụ động khi ở gần.

Hình 1 2 Hoạt động giữa tag và reader RFID

Tag RFID tích cực có thể đọc xa tới 100 feet từ reader và có thể là tag RW hoặc RO, trong khi tag thụ động chỉ được đọc ở khoảng cách 20 feet với bộ nhớ RO Các yếu tố như kích thước tag, giá cả, dải đọc, độ chính xác, tốc độ dữ liệu và chức năng hệ thống phụ thuộc vào thiết kế và tần số của hệ thống RFID Reader bao gồm một anten giao tiếp với tag và một đơn vị đo điện tử kết nối với máy chủ, cho phép đọc hàng trăm tag cùng lúc và thực hiện các chức năng bảo mật như mã hóa và xác thực Reader có khả năng phát hiện tag ngay cả khi không nhìn thấy chúng, và hầu hết các mạng RFID đều kết nối nhiều tag và reader thông qua một máy tính trung tâm Máy chủ xử lý dữ liệu từ các reader và kết nối mạng RFID với các hệ thống công nghệ thông tin lớn hơn, nơi quản lý dây chuyền và cơ sở dữ liệu có thể được thực hiện Middleware là phần mềm kết nối hệ thống RFID với hệ thống IT để quản lý luồng dữ liệu hiệu quả.

Các tiêu chuẩn công nghệ

Nhiều tiêu chuẩn công nghệ RFID đã được đề xuất từ các tổ chức khác nhau trên toàn thế giới, và để mô tả đầy đủ về chúng, có thể cần một cuốn sách Tuy nhiên, bài viết này chỉ đề cập đến một số tiêu chuẩn phổ biến hiện nay mà hầu hết các công ty sản xuất thiết bị RFID tuân thủ Dưới đây là danh sách các tiêu chuẩn chính cùng với tên các tổ chức định nghĩa chúng.

 ANSI (American National Standards Institute)

 AIAG (Automotive Industry Action Group)

 EAN.UCC (European Article Numbering Association International, Uniform Code Council)

 ISO (International Organization for Standardization)

 ETSI (European Telecommunications Standards Institute)

 ASTM (American Society for Testing and Materials)

Bây giờ ta sẽ tìm hiểu sơ qua về hai tiêu chuẩn ANSI và EPCglobal để có cái nhìn tổng quan về chúng.

ANSI là tổ chức phi lợi nhuận, có vai trò quan trọng trong việc thiết lập tiêu chuẩn và hệ thống đánh giá tại Hoa Kỳ Nhiệm vụ của tổ chức này là nâng cao khả năng cạnh tranh toàn cầu và cải thiện chất lượng cuộc sống cho người dân Mỹ thông qua việc thúc đẩy sự đồng thuận về các tiêu chuẩn và bảo vệ tính toàn vẹn của chúng Bài viết sẽ đề cập đến một số tiêu chuẩn quan trọng của ANSI liên quan đến công nghệ RFID, đã được áp dụng trong thực tế.

 ANS INCITS 371 Thông tin về vị trí của các hệ thống thời gian thực Cái này bao gồm ba phần như dưới đây:

Phần 1 Các giao thức giao tiếp trên không tại dải tần 2.4 GHz.

Phần 2 Các giao thức giao tiếp trên không tại dải tần 433 MHz.

Phần 3 Giao tiếp với các chương trình ứng dụng.

 ANS MH10.8.4 Tiêu chuẩn ANSI cho các ứng dụng RFID với các container bằng nhựa có thể sử dụng lại được.

EPCglobal, Inc là một liên doanh giữa UCC và EAN, nhằm thiết lập tiêu chuẩn toàn cầu cho việc thiết kế và triển khai EPC (Electronic Product Code) và EPCglobal Network Mục tiêu của EPCglobal là cải thiện hoạt động chuỗi cung ứng và cung cấp các đặc điểm kỹ thuật tiên tiến cho công nghệ RFID, đồng thời mở rộng ứng dụng sang nhiều lĩnh vực khác EPCglobal Network, thành phần nền tảng của EPCglobal, là một tập hợp công nghệ cho phép tự động hóa, nhận dạng thời gian thực và chia sẻ dữ liệu thông minh về danh mục sản phẩm trong và ngoài doanh nghiệp Hệ thống này phù hợp với hoạt động chuỗi cung ứng và có thể được áp dụng cho nhiều ứng dụng khác nhau Các tiêu chuẩn EPCglobal Network được hình thành từ năm thành phần công nghệ chính.

 Data-collection hardware bao gồm các loại thẻ và reader EPC Cái này cũng được biết tới như là hệ thống ID.

 Discovery Services (DS), Ví dụ ONS (Object Naming Service) là thuộc thành phần này.

EPC (Electronic Product Code) là một mã nhận dạng được cấp phép, cho phép nhận diện bất kỳ sản phẩm nào trong chuỗi cung ứng Với kích thước nhỏ gọn và tính đơn giản, EPC có khả năng tạo ra hàng triệu mã định danh duy nhất Hơn nữa, nó hỗ trợ tích hợp các mã kế thừa và tiêu chuẩn phù hợp với từng tình huống cụ thể.

