Tài liệu Đồ án môn học hệ thống nhúng - Đề tài "Khóa số điện tử" ppt

Hệ thống số củakhoá được thiết kế như các phím bấm số của điện thoại nên khá tiện lợi khi sử dụng.Bên cạnh loại chỉ có một chức năng khoá bằng mã số, còn có loại kèm theo chức năngkhoá b

hận xét của giáo viên hướng dẫn

Thái Nguyên, Ngày Tháng Năm 20

Giáo Viên hướng dẫn

(Ký ghi rõ họ tên)

Nhận xét của giáo viên chấm

Thái Nguyên, Ngày Tháng Năm 20

Giáo Viên hướng dẫn

(Ký ghi rõ họ tên)

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

KHOA ĐIỆN TỬ

Bộ môn: KỸ THUẬT MÁY TÍNH

ĐỒ ÁN MÔN HỌC

MÔN HỌC

Hệ Thống Nhúng

Nhóm sinh viên: 1 Vũ Đình Thăng

2 Nguyễn Thế Thịnh

3 Lê Văn Thành Lớp : K43kđt

Giáo viên hướng dẫn : ThS Nguyễn Tuấn Linh

Thái Nguyên – 2011

MỞ ĐẦU 5

Chương 1 : Phân Tích Bài Toán 6

1.1 Tổng quan về khóa số: 6

1.2 Nguyên lý cơ bản của khóa số điện tử : 6

1.3 Các sản phẩm khóa số trên thị trường 6

1.4 Các yêu cầu chính của khóa số và tính năng của sản phẩm: 8

1.5 Lựa chọn phần mềm : 9

Chương 2: Thiết Kế Và Tính Toán Cho Hệ Thống 10

2.1 Sơ đồ khối của khóa số 10

2.2 Sơ Đồ Đặc Tả Hệ Thống Và Sơ Đồ Call Graph: 11

2.3 Phân tích và tính toán phần cứng 12

2.3.1 PIC 16F877 12

2.3.2 LCD Hiển Thị 20

2.3.3 Bàn Phím 23

2.3.4 Mạch cầu điều khiển động cơ 24

2.3.5 Động cơ 28

2.3.6 Khối Nguồn 28

Chương 3: Xây dựng lưu đồ thuật toán và viết chương trình cho hệ khóa số 29

3.1 lưu đồ giải thuật: 29

3.2 hoạt động của sản phẩm 29

3.3 Chương trình quét phím cơ bản: 31

MỞ ĐẦU

Với mỗi gia đình, cơ qua, xí nghiệp, trường học hay bất cứ nơi đâu, để bảo vệtài sản trong phòng Trên mỗi cánh cửa ra vào được trang bị thêm chiếc khóa Hiệnnay trên thị trường có rất nhiều loại khóa cửa nhưng hầu như đều là khóa cơ khí, cáckhóa cơ khí này gặp vấn đề lớn đó là tính bảo mật của các khóa này không cao, nên dễdàng bị phá khóa bởi các chìa khóa đa năng

Đa số khoá kỹ thuật số đang có bán trên thị trường là do Hàn Quốc sản xuất,chủ yếu là loại khoá tay nắm và có giá khá cao

Khoá sử dụng phương pháp cài đặt mã số (như khoá số của các loại va li haycặp số) để khoá hoặc mở và người sử dụng có thể cài đặt số bất kỳ Hệ thống số củakhoá được thiết kế như các phím bấm số của điện thoại nên khá tiện lợi khi sử dụng.Bên cạnh loại chỉ có một chức năng khoá bằng mã số, còn có loại kèm theo chức năngkhoá bằng chìa Chìa của loại này cũng đặc biệt hơn các loại thông thường, nó đượclàm 4 cạnh, khó làm giả như các loại khoá 2 cạnh

