Đồ án môn học cơ điện tử đề tài nghiên cứu và thiết kế hệ thống cửa thông minh

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI KHOA CƠ KHÍ ĐỒ ÁN MƠN HỌC CƠ ĐIỆN TỬ ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG CỬA THÔNG MINH Giáo viên hướng dẫn : ThS LÊ VĂN NGHĨA Sinh viên thực : Nhóm MSV Nguyễn Phi Hùng 2019607164 Nguyễn Tiến Hòa 2019601895 Nguyễn Mạnh Hùng 2019607019 :3 Hà Nội - 2022 MỤC LỤC MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU MÔ TẢ THIẾT BỊ CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG CỬA THÔNG MINH 1.1 LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CỦA HỆ THỐNG CỬA THÔNG MINH 1.2 MỤC TIÊU CỦA ĐỀ TÀI .10 1.3 PHƯƠNG PHÁP THỰC HIỆN ĐỀ TÀI 10 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 13 2.1 XÂY DỰNG SƠ ĐỒ KHỐI CHO HỆ THỐNG 13 2.2 TỔNG QUAN VỀ VÂN TAY .14 2.2.1 Công nghệ sinh trắc 14 2.2.2 Tìm hiểu vân tay 15 2.3 HỆ THỐNG CƠ KHÍ .17 2.3.1 Truyền chuyển động 17 2.3.2 Vít me đai ốc 20 2.4 HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN 23 2.4.1 Vi điều khiển 23 2.4.2 Hệ thống điều khiển 25 2.5 CẢM BIẾN 26 2.5.1 Tổng quan cảm biến 26 2.5.2 Cảm biến vân tay .28 2.6 ĐỘNG CƠ ĐIỆN 32 2.6.1 Cấu tạo động điện chiều 32 2.6.2 Nguyên tắc hoạt động động điện chiều .33 2.6.3 Ưu nhược điểm ứng dụng động điện chiều 33 CHƯƠNG 3: TÍNH TỐN, THIẾT KẾ MƠ HÌNH HĨA HỆ THỐNG 35 3.1 TÍNH TỐN, THIẾT KẾ HỆ TRUYỀN ĐỘNG VÍT 35 3.1.1 Tính tốn lựa chọn trục vít me 35 3.2 TÍNH CHỌN ĐỘNG CƠ .38 3.2.1 Xác định công suất cần thiết động 38 3.2.2 Xác định sơ số vòng quay đồng động 39 3.3 LỰA CHỌN THIẾT BỊ CHO HỆ THỐNG 40 3.3.1 Lựa chọn cảm biến 40 3.3.2 Lựa chọn điều khiển 44 3.3.3 Lựa chọn module sim: .47 3.3.4 Lựa chọn Keypad 48 3.3.5 Màn hình hiển thi(LCD) 49 3.3.6 Lựa chọn thiết bị báo động 52 3.4 THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN 54 3.5 XÂY DỰNG LƯU ĐỒ THUẬT TOÁN 62 3.5.1 Lưu đồ thuật toán điều khiển 62 3.6 THIẾT KẾ CƠ KHÍ VÀ MƠ HÌNH TỔNG THỂ 63 3.6.1 Bản vẽ .63 3.6.2 Cơ cấu truyền động 63 3.6.3 Mơ hình tổng thể hệ thống cửa thông minh 63 3.7 MÔ PHỎNG 64 3.7.1 Mô hệ thống proteus 64 CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 68 4.1 KẾT LUẬN 68 4.2 ĐÁNH GIÁ HỆ THỐNG .68 4.3 HƯỚNG PHÁT TRIỂN CHO HỆ THỐNG 68 TÀI LIỆU THAM KHẢO 69 PHỤ LỤC 69 LỜI NĨI ĐẦU Cơng cơng nghiệp hóa đại hóa đất nước diễn theo tiến khoa học kỹ thuật Trước tình hình có nhiều u cầu cấp bách có thách thức đặt cho giới tri thức Điện tử lĩnh vực mà nước ta nghiên cứu bước phát triển để ứng dụng vào q trình sản xuất góp phần nâng cao suất lao động Do sinh viên với chuyên ngành kỹ thuật điện tử cần phải nắm vững kiến thức kĩ từ đơn giản đến phức tạp như: biết cách sử dụng thành thạo loại cảm biến kết nối với hệ thống để thu nhận tín hiệu Rèn luyện kỹ lập trình hệ thống sử dụng vi điều khiển hệ thống công nghiệp ứng dụng sinh hoạt sản xuất Sau thời gian học tập nghiên cứu với nỗ lực nhóm chúng em hồn thành nhiệm vụ thiết kế mơ hình cửa thơng minh mở khóa dấu vân tay Em xin chân thành cảm ơn thầy, cô môn