The Global Trade Identity Number (GTIN) provides a unique EAN-UCC number globally, facilitating the identification of products and services.

 Unique Identification (UID) Cái này được sử dụng để đánh số theo dõi tài sản của bộ quốc phòng Mỹ.

 Global Location Number (GLN) Cái này được sử dụng để biểu thị các vị trí, các đối tác thương mại, và các thực thể pháp lý.

ISO là tổ chức phi chính phủ với mạng lưới gồm các viện tiêu chuẩn quốc gia của 146 quốc gia, có trụ sở tại Geneva, Thụy Sĩ Tổ chức này có các ủy ban kỹ thuật (TC) và hội đồng kỹ thuật chung (JTC) tham gia phát triển các tiêu chuẩn liên quan đến RFID.

Dưới đây là một số tiêu chuẩn ISO có liên quan đến công nghệ RFID mà nó đã được sử dụng trong các ứng dụng thực tế:

 ISO 6346 Nhận dạng và đánh dấu mã cước vận chuyển container.

ISO 11784 quy định tần số vô tuyến cho mã số nhận dạng động vật sử dụng công nghệ RFID Tuy nhiên, tiêu chuẩn này không đề cập đến các đặc tính của giao thức truyền dữ liệu giữa thẻ RFID và thiết bị đọc.

Các ứng dụng của RFID

RFID được ứng dụng trong các lĩnh vực:

- Điều khiển truy nhập: khóa và các thiết bị cố định.

- Chống trộm: trong việc kinh doanh mua bán.

- RFID trong việc xử phạt.

- Dây chuyền cung cấp: Điều khiển kiểm soát trong các nhà kho.

- Người doặc súc vật: Trẻ em, bệnh nhân, vận động viên, gia súc.

- Tài sản: Hành lý trên máy bay, thiết bị, hàng hóa.

 Hệ thóng thanh toán điện tử:

- Lưu thông: hệ thống thu phí tự động Fastrask, EZ-pass.

- Vé: Vào cổng khu trượt tuyết, nhà hát.

1.6.1 RFID trong việc xử phạt

Công nghệ RFID giúp xử phạt dễ dàng và tự động hóa các nhiệm vụ thường lệ, tiết kiệm thời gian và chi phí Hệ thống này không chỉ lưu trữ dữ liệu hiệu quả mà còn nâng cao an ninh và giám sát, tạo ra môi trường làm việc an toàn cho nhân viên.

1.6.2 RFID trong an ninh quốc gia

Hội an ninh quốc gia Mỹ (DHS) đã áp dụng công nghệ RFID để nâng cao an ninh tại biên giới và cửa khẩu nước Mỹ Công nghệ này cho phép xác định vị trí, theo dõi và xác thực sự di chuyển của cá nhân cũng như các đối tượng khi họ nhập cảnh vào Mỹ.

Sử dụng thiết bị RFID để thay thế các khóa kim loại truyền thống bằng thẻ khóa điện tử mang lại nhiều lợi ích, như khả năng chống dập ép và dễ dàng hủy bỏ khi bị mất hoặc đánh cắp Chúng ta chỉ cần xóa thẻ khỏi cơ sở dữ liệu truy cập hoặc thiết lập báo động khi thẻ được sử dụng trái phép Thẻ RFID cũng hỗ trợ quản lý nhân viên, giúp giảm thiểu số lượng nhân viên bảo vệ cần thiết Khoảng cách đọc của thẻ thường giới hạn trong khoảng 1 foot hoặc nhỏ hơn Một trong những nhà sản xuất thẻ RFID nổi bật là

Hughes Identification Devices (HID) đã cung cấp các loại thẻ có tần số 125kHz hoặc

13.56MHz và lưu trữ khoảng 2 đến 16 bits dữ liệu đọc/ghi Khóa RFID còn dùng trong xe hơi để trống trộm Xe hơi chỉ hoạt động được khi có mặt cả 2 khóa là khóa kim loại và khóa RFID làm giảm nguy cơ mất trộm.

Hình 1 3 Ứng dụng thẻ truy nhâp

Nhược điểm của RFID

 Giá cao: Nhược điểm chính của công nghệ RFID là giá cao.

Hệ thống RFID dễ bị tổn hại bởi việc sử dụng 2 đến 3 lớp vật liệu kim loại bảo vệ, làm cản trở tín hiệu radio Ngoài ra, việc đặt hai vật phẩm đối ngược cũng có thể gây hại cho tín hiệu RFID, yêu cầu kiến thức kỹ thuật và sự căn chỉnh chính xác.

Việc loại bỏ các tag RFID được gắn bên trong bao bì có thể dễ dàng thực hiện, nhưng điều này đặt ra nhiều thách thức khi người sử dụng hiểu rõ hơn về vai trò và chức năng của các tag này.

Hệ thống RFID trong thư viện hiện nay gặp vấn đề với việc bảo mật thông tin cá nhân của người dùng, vì các thẻ RFID chứa dữ liệu tĩnh có thể bị đọc dễ dàng bởi các đầu đọc trái phép.