Khoá kỹ thuật số còn có loại mở bằng dấu vân Loại khoá này có thể đăng kýđược 25 hoặc 40 vân tay khác nhau Như vậy bạn có thể lưu lại rất nhiều vân tay củamọi người trong gia đình vào bộ nhớ của khoá Khi cho đúng các vân tay có lưu trong

bộ nhớ thì cửa sẽ được mở Phần lớn loại này không sử dụng chìa nữa

Vì vậy để nâng cao yêu cầu về tính bảo mật để bảo vệ tài sản, và dao diện dễ

sử dụng Nhóm nghiên cứu chúng tôi đề ra giải pháp dùng khóa số dựa trên nền tảngcủa kỹ thuật vi điều khiển

Chương 1 : Phân Tích Bài Toán1.1 Tổng quan về khóa số:

Khóa số nói chung là loại khóa để bảo vệ thiết bị, tài sản….mà khi muốn mở rathì phải tác động đến số mà ta cài đặt trước có 2 loại khóa số cơ bản hiện nay trên thịtrường có đó là khóa số cơ khí và khóa số điện tử

- Khóa số cơ khí : khi mở khóa hay khóa lại thì ta phải xoay các vòng số trênkhóa sao cho một dãy các số nào đó cùng hợp với nhau thì mở được khóa

- Khóa số điện tử : khi mở khóa thì ta phải nhập đúng mật khẩu là một dãycác số liên tiếp nhau, nếu nhập đúng các dãy số đó thì mở được khóa

Nhìn chung thì khóa số điện tử sẽ có nhiều ký tự, nhiều mã số để cài đặt hơn,cũng như độ dài của mã số sẽ dài hơn Vì vậy tính bảo mật của khóa số điện tử cũngcao hơn Bên cạnh đó, thao tác trên khóa số điện tử cũng thực hiện dễ dàng hơn vớicác phím bấm, chứ không phải là các vòng xoay ở khóa số cơ khí Khi thao tác đổimật khẩu cũng dễ dàng hơn vì thao tác trên các phím bấm

Khóa số điện tử ngoài tính năng về bảo mật cao, và thao tác dễ dàng còn cótính năng cảnh báo nếu nhập mật mã nhiều sai quá số lần quy định Với dao diệnngười dùng, hiển thị các thông báo về nhập mật khẩu, cảnh báo, thay đổi mật khẩukhiến người dùng dễ sử dụng hơn

1.2 Nguyên lý cơ bản của khóa số điện tử :

Nhập một mật mã đưa tới một khối giao tiếp, và hiển thị những thông tin tớingười dùng (nếu có) Rồi khối điều khiển sẽ gửi tín hiệu tới một thiết bị chấp hànhđóng cắt, hoặc điều khiển cho đóng hoặc mở cửa nếu như mật mã đúng Và đưa rathống báo (nếu có) khi nhập mật mã sai, có thể có báo động khi nhập mật mã sai quá

số lần quy định

Hình 1.1: sơ đồ khối khóa số cơ bản.

1.3 Các sản phẩm khóa số trên thị trường

Trên thị trường hiện nay có bán rất nhiều loại khóa số điện tử Hầu hết các loạikhóa điện tử đó đều có tính nắng đổi mật mã, cảnh báo Nhưng lại không có tính nănggiao diện người dùng bằng màn hình LCD khiến người dùng khó sử dụng các sảnphẩm đó Thiết bị mà bộ khóa số trên thị trường điều khiển chủ yếu là Roler để đóng,

mở chốt cửa

Khối giao tiếp và

hiển thị thông tin

Khối điều khiển Thiết bị chấp

hành

Hình 1.2: khóa số trên thị trường không có giao diện người dùng

Một số loại trên thị trường đã có giao diện người dùng qua những màn hìnhLCD 16x2 để hiển thị thông tin tới người dùng Như vậy thì dễ sử dụng hơn các loạikhác

Hình 1.3: khóa số đã trang bị màn hình LCD giao diện người dùng.