điện tử giúp đỡ tận tình, đặc biệt cảm ơn thầy hướng dẫn Lê Văn Nghĩa Mơ hình khơng tránh khỏi thiếu xót, chúng em mong bảo thầy để sản phẩm hồn thiện ứng dụng vào thực tế Em xin chân thành cảm ơn! MÔ TẢ THIẾT BỊ MÔ TẢ NHIỆM VỤ CƠNG NGHỆ Hệ thống cửa thơng minh tự động mở cửa mật mã, vân tay Khi người dùng muốn mở cửa yêu cầu phải nhập xác vân tay mật lưu trước đó, vân tay hay mật nhập sai có tín hiệu báo cụ thể Cơng nghệ mật mã có dãy số từ tới cài đặt hệ điện tử giúp người tiêu dùng mở khóa dễ dàng, nhanh chóng ngăn chặn khơng cho người khác mở cửa chưa phép Nếu phát số lần nhập khơng thành cơng lần hệ thống dừng hoạt động 180s có hệ thống thống cảnh báo cho chủ nhà (gọi điện thoại chủ nhà, còi báo động) Hệ thống sử dụng cảm biến vân tay hoạt động dựa chế xác thực dấu vân tay Mỗi người có dấu vân tay khác nhau, tỷ lệ trùng lặp 1/7 tỉ Do dấu vân tay có tính độc vơ nhị khả làm giả khó Các nhà khoa học nghiên cứu công nghệ nhận dạng dấu vân tay Hệ thống nhận dạng: hệ thống xác thực cá nhân cách tìm kiếm đối sánh đặc tính sinh trắc người với toàn mẫu sinh trắc lưu giữ sở liệu (Hình 1) CẤU TRÚC THIẾT BỊ Thiết bị Loại sử dụng Động điện Động điện chiều Bộ truyền vít - đai ốc Vít me đai ốc bi Khớp nối Khớp nối bulong đai ốc Ổ lăn Ổ lăn trơn Công tắc hành trình Cơng tắc hành trình khí nén Module Cảm biến vân tay Cảm biến vân tay R305 Driver L298 motor driver Bộ điều khiển arduino Arduino Uno R3 Màn hình LCD Module LCD 16x2 Module I2C Module I2C 16x2 Bàn phím keypad Bàn phím keypad mềm 4x4 Led Led đục 5mm Cịi Buzzer ĐẶC TÍNH KĨ THUẬT Thơng số Giá trị Kích thước cửa 2200(high) x 800(legth)x40(width) mm (1 cánh) Tải trọng cánh cửa Max 60kg Kiểu mở Một chiều 120 độ Điện áp 110V/220V AC CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG CỬA THÔNG MINH 1.1 LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CỦA HỆ THỐNG CỬA THÔNG MINH Ngày tự động hóa bảo mật ngày ứng dụng nhiều đặc biệt công nghệ tự động hóa nhận dạng trở nên phổ biến đời sống công nghiệp Điều thúc nhà thiết kế, chế tạo sản phẩm đáp ứng tiện nghi, thông minh Một số cần kể tới cửa thơng minh Với nước phát triển sử dụng rộng rãi phổ biến, nước phát triển có Việt Nam có xu hướng tìm cho tiện nghi thơng minh Vì nhóm em chọn đề tài “Nghiên cứu thiết kế cửa thơng minh mở khóa vân tay” Với mục đích góp phần nhỏ vào việc giới thiệu cơng nghệ mở khóa cảm biến vân tay R305 tới người thiết kế mơ hình thực tế cảm biến vân tay R305 Từ buổi bình minh văn minh lồi người, tổ tiên có nhu cầu giữ thực phẩm, đồ đạc cách an toàn Tiền thân của khóa cửa là dây vài vật liệu khác sử dụng bẫy để phát có trộm cắp tài sản xâm nhập trái phép… Thời gian qua đi, ổ khóa thực làm từ gỗ, kim loại, chúng dần sử dụng toàn giới * Những ổ khóa giới - Các nhà khảo cổ phát từ 6000 năm trước Ai Cập cổ đại, ổ khóa cửa đời sử dụng cách đơn giản, chúng làm hoàn toàn từ gỗ Những gỗ khoét lỗ có then cài tương ứn Phải đến năm 870-900 ổ khóa kim loại xuất cho thợ thủ cơng người La Mã chế tạo Những gia đình La Mã giàu có thường