Đụng độ đầu đọc xảy ra khi tín hiệu từ một đầu đọc giao tiếp với tín hiệu từ nguồn khác, dẫn đến việc thông tin bị chồng chéo Để khắc phục vấn đề này, một giải pháp hiệu quả là áp dụng kỹ thuật phân chia thời gian đa truy nhập.

Kết luận chương

Chương này tổng quan về lịch sử phát triển công nghệ RFID, bao gồm quá trình hình thành và các mốc quan trọng Nó cũng nêu rõ các đặc điểm của hệ thống RFID như tần số hoạt động, phạm vi đọc và phương pháp ghép nối Bên cạnh đó, chương còn chỉ ra các thành phần trong một hệ thống RFID và cách thức hoạt động của nó Các tiêu chuẩn, ứng dụng và nhược điểm của công nghệ RFID cũng được trình bày một cách chi tiết trong chương này.

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Vi điều khiển

Hình 2 1 Vi điều khiển Atmega8 2.1.1 Các tính năng của Atmega8

- Hiệu suất cao (high performance), là loại vi điều khiển AVR 8 bit công suất thấp

- Cấu trúc lệnh đơn giản, thời gian thực thi lệnh như nhau (thật ra là Advanced RISC Architecture)

- 130 lệnh thực thi trong vòng 1 chu kì chip

- 32 x 8 thanh ghi công dụng chung

- Đầy đủ các xử lý tĩnh

- Hỗ trợ 16 MIPS khi hoạt động ở tần số 16 MHz

- Tích hợp bộ nhân 2 thực hiện trong 2 chu kì chip

- Bộ nhớ chương trình và dữ liệu không bay hơi (nonvolatile)

- 16k byte trong hệ thống flash khả trình có thể nạp và xóa 1,000 lần

- Tùy chọn khởi động phần mã với các bit nhìn độc lập trong hệ thống bằng cách vào chương trình khởi động chip

- 512 byte EEPROM có thể ghi và xóa 100,000 lần

- 1k byte ram nhớ tĩnh trong (internal SRAM)

- Lập trình khóa cho phần mềm bảo mật

- Tùy chọn khởi động phần mã với các bit nhìn độc lập trong hệ thống bằng cách vào chương trình khởi động chip

- 512 byte EEPROM có thể ghi và xóa 100,000 lần

- 1k byte ram nhớ tĩnh trong (internal SRAM)

- Lập trình khóa cho phần mềm bảo mật

 2 bộ định thời/bộ đếm (timers/counters) 8 bit với các chế độ đếm riêng rẽ và kiểu so sánh

 1 bộ định thời/bộ đếm (timer/counter) 16 bit với các chế độ đếm riêng rẽ, kiểu so sánh và kiểu bắt sự kiện

 Bộ đếm thời gian thực với máy dao động riêng rẽ

 Byte định hướng 2 đường giao tiếp nối tiếp

 Giao tiếp USART nối tiếp khả trình

 Giao tiếp SPI nối tiếp chủ/tớ (master/slave)

 Bộ định thời khả trình giám sát xung nhịp của chip 1 cách riêng rẽ

 Tích hợp bộ so sánh tín hiệu tương tự

 Các tính năng đặt biệt của vi điều khiển

 Chế độ bật nguồn reset và phát hiện Brown-out khả trình

 Tích hợp mạch dao động RC bên trong

 Các ngắt trong và ngoài

 6 chế độ nghỉ : rảnh rỗi,giảm nhiễu ADC, Tiết kiệm năng lượng, nguồn thấp, Standby và Extended Standby

- Vào/ra và các gói dữ liệu:

 32 chân vào ra khả trình

 40-pin PDIP and 44-lead TQFP

- Tốc độ xung nhịp dùng cho chip

Hình 2 2 Sơ đồ chân của Atmega8

- Chân 1: RESET để đưa chip về trạng thái ban đầu.

- Chân 7: VCC cấp nguồn nuôi cho vi điều khiển.

- Chân 8, 22: GND 2 chân này đc nối với nhau và nối đất.

- Chân 9, 10 : 2 chân XTAL2 và XTAL1 dùng để đưa xung nhịp từ bên ngoài vào chip.

- Chân 20 : AVCC cấp điện áp so sánh cho bộ ADC.

- Chân 21 : AREF điện áp so sánh tín hiệu vào ADC.

- Còn lại là các chân lập trình xuất tín hiệu điều khiển cũng như nhận tín hiệu từ cảm biến.

2.1.3 Vào ra của vi điều khiển

PORTB (PB0 … PA7) là một cổng vào ra song song 8 bit, với các điện trở treo tích hợp sẵn Khi PORTB hoạt động ở chế độ output, các điện trở treo sẽ không hoạt động; ngược lại, khi PORTB ở chế độ input, các điện trở treo sẽ được kích hoạt.