1.4 Các yêu cầu chính của khóa số và tính năng của sản phẩm:

Qua tham khảo các sản phẩm khóa số trên thị trường thì

Yêu cầu của một bộ sản phẩm khóa số thông thường:

- Dạo diện người dung dễ sử dụng

- Mật khẩu có độ dài đảm bảo tính bảo mật cao

- Có thể thay đổi được mật khẩu

- Tính năng cảnh báo khi nhập mật khẩu sai 3 lần liên tiếp

- Động cơ quay để điều khiển cửa hết hành trình thì dừng lại

- Hệ thống phải làm việc được ngay cả khi mất điện

Các ràng buộc :

- Thông thường hệ thống giao diện với người dùng để ở bênngoài, nên phải an toàn, tránh được những tác động của ngoạicảnh

- Chi phí của bộ sản phẩm (không có động cơ) không quá500.000vnđ

- Chịu được quá tải tải khi gặp chướng ngại vật trong thời giandài

Với yêu cầu về tính năng như trên, chúng tôi chọn các thiết bị chính:

 Vi điều khiển 16f877 với bộ nhớ eeprom có khả lưu trữ dữ liệungay cả khi mất điện

 Màn hình LCD 16x2 với mục đích hiển thị thông tin, giao tiếp viđiều khiển với người dùng

 Bàn phím 16 phím có các phím số và phím chức năng đưa đầuvào là mật khẩu, các lệnh đóng mơ cửa tới vi điều khiển

 Động cơ để kéo cánh cửa đóng và mở Với đề tài này có yêu cầusản phẩm mô phỏng thực tế, chúng tôi chọn động cơ một chiềucông suất nhỏ.

 Nguồn dự trữ khi mất điện

1.5 Lựa chọn phần mềm :

CCS là trình biên dịch lập trình ngôn ngữ C cho Vi điều khiển PIC của hãngMicrochip Chương trình là sự tích hợp của 3 trình biên dich riêng biết cho 3 dòngPIC khác nhau đó là:

‐ PCB cho dòng PIC 12‐bit opcodes

‐ PCM cho dòng PIC 14‐bit opcodes

‐ PCH cho dòng PIC 16 và 18‐bit

Tất cả 3 trình biên dich này đuợc tích hợp lại vào trong một chương trình baogồm cả trình soạn thảo và biên dịch là CCS

PIC 16f877a là pic 14 Ta có thể dùng phần mềm để lập trình cho PIC với ngônngữ C dễ sử dụng

Cấu chúc cơ bản của chương trình khi vết với C:

#include, #device, #use, #fuses // các tiền xử lý

#define, int8 //định nghĩa các dữ liệu khai báo hằng, biến

Void tênhàm() {} dùng để khai báo, định nghĩa hàm

Void main() {// chương trình chính.}

Chương 2: Thiết Kế Và Tính Toán Cho Hệ Thống

2.1. Sơ đồ khối của khóa số

Hình 2.1: Sơ đồ khối của Khóa số

- Khối nguồn: Nhằm nhiệm vụ cung cấp điện áp +5V, ±12V luôn ổn định chomạch điện và vi điều khiển

- Vi điều khiển: xử lý các thông tin, nhận thông tin từ bàn phím , đưa đến điềukhiển động cơ và đưa thông tin hiển thị ra LCD thông báo cho người dùng Lưu trữmật khẩu qua bộ nhớ EEPROM có thể lưu trữ ngay khi mất điện

- Bàn phím: thực hiện chức năng nhập các dữ liệu đưa đến vi điều khiển và baogồm thao tác nhập mật khẩu, thay đổi mật khẩu, mở cửa, khóa cửa

- Hệ thống báo động: cảnh báo khi nhập sai mật khẩu quá 3 lần Thông qua hệthống chông báo động