giữ vật có giá trị hộp an toàn, hộp trang bị ổ khóa bảo vệ Bằng cách sử dụng ổ khóa sắt, người La Mã cuối bảo vệ chặt chẽ tài sản tránh khỏi cơng trộm cướp, lần chìa khóa kim loại họ đem theo bên người loại trang sức quan trọng - Sau đế chế La Mã sụp đổ, lịch sử ổ khóa có bước ngoặt Các thợ khóa Trung Âu chế tạo thêm kỹ thuật bảo vệ mới, thay khóa đơn giản họ tạo nhiều chế quan trọng phức tạp bên ổ khóa để tăng tính bảo mật cho nhà ở, tài sản * Khóa cửa đại thức đời - Cuộc cách mạng công nghiệp diễn vào năm cuối kỷ XVIII giúp ngành khí phát triển Ổ khóa chìa khóa kim loại sản xuất với phức tạp tinh tế chưa có trước - Năm 1778 Robert Barron hồn thiện kiểu khóa nâng (kiểu địn bẩy) Đến năm 1818, Jeremiah Chubb cải thiện kỹ thuật khóa nâng nhiều Nguyên nhân vụ trộm cắp tài sản xảy thành phố Portsmouth Dockyard khiến Chính phủ Anh cơng bố thi để sản xuất loại khóa có thêm chức báo động cho chủ sở hữu tài sản Vào năm 1824, Chubb tiếp tục thực cải tiến khác mẫu khóa nâng để tăng cường tính chống trộm cho sản phẩm - Năm 1861, Linus Yale lấy cảm hứng từ kiểu khóa cũ để sáng chế kiểu chìa khóa kim loại với cửa bố trí dài ngắn khác sử dụng cho ổ khóa hộ - Mặc dù có số cải tiến thiết kế nhiên phần lớn ổ khóa biến thể mẫu thiết kế phát minh Bramah, Chubb Yale * Khóa cửa điện tử - Với tiến thành đạt cảu khoa học kỹ thuật, ngày khóa cửa chuyển dần từ khóa vật lý sang khóa tự động, điện tử Các dịng khóa điện tử ngày khơng cịn dùng chìa để thao tác mở cửa Chúng áp dụng công nghệ đại vào xác thực đóng mở cửa hồn tồn tự động Điển hình loại khóa điện tử hàng đầu: khóa vân tay, khóa thẻ từ khóa cửa từ + Khóa vân tay áp dụng cơng nghệ sinh trắc học, lấy mã vân tay là phương thức xác thực để đóng mở cửa Khóa vân tay dùng chủ yếu hộ gia đình, cơng ty - Sinh trắc học hay Công nghệ sinh trắc học (tiếng Anh: Biometric) công nghệ sử dụng thuộc tính vật lý, đặc điểm sinh học riêng cá nhân vân tay, mống mắt, khuôn mặt… để nhận diện Đây coi công cụ xác thực hiệu hữu mà sử dụng phổ biến nhận dạng vân tay tính ổn định độc Nhận dạng dấu vân tay xem phương pháp sinh trắc tin cậy - Công nghệ nhận dạng vân tay hoạt động theo nguyên tắc: Khi đặt ngón tay lên thiết bị đọc dấu vân tay, thiết bị qt hình ảnh ngón tay đưa vào hệ thống Đồng thời hệ thống xử lý dấu vân tay chuyển sang dạng liệu số đối chiếu đặc điểm vân tay với liệu lưu trữ hệ thống Nếu dấu vân tay khớp với liệu cho phép hệ thống thực chức Việc thiết kế loại cửa tiện ích hơn, đa hơn, phục vụ tốt cho đời sống người tất yếu vô cần thiết Do vậy, cần thiết kế loại cửa tự động khắc phục tốt nhược điểm cửa thường Xuất phát từ u cầu đó, cửa thơng minh thiết kế để tạo loại cửa vừa trì yêu cầu trước đây, vừa khắc phục nhược điểm cửa thông thường 1.2 MỤC TIÊU CỦA ĐỀ TÀI Nghiên cứu, chế tạo mơ hình cửa tự động giúp cho sinh viên có hiểu biết sâu sắc lĩnh vực điều khiển thông minh nắm bắt nhiều kiến thức ngành như: điện tử, điện, khí… Thiết kế hệ thống mở cửa vân tay mở khóa mật mã, cơng nghệ mật mã có dãy số từ tới cài đặt hệ điện