PORTC (PC0 PC6) hoạt động tương tự như PORTB khi được sử dụng như cổng vào ra song song Khi giao tiếp JTAG được kích hoạt, các trở treo tại chân PC5 (TDI), PC3 (TMS) và PC2 (TCK) sẽ hoạt động trong sự kiện reset Chức năng giao tiếp JTAG cùng với một số chức năng đặc biệt khác sẽ được thảo luận trong các phần sau.

- PORTD (PD0 PD7): Cũng là 1 cổng vào ra song song giống các PORT khác, ngoài ra nó còn có 1 số tính năng đặc biệt sẽ được nghiên cứu sau.

Timer/Counter là các module độc lập với CPU, có chức năng chính là định thì và đếm sự kiện Trên các chip AVR, chúng còn hỗ trợ tạo ra xung điều rộng PWM (Pulse Width Modulation) và ở một số dòng Atmega, Timer/Counter còn được sử dụng như các bộ canh chỉnh thời gian.

(calibration) trong các ứng dụng thời gian thực.

Trên chip Atmega16, các bộ Timer/Counter được phân loại theo độ rộng của thanh ghi chứa giá trị định thời và giá trị đếm Cụ thể, chip này có hai bộ Timer 8 bit, bao gồm Timer/Counter 0 và Timer/Counter 2, cùng với một bộ Timer 16 bit, đó là Timer/Counter 1.

Chế độ hoạt động và phương pháp điều khiển của từng Timer/Counter cũng không hoàn toàn giống nhau Ở chip Atmega16:

- Timer/counter 0: Là một bộ định thời/đếm đa năng 8 bit Gồm các tính năng:

 Xóa timer khi xảy ra bằng trong so sánh.

 Bộ tạo xung điều rộng.

 Bộ đếm sự kiện ngoài.

 Ngắt tràn và ngắt so sánh.

- Timer/counter 1: Là một bộ định thời/đếm đa năng 16 bit Gồm các tình năng:

 2 bộ so sánh đầu ra độc lập.

 Các thanh ghi so sánh đầu ra.

 1 bộ bắt giữ đầu vào.

 Bộ khử nhiễu đầu vào.

 Xóa timer khi xảy ra bằng trong so sánh.

 Bộ tạo xung điều rộng.

 Bộ đếm sự kiện ngoài.

- Timer/counter 2: Là bộ định thời/đếm đa năng 8 bit Gồm các tính năng:

 Xóa timer khi sảy ra bằng trong so sánh.

 Bộ tạo xung điều rộng.

 Ngắt tràn và ngắt so sánh.

 Cho phép xung nhịp ngoài 32 kHz hoạt động độc lập với xung nhịp I/O (Ứng dụng thời gian thực).

2.1.5 Chuẩn giao tiếp UART (Bộ truyền nhận không đồng bộ)

UART là một kiểu truyền thông tin nối tiếp không đồng bộ, thường được sử dụng trong máy tính công nghiệp, truyền thông, vi điều khiển và nhiều thiết bị truyền tin khác.

UART là giao thức truyền tín hiệu hai chiều, cho phép kết nối và giao tiếp giữa các thiết bị như Laptop và Modem, hoặc giữa các vi điều khiển Khi các thiết bị tuân thủ cùng một chuẩn, việc truyền dữ liệu giữa chúng trở nên khả thi và hiệu quả.

UART trên dòng Atmega sử dụng hai mức logic để truyền thông, với logic 0 tương ứng với 0V và logic 1 tương ứng với 3-5V Dữ liệu có thể được truyền theo cách đồng bộ hoặc không đồng bộ, nhưng trong vi điều khiển, phương thức không đồng bộ là phổ biến hơn Dữ liệu sẽ được đóng gói thành các khung truyền với tốc độ truyền được chuẩn hóa, bao gồm các mức tốc độ như 2400, 4800, 9600, 14400, 19200, và 28800.

Atmega16 được trang bị một bộ truyền thông nối tiếp với chân TX và RX nằm ở PORTD.1 và PORTD.0 Chân TX dùng để truyền dữ liệu, trong khi chân RX nhận dữ liệu Để thiết lập kết nối chuẩn giao tiếp, cần phải đấu nối theo kiểu bắt chéo, nghĩa là TX của linh kiện này phải kết nối với RX của linh kiện kia và ngược lại, theo cách TX1-RX2 và RX1-TX2.

Bộ RFID RC522

Module RFID RC522 là thiết bị đọc thẻ RFID và móc khóa RFID có tần số 13,56 MHz, dễ dàng giao tiếp với vi điều khiển Nó được ứng dụng phổ biến trong các hệ thống bảo mật xe máy, mở cửa bằng thẻ RFID, cũng như trong quản lý và chấm công dựa trên mã thẻ RFID.

1 SDA(SS): Chân lựa chọn chip khi giao tiếp SPI( Kích hoạt ở mức thấp)

2 SCK: Chân xung trong chế độ SPI

3 MOSI(SDI): Master Data Out- Slave In trong chế độ giao tiếp SPI

4 MISO(SDO): Master Data In- Slave Out trong chế độ giao tiếp SPI

Màn hình hiển thị trên LCD

LCD là một thiết bị ngoại vi tương tác với người dùng, tương tự như led 7 thanh Tuy nhiên, LCD vượt trội hơn khi có khả năng hiển thị tất cả các ký tự trong bảng mã ASCII, trong khi led 7 thanh chỉ giới hạn ở một số ký tự nhất định.