- Bộ khuếch đại tín hiệu và mạch cầu H :dùng để đưa tín hiệu điều khiển độngcơ

- Màn hình LCD: có chức năng chính để giao tiếp người dùng với Vi ĐiềuKhiển

Vi Điều Khiển PIC 16F877a Khối Báo Động

Động Cơ Khuếch Đại Tín

Hiệu

Bàn Phím Ma Trận 4x4 Khối Nguồn

Màn Hình Hiển Thị LCD 16x2

- Động cơ điều khiển: Dùng để điều khiển đóng mở cửa qua điều khiển từ mạchcầu H

Hình 2.2: sơ đồ đặc tả của hệ thống

Hình 2.3 : sơ đồ Call graph giữa phần cứng và phần mềm

Controller software Giao Tiếp

LCD

Giao Tiếp EEPROM Giao Tiếp Bàn Phím

Điều Khiển Động cơ

Động Cơ

Chương Trình Báo Động

Đổi Mật Mã

Thao Tác Phím

2.3. Phân tích và tính toán phần cứng

2.3.1 PIC 16F877

a Đặc điểm pic 16f877a:

 Công nghệ CMOS có đặc tính : công suất thấp, công nghệ bộ nhớFlash/EEPROM tốc độ cao Điện áp hoạt động từ 2V đến 5,5V vàtiêu tốn năng nượng thấp phù hợp với nhiệt độ làm việc trongcông nghiệp và trong thương mại

 Tốc độ hoạt động :

- DC – 20MHz ngõ vào xung clock

- DC – 200ns chu kỳ lệnh

 Dung lượng của bộ nhớ chương trình Flash là 8K x 14words

 Dung lượng của bộ nhớ dữ liệu RAM là 368x8Bytes

 Dung lượng của bộ nhớ dữ liệu EEPROM là 256x8 Bytes

o Bộ nhớ dữ liệu EEPROM cho phép xóa và ghi 1.000.000lần

o Bộ nhớ EEPROM có thể lưu giữ dữ liệu hơn 40 năm và cóthể tự lập trình lại được dưới sự điều khiển của phần mềm

 Số chân : 40 pins 5 cổng vào ra số RA,RB,RC,RD,RE

Hình 2.4: Sơ đồ chân của pic 16F877a.

b Các công vào ra của PIC 16F877a:

Việc điều khiển các cổng vào ra của pic dựa trên việc điều khiển các File thanhghi Vì trong đề tài chỉ sử dụng 3 cổng vào ra là PORTB, PORTC, PORTD nên chúngtôi xin đưa ra đặc điểm của các chân

 PORTB và thanh ghi TRISB:

Portb (RPB) gồm 8 pin I/O thanh ghi điều khiển xuất nhập tương ứng làTRISB Bên cạnh đó một số chân của PORTB còn được sử dụng trong quá trình nạpchường trình cho vi điều khiển với các chế độ nào khác nhau PORTB còn liên quandến ngắt ngoại vi và bộ Timer0 PORTB còn được tích hợp chức năng điện trở kéo lênđược điều khiển bởi chương trình

Ba chân của PORTB được đa hợp với mạch điện gỡ rối bên trong và chức nănglập trình điện áp thấp RB3/PGM, RB6/PGC và RB7PGD

Mỗi chân của PORTB có điện trở kéo lên Bit điều khiển RBPU(OPTION_REG<7>) =0 thì có thể mở tất cả các điện trở kéo lên khi portb được thiếtlập là ngõ ra thì sẽ tự động ngắt chức năng điện trở kéo lên , cũng tương tự khi CPU bịreset lúc mới cấp điện

Bốn chân của portb RB4:RB7 có cấu chúc ngắt thay đổi, chỉ có những chânđược thiết lập ở cấu hình là ngõ vào thì mới có chức năng ngắt các chân ngõ vào là(RB4:RB7) được so sánh với giá trị cũ đã được chốt trong lần đọc trước của portb.Các ngõ ra không trùng nhau của các chân RB4:RB7 được OR lại với nhau để tao rangắt ở PORTB với bít cờ báo ngắt RBIF<INTCON<0>>

Ngắt này có thể kích hoạt vi điều khiển trở lại trạng thái hoạt động khi nó đang

ở chế độ SLEEP Trong chương trình phục vụ ngắt thì người dùng có thể xóa ngắtbằng các cách khác nhau:

 Bất kỳ lệnh đọc hay ghi PORTB sẽ kết thích điều kiện khôngthích ứng

 Xóa bít cờ RBIF

Điều kiện không tương thích sẽ tiếp tục làm cờ báo ngắt RBIF bằng 1 Khi đọcPORTB sẽ chấm dứt điều kiện không tương thích và cho phép xóa bít cờ báo ngắtRBIF

Cấu trúc ngắt thay đổi dùng để thoát khỏi chế độ nghỉ khi có nhấn phím và cáchoạt động mà PORTB chỉ được dùng cho cấu trúc thay đổi ngắt

 PORTC và thanh ghi TRISC:

Portc được đa hợp với vài chức năng ngoại vi Các chân của portc có mạchđệm Schmit Trigger ở ngõ vào Khi khối I2C được cho phép thì các chân PORTC (3,4)

có thể được định cấu hình ở các mức I2C hoặc mức SMBUS bằng cách sử dụng bítCKE (SSPSTAT<6>)

Khi cho phép chức năng ngoại vi, nên chú ý đến các bít TRIS cho mỗi chân củaPORTC Một vài thiết bị ngoại vi ghi lên bít TRIS để làm một chân như là 1 ngõ ra,trong khi đó các thiết bị ngoại vi ghi lên bít TRIS để làm như một chân ngõ vào Khighi đè bít TRIS thì không ảnh hưởng đến các thiets bị đã cho phép, các kệnh đọc –hiệu chỉnh – ghi (BSF,BCF,XORWF) với TRISC là đích đến phải tránh dùng Người

sử dụng tham chiếu tới phần thiết bị ngoại vi tướng ứng để thiếp lập cho đúng bítTRIS

PORTD là port 8 bít với ngõ vào có mạch Schmitt Trigger Mỗi chân có thểđược cấu hình độc lập là ngõ vào hoặc ngõ ra PORTD có thể định cấu hình như làport của vi sử lũ 8 bít bằng cách thiết lập bít điều khiển PSPMODE(TRISE<4>).Trong mode này thì các bộ đến ngõ vào dạng TTL PORTD và TRISD không đượcxây dựng cho các bộ đếm ngõ vào TTL

Bộ nhớ dữ liệu trên được chia làm nhiều Bank và chứa những chức năng đặcbiệt hai bit RP0, RP1 nằm trong thanh ghi STATUS thuộc bit thứ 5 và thứ 6 dùng đểchọn BANK thanh ghi

Hai BANK thanh ghi : BANK 0 và BANK 1 thuộc địa chỉ từ 0x5 đến 0x09 làđịa chỉ của PORTA đến PORTE dùng để xuất nhập dữ liệu địa chỉ từ 0x85 đến 0x89 làđịa chỉ của các thanh ghi định hướng TRISA đến TRISE

Khi chọn BANK thanh ghi ta thiết lập các giá trị của RP0 và RP1 thuộc thanhghi STATUS như sau:

 Bank 0 : RP0=0, RP1=0

 Bank 1 : RP0=1, RP1=0

 Bank 2 : RP0=0, RP1=1

 Bank 3 : RP0=1, RP1=1

Hình 2.5: Sơ đồ File thanh ghi.

Với phần mềm CCS để viết chương trình C cho PIC, khi truy xuất các dữ liệu

từ các cổng thì ta không cần chọn BANK thanh ghi phức tạp như trên Ta chỉ cầndùng các lệnh : SET_TRIS_X và OUTPUT_X là có thể xuất nhập Nhưng khi nhập dữliệu với các cổng ta không nên dùng lệnh OUTPUT_X vì trước khi thực hiện xuất một

dữ liệu thì mặc định nó đã SET_TRIS_X Ta nên khai báo địa chỉ ban đầu của thanhghi ví dụ:

#BYTE PORTB =0x06, #BYTE PORTC=0x07

Như thế thì ta có thể xuất dữ liệu ra các cổng bằng các lệnh gánPORTX=0xXX mà không làm ảnh hưởng đến thanh ghi định hướng ban đầu qua lệnhSET_TRIS_X

Các cổng RB, RC, RD là cổng vào ra 8 bít, với các chân RX0 đến RX7

c chọn cổng vào ra kết nối với thiết bị ngoại vi :

 Do trong phần mềm CCS có hỗ chợ file LCD.C mặc định dùng ở cổng PORTDnên ta dùng cổng RD để kết nối với LCD Điều khiển LCD dùng PORTD vớithiết lập ban đầu là cổng xuất dữ liệu để điều khiển LCD nên ta thiết lập banđầu là SET_TRIS_D(0x00)

o Các chân từ RD4 => RD7 của PIC nối với các chân dữ liệu D4 => D7của LCD

o Chân RD0 của pic nối với chân cho phép E (enable) của LCD

o Chân RD1 nối với chân RS – chân chọn thanh ghi của LCD

o Chân RD2 nối với chân RW – chân chọn chế độ đọc/ ghi của LCD

 Chọn cổng quét 16 phím: ma trận phím nối với cổng RC

 Chọn cổng điều khiển động cơ , công tắc hành trình và báo động : cổng RB

o Chân RB0, RB1 nối với công tắc hành trình để dừng động cơ khi điềukhiển cửa

o Chọn chân RB6,RB7 để điều khiển động cơ thông qua mạch cầu

o Chọn chân RB5 để đưa tín hiệu ra hệ thống báo động

d Bộ nhớ EEPROM:

Dữ liệu EEPROM và bộ nhớ chương trình Fláh có thể đọc và ghi trong suốtquá trình hoạt động bình thường Bộ nhớ này không được thiết lập trực tiếp trongkhông gian file thanh ghi đặc biệt Có 6 thanh ghi FSR được sử dụng để đọc và ghi bộnhớ này:

 EECON1

Khi giao tiếp với bộ nhớ chương trình thì hai thanh ghi EEDATA và EEDATHkết hợp với nhau lại thành thanh ghi 16 bit để lưu trữ dữ liệu 14bit cho lệnh đọc/ghi vàhai thanh ghi EEADR và EEADRH kết hợp lại thành thanh ghi 16 bít để lưu địa chỉ

13 bit của ô nhớ đang truy suất Với pic có dung lượng bộ nhớ chương trình là 8kwỏd thì địa chỉ trong khoảng từ 0000h đến 1FFFh Nếu truy suất ô nhớ có địa chỉ lớnhơn thì sẽ bị cuộn nằm trong vùng nhớ thực

Bộ nhớ dữ liệu EEPROM cho phép đọc và ghi 1 byte bộ nhớ chương trìnhFlash cho phép đọc 1 word và ghi khối 4 word Hoạt động ghi của bộ nhớ chươngtrình sẽ tự động thực hiện xóa trước khi ghi vào khối 4 word Một byte ghi vào bộnhớ dữ liệu EEPROM sẽ tự động xóa ô nhớ rồi mới ghi dữ liệu mới – xóa trước khighi

Khi chip có mã bảo bbệ thì CPU có thể đọc và ghi dữ liệu bộ nhớ EEPROM.Tùy thuộc vào cách thiết lập các bít bảo vệ chống ghi, PIC có thể cho hoặc không choghi dữ liệu vào một vài khối bộ nhớ chương trình ; tuy nhiên cho phép đọc bộ nhớchương trình Khi PIC coa mã bảo vệ thì người dung không còn được truy cập bộ nhớ

dữ liệu hoặc bộ nhớ chương trình

Cặp thanh ghi EEADRH:EEADR có thể định địa chỉ tối đa 256 byte của bộnhớ dữ liệu EEPROM hoặc tối đa 8k word của bộ nhớ chương trình EEPROM

Khi truy xuất bộ nhớ dữ liệu thì chỉ dung thanh ghi EEADR đẻ lưu byte địa chỉthâp