Mặc dù LCD có giá thành cao và hạn chế khi nhìn gần, nhưng nó vẫn được sử dụng rộng rãi để hiển thị thông tin đã được lập trình hoặc xử lý từ bộ điều khiển Thiết bị này giúp người dùng dễ dàng giao tiếp, điều khiển và giám sát hoạt động của hệ thống.

Trong mạch này em sử dụng loại LCD 16x2, có 2 dòng trên màn hình và mỗi dòng có thể hiển thị 16 ký tự.

Hình 2 4 Sơ đồ chân của LCD

2.3.1 Mô tả chân của LCD

Bảng 2 1 Ý nghĩa các chân của LCD

Chân Ký hiệu Mô tả

1 Vss Chân nối đất cho LCD, khi thiết kế mạch ta nối chân này với

GND của mạch điều khiển

2 VDD Chân cấp nguồn cho LCD, khi thiết kế mạch ta nối chân này với VCC=5V của mạch điều khiển

3 VEE Điều chỉnh độ tương phản của LCD.

4 RS Chân chọn thanh ghi (Register select) Nối chân RS với logic

“0” (GND) hoặc logic “1” (VCC) để chọn thanh ghi.

Logic “0” sẽ kết nối Bus DB0-DB7 với thanh ghi lệnh IR của LCD khi ở chế độ “ghi” và với bộ đếm địa chỉ của LCD khi ở chế độ “đọc”.

+ Logic “1”: Bus DB0-DB7 sẽ nối với thanh ghi dữ liệu DR bên trong LCD.

5 R/W Chân chọn chế độ đọc/ghi (Read/Write) Nối chân R/W với logic “0” để LCD hoạt động ở chế độ ghi, hoặc nối với logic

“1” để LCD ở chế độ đọc.

6 E Chân cho phép (Enable) Sau khi các tín hiệu được đặt lên bus DB0-DB7, các lệnh chỉ được chấp nhận khi có 1 xung cho phép của chân E.

Trong chế độ ghi, dữ liệu trên bus sẽ được chuyển vào thanh ghi nội bộ của LCD khi phát hiện xung chuyển đổi từ cao sang thấp của tín hiệu chân E.

+ Ở chế độ đọc: Dữ liệu sẽ được LCD xuất ra DB0-DB7 khi phát hiện cạnh lên (low-to-high transition) ở chân E và được

LCD giữ ở bus đến khi nào chân E xuống mức thấp.

7-14 DB0-DB7 Tám đường của bus dữ liệu dùng để trao đổi thông tin với

MPU Có 2 chế độ sử dụng 8 đường bus này : + Chế độ 8 bit : Dữ liệu được truyền trên cả 8 đường, với bit MSB là bit DB7.

+ Chế độ 4 bit : Dữ liệu được truyền trên 4 đường từ DB4 tới

DB7, bit MSB là DB7

15 VCC Nguồn dương cho đèn nền

16 GND GND cho đèn nền

Bảng 2 2 Bảng mã hex điều khiển LCD

Mã Hex Lệnh đến thanh ghi của LCD

1 Xóa màn hình hiển thi

4 Giảm con trỏ (dịch con trỏ sang trái)

6 Tăng con trỏ (dịch con trỏ sang phải)

5 Dịch hiển thị sang phải

7 Dịch hiển thị sang trái

8 Tắt con trỏ, tắt hiển thị

A Tắt hiển thị, bật con trỏ

C Bật hiển thị, tắt con trỏ

E Bật hiển thị, nhấp nháy con trỏ

F Tắt con trỏ, nhấp nháy con trỏ

10 Dịch vị trí con trỏ sang trái

14 Dịch vị trí con trỏ sang phải

Để đọc thanh ghi lệnh của LCD, cần đặt RS=0 và R/W=1, sau đó tạo xung cao xuống thấp cho bit E Nếu bit D7 (cò bận) ở mức cao sau khi đọc, điều này có nghĩa là LCD đang bận và không thể nhận lệnh hay dữ liệu Chỉ khi D7=0, mới có thể gửi thông tin đến LCD Việc kiểm tra bit cờ bận trước khi ghi thông tin lên LCD là rất quan trọng.

2.3.3 Sơ đồ mạch hiển thị LCD 16x2

Hình 2 5 Sơ đồ mạch hiển thị LCD

Trong một số LCD, chân led nền được đánh số 15 và 16, có thể ghi là A (Anode) và K (Cathode) Chân 1 và chân 2 kết nối với GND và nguồn 5V, trong khi chân 3 dùng để điều chỉnh độ tương phản thông qua một biến trở chia áp Khi hoạt động, người dùng cần điều chỉnh biến trở để đạt được độ tương phản mong muốn và giữ mức này Các chân điều khiển RS, R/W, EN và các đường dữ liệu được kết nối trực tiếp với vi điều khiển Tùy thuộc vào chế độ hoạt động 4 bit hay 8 bit, các chân D0 đến D3 có thể được bỏ qua hoặc kết nối với vi điều khiển.

Các linh kiện khác

Led, viết tắt của Light-emitting diode, là một diode phát sáng, bao gồm một chip bán dẫn với các tạp chất tạo ra tiếp giáp P-N Trong cấu trúc này, kênh P chứa lỗ trống và kênh N chứa điện tử, khi dòng điện chạy từ Anode (kênh P) đến Cathode (kênh N), điện tử lấp đầy các lỗ trống và phát ra ánh sáng Màu sắc ánh sáng phát ra phụ thuộc vào loại tạp chất trong chip bán dẫn Led được phân loại thành ba loại chính dựa trên dải công suất: cỡ nhỏ, cỡ trung bình, và cỡ lớn.

LED hoạt động dựa trên công nghệ bán dẫn, tương tự như nhiều loại diode bán dẫn khác Khi khối bán dẫn loại p, chứa các lỗ trống mang điện tích dương, được ghép với khối bán dẫn loại n, chứa các điện tử tự do, các lỗ trống sẽ di chuyển sang khối n Đồng thời, khối p nhận thêm điện tử từ khối n, dẫn đến việc khối p tích điện âm và khối n tích điện dương Tại biên giới giữa hai khối, một số điện tử bị lỗ trống thu hút và kết hợp với nhau, tạo thành các nguyên tử trung hòa, quá trình này giải phóng năng lượng dưới dạng ánh sáng hoặc bức xạ điện từ.

Mức năng lượng giải phóng của các nguyên tử chất bán dẫn quyết định bước sóng ánh sáng phát ra, từ đó tạo ra màu sắc khác nhau cho đèn LED Sự khác biệt về màu sắc của LED hoàn toàn phụ thuộc vào cấu trúc năng lượng của các nguyên tử này.

Đèn LED có điện thế phân cực thuận cao hơn so với diod thông thường, dao động từ 1,5 đến 3V Tuy nhiên, điện thế phân cực nghịch của LED lại thấp, khiến chúng dễ bị hư hỏng khi chịu tác động của điện thế ngược.

Điện trở là một ống dẫn điện có khả năng cản dòng điện, được đo bằng đơn vị ohm (Ω) Sức cản dòng điện của một điện trở càng lớn thì dòng điện chảy qua nó càng nhỏ, và ngược lại, nếu sức cản nhỏ thì dòng điện sẽ lớn hơn.

Các loại điện trở có giá trị ohm thay đổi như biến trở, chiết áp và quang trở đã được chế tạo để đáp ứng nhu cầu sử dụng đa dạng Để đo giá trị của các loại điện trở này, cần nắm rõ cách đọc giá trị chính xác.

Hình 2 8 Vòng màu điện trở

- Vòng 1 và vòng 2 chỉ giá trị hàng chục; hàng đơn vị trong giá trị điện trở.

- Vòng 3 chỉ hệ số nhân với trị số mũ của 10 dùng nhân với giá trị điện trở.

- Vòng 4 chỉ giá trị sai số của điện trở.

Trị số = (vòng 1)(vòng 2) x10 (vòng 3) +sai số(vòng 4)%

Để kiểm tra điện trở, chỉ cần bật đồng hồ đo về thang đo điện trở và đo giá trị của điện trở Sau đó, so sánh giá trị đo được với giá trị ghi trên điện trở để xác định tính chính xác.

Có 2 cách mắc thường dùng là mặc nối tiếp và mắc song song.

Hình 2 10 Transistor PNP a) Cấu tạo

Transistor, hay còn gọi là bóng bán dẫn, được cấu tạo từ ba lớp bán dẫn ghép lại, tạo thành hai mối tiếp giáp P-N Nếu các lớp được ghép theo thứ tự PNP, ta có Transistor thuận; còn nếu theo thứ tự NPN, ta có Transistor ngược.

Transistor được cấu tạo tương tự như hai diode đấu ngược chiều, và được gọi là Bipolar Junction Transistor (BJT) Cấu trúc này cho phép dòng điện chạy qua bao gồm cả hai loại điện tích âm và dương, thể hiện tính chất "bipolar" của nó.

Transistor được cấu tạo từ ba lớp bán dẫn, trong đó lớp giữa được gọi là cực gốc (B) và có nồng độ tạp chất thấp Hai lớp bên ngoài là cực phát (E) và cực thu (C), cả hai đều thuộc cùng loại bán dẫn nhưng khác nhau về kích thước và nồng độ tạp chất, do đó không thể hoán đổi cho nhau Nguyên tắc hoạt động của transistor dựa trên sự điều khiển dòng điện giữa các cực này.

Hình 2 12 Nguyên lý hoạt động Transistor

Mạch khảo sát về nguyên tắc hoạt động của transistor NPN.

Cấp nguồn một chiều UCE vào hai cực C và E, với cực C nhận nguồn (+) và cực E nhận nguồn (-) Đồng thời, nguồn một chiều UBE được cấp qua công tắc và điện trở hạn dòng vào hai cực B và E, trong đó cực (+) được kết nối với chân B và cực (-) với chân E.

Khi công tắc mở, mặc dù hai cực C và E được cấp điện, nhưng không có dòng điện nào chạy qua mối CE, tức là dòng IC = 0 Khi công tắc đóng, mối P-N được phân cực thuận, tạo ra dòng điện từ nguồn UBE qua công tắc, qua R hạn dòng, và đến mối BE, hình thành dòng IB Sự xuất hiện của dòng IB dẫn đến dòng IC chạy qua mối CE, làm bóng đèn phát sáng, với dòng IC mạnh gấp nhiều lần dòng IB Do đó, dòng IC hoàn toàn phụ thuộc vào dòng IB và tuân theo một công thức nhất định.

IC là dòng chạy qua mối CE

IB là dòng chạy qua mối BE β là hệ số khuyếch đại của Transistor

Khi có điện áp UCE, các điện tử và lỗ trống không thể vượt qua mối tiếp giáp P-N để tạo thành dòng điện Dòng IBE xuất hiện do lớp bán dẫn P tại cực B rất mỏng và nồng độ pha tạp thấp, dẫn đến số điện tử tự do từ lớp bán dẫn N (cực E) vượt qua tiếp giáp sang lớp bán dẫn P (cực B) nhiều hơn so với số lượng lỗ trống Một phần nhỏ trong số điện tử này thế vào lỗ trống tạo thành dòng IB, trong khi phần lớn bị hút về phía cực C dưới tác dụng của điện áp UCE, tạo thành dòng ICE chạy qua transistor.

Transistor PNP hoạt động tương tự như Transistor NPN, nhưng cực tính của các nguồn điện UCE và UBE là ngược lại Dòng điện IC trong transistor PNP chảy từ cực E sang cực C, trong khi dòng IB chảy từ C vào E.

Nút ấn là một công tắc đơn giản dùng để điều khiển máy móc hoặc các quá trình khác Chúng thường được làm từ nhựa hoặc kim loại và có hình dạng phù hợp với ngón tay hoặc bàn tay để dễ sử dụng Thiết kế của nút ấn có thể thay đổi tùy theo nhu cầu cá nhân Có hai loại nút ấn chính: nút nhấn thường mở và nút nhấn thường đóng.

Nguyên lí làm việc của nút nhấn:

Kết luận

Chương 2 của báo cáo nêu rõ các cơ sở lý thuyết cần thiết để thiết kế và chế tạo sản phẩm hoàn chỉnh Trong chương 3, đồ án sẽ trình bày chi tiết quá trình thiết kế và chế tạo sản phẩm của mình.

THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG

Sơ đồ khối, chức năng của các khối

Hình 3 1 Sơ đồ khối của thiết bị

- Chức năng: cung cấp nguồn hoạt động cho toàn bộ thiết bị.

- Thiết bị sử dụng nguồn 12V một chiều lấy từ adapter.

- Khối nút bấm gồm 4 nút, mỗi nút có 2 tiếp điểm đóng mở bằng cơ khí.

Chức năng của thiết bị là tín hiệu giao tiếp giữa người sử dụng và thiết bị, giúp khối xử lý trung tâm hoạt động hiệu quả dựa trên tín hiệu từ khối nút bấm.

3.1.3 Khối xử lý trung tâm

Chức năng của hệ thống là đảm nhận vai trò đầu não, tiếp nhận dữ liệu từ người sử dụng qua khối nút bấm và tín hiệu khoảng cách từ khối cảm biến Từ đó, hệ thống sẽ gửi các tín hiệu điều khiển đến khối chấp hành và hiển thị dữ liệu lên khối hiển thị.

- Hệ thống sử dụng vi điều khiển Atmega8.

- Chức năng: Khối cảm biến có nhiệm vụ phát hiện có thẻ RFID, nhận diện thẻ RFID và đưa tín hiệu về vi điều khiển.

- Khối cảm biến sử dụng Module RFID RC522.

- Chức năng: Khối chấp hành tiếp nhận tín hiệu từ vi điều khiển để thực hiện thao tác đóng, mở barrier.

- Khối chấp hành sử dụng 2 động cơ RC SERVO.

- Chức năng: Khối hiển thị dùng để hiển thị lên các thông số hoạt động của thiết bị.

- Khối hiển thị sử dụng màn hình LCD1602A

Sơ đồ mạch nguyên lý

Hình 3 2 Sơ đồ nguyên lý khối nguồn

Khối nguồn sử dụng nguồn 12V một chiều từ adapter để nuôi thiết bị.

Nguồn 12V được lọc qua các tụ điện và hạ áp xuống 5V bằng IC LM7805 để cung cấp cho các khối xử lý trung tâm, hiển thị và chấp hành Sau đó, nguồn 5V tiếp tục đi qua IC ổn áp AMS1117 để tạo ra điện áp 3.3V cho module RFID.

Ngoài ra, khối nguồn có sử dụng đèn Led để thông báo nguồn.

Hình 3 3 Sơ đồ nguyên lý khối nút bấm

Khối nút bấm gồm 4 nút ấn, giúp người dùng giao tiếp hiệu quả với vi điều khiển Các nút này được sử dụng để thực hiện các thao tác như thêm và xóa thẻ.

3.2.3 Khối xử lý trung tâm

Hình 3 4 Sơ đồ nguyên lý khối xử lý trung tâm

Khối xử lý trung tâm sử dụng vi điều khiển Atmega8 để xử lý dữ liệu từ người dùng thông qua khối nút bấm và giao tiếp với cảm biến Sau đó, nó điều khiển khối chấp hành và hiển thị thông số trên màn hình LCD.

Bộ dao động thạch anh cung cấp xung nhịp với tần số 8MHz, giúp vi điều khiển hoạt động hiệu quả Hai đầu của bộ dao động được kết nối với chân XTAL1 và XTAL2 của vi điều khiển.

Bộ Reset giúp đưa vi điều khiển về trạng thái ban đầu bằng cách kết nối điện áp 5V từ nguồn vào chân Reset Khi nút Reset được ấn, điện áp này sẽ giảm xuống GND, dẫn đến sự thay đổi đột ngột về 0V tại chân vi điều khiển Vi điều khiển nhận diện sự thay đổi này và khởi động lại hệ thống về trạng thái ban đầu.

Bộ nạp mạch đóng vai trò quan trọng trong việc nạp chương trình cho vi điều khiển Khi sản phẩm được đưa vào sản xuất, có thể loại bỏ bộ nạp này để tối ưu hóa kích thước mạch và giảm chi phí.

Hình 3 5 Sơ đồ nguyên lý khối cảm biến

Khối cảm biến sử dụng module RFID RC522 để giao tiếp với thẻ RFID, truyền dữ liệu về vi điều khiển Vi điều khiển thực hiện xử lý và mở cửa nếu thẻ nằm trong danh sách đăng ký, ngược lại sẽ không mở cửa nếu thẻ không có trong danh sách.

Hình 3 6 Sơ đồ nguyên lý khối hiển thị

Khối hiển thị sử dụng màn hình LCD1602A để hiển thị các menu thao tác như thêm thẻ mới, xóa toàn bộ thẻ và xóa một thẻ Người dùng có thể lựa chọn menu bằng cách ấn nút bấm tương ứng, sau đó màn hình sẽ tiếp tục hiển thị các chỉ dẫn để hỗ trợ người dùng thực hiện các bước tiếp theo.

Hình 3 7 Sơ đồ nguyên lý khối chấp hành

Khối chấp hành sử dụng còi báo để báo khi thẻ đúng hoặc thẻ sai, và 2 động cơ

RC Servo để thực hiện thao tác đóng / mở barrier.

Hình 3 8 Sơ đồ nguyên lý toàn mạch

Sơ đồ mạch in

3.3.1 Sơ đồ mạch in lớp TOP

Hình 3 9 Sơ đồ mạch in lớp TOP

3.3.2 Sơ đồ mạch in lớp BOTTOM

Hình 3 10 Sơ đồ mạch in lớp BOTTOM

Hình 3 11 Sơ đồ mạch dạng 3D

Chu trình hoạt động của hệ thống

Hình 3 12 Lưu đồ thuật toán

Sản phẩm hoàn thiện

Sau đây là hình ảnh sản phẩm hoàn thiện của đề tài

Hình 3 13 Hình ảnh của sản phẩm

Kết luận chương 3

Chương 3 của bài báo cáo đã trình bày chi tiết về quá trình thiết kế mạch nguyên lý, mạch in, kết quả sản phẩm và quá trình thực nghiệm thiết bị Kết quả hoạt động của sản phẩm đã đạt được yêu cầu đề ra.

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI

1 Kết luận Đề tài đã thực hiện được đúng và đủ các chức năng như mục tiêu ban đầu đã đề ra Mặc dù kích thước thiết bị hiện tại vẫn còn khá to, nhưng khi được đưa vào sản xuất, phần mạch điện có thể thu nhỏ lại hơn nữa nhờ vào sử dụng linh kiện dán, dùng cả 2 mặt của tấm phíp đồng,…

Trong quá trình nghiên cứu và thực hiện đề tài, tôi đã gặp nhiều khó khăn, đặc biệt là trong việc tìm hiểu các linh kiện và thiết bị, như module giao tiếp RFID RC522 và lập trình vi điều khiển.

Sau khi hoàn thành đề tài, tôi nhận ra rằng mình đã có cơ hội rèn luyện khả năng tư duy sáng tạo cũng như kỹ năng thiết kế và thi công mạch điện Đồng thời, tôi cũng được trang bị thêm kiến thức chuyên sâu về cơ điện tử.

2 Hướng phát triển của đề tài Đề tài có thể được phát triển thêm tính năng và thu gọn về mặt kích thước để có thể triển khai lắp đặt ngoài thực tế.