tử giúp người tiêu dùng mở khóa dễ dàng, nhanh chóng ngăn chặn khơng cho người khác mở cửa chưa phép, hệ thống chạy cách xác, ổn định, gọn gàng, dễ lắp đặt, giá hợp lí Cho phép người dùng lưu trữ trước vân tay vào cảm biến, khóa vân tay lưu trữ từ 30 đến 100 vân tay tùy loại Khi người dùng muốn mở cửa yêu cầu phải nhập xác vân tay lưu trước đó, vân tay nhập sai có tín hiệu báo cụ thể Nếu phát số lần nhập khơng thành cơng lần hệ thống dừng hoạt động 180s có hệ thống thống cảnh báo cho chủ nhà (còi, gọi điện thoại chủ nhà) Việc tạo mơ hình hoạt động tốt tạo điều kiện cho sinh viên có hội học tập nghiên cứu cách thực tế hội tốt giúp sinh viên khỏi bỡ ngỡ làm việc thực tế 1.3 PHƯƠNG PHÁP THỰC HIỆN ĐỀ TÀI - Tìm hiểu tổng quan đề tài (thông qua mạng, sách báo…)  Mục tiêu xây dựng  Yêu cầu - Phân tích dựa lý thuyết 10 + OUT: Chân nối đầu sau sử dụng vân tay + GND: Chân nối đất + VCC: Chân nối nguồn Khối giao tiếp: I2C Thông số kĩ thuật Điện áp hoạt động: 2.5-6V DC Hỗ trợ hình: LCD1602,1604,2004 (driver HD44780) Giao tiếp: I2C Địa mặc định: 0X27 (có thể điều chỉnh ngắn mạch chân A0/A1/A2) 60 Kích thước: 41.5mm(L)x19mm(W)x15.3mm(H) Trọng lượng: 5g Tích hợp Jump chốt để cung cấp đèn cho LCD ngắt Tích hợp biến trở xoay điều chỉnh độ tương phản cho LCD + Sơ đồ chân : Khối động cơ: Sử dụng hiển thị mô thay cánh cửa với chân nối đất, chân nối nguồn chân nối trực tiếp vào khối xử lý trung tâm Arduino Khối truyền nhận SMS: 61 Nối TXD thiết bị với TXD GSM ( thông tin di động ) Nối RXD thiết bị với GXD GSM ( thông tin di động ) 62 3.5 XÂY DỰNG LƯU ĐỒ THUẬT TỐN 3.5.1 Lưu đồ thuật tốn điều khiển Hình 3.21 Lưu đồ thuật tốn điều khiển 63 3.6 THIẾT KẾ CƠ KHÍ VÀ MƠ HÌNH TỔNG THỂ 3.6.1 Bản vẽ Hình 3.22 Bản vẽ trục vít me 3.6.2 Cơ cấu truyền động Hình 3.24 Cơ cấu truyền động 3.6.3 Mơ hình tổng thể hệ thống cửa thơng minh 64 Hình 3.21 Mơ hình tổng thể hệ thống 3.7 MƠ PHỎNG 3.7.1 Mơ hệ thống proteus Khi hệ thống chưa cấp nguồn: Hệ thống chưa hoạt động (Đèn, còi trạng thái tắt, hình LCD khơng hiển thị) 65 Hình 3.22 Mơ hệ thống chưa cấp nguồn 66 Khi người dùng nhập vân tay mật khẩu, hình lcd thơng báo mật xác, đèn xanh sáng, động quay cửa mở Hình 3.23 Hệ thống nhập vân tay mật Khi số lần nhập mật vân tay không hệ thống bị khóa, led đỏ sáng, còi kêu module thực lệnh gọi đến chủ nhà Hình 3.24 Hệ thống bị khóa 67 Hiện tại hệ thống có thể được áp dụng hộ gia đình, văn phòng làm việc, công xưởng Tương lai hệ thống có thể kết hợp thêm với camera hoặc internet để phát hiện, kiểm tra, đưa cảnh báo một cách hiệu quả nữa 68 CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 4.1 KẾT LUẬN Với sự hỗ trợ tận tình từ giảng viên hướng dẫn hoàn thành mục tiêu đề nghiên cứu thiết kế hệ thống cửa thơng minh Trong q trình thực hiện, gặp khơng khó khăn từ phần cứng đến phần mềm Nhưng nhóm cố gắng nghiên cứu vượt qua tích lũy cho số kinh nghiệm mới, kiến thức để hoàn thành đề tài Cơ hồn thành cơng việc ban đầu nhóm đề thiết kế thi cơng khóa cửa thơng minh có sử dụng vân tay, tìm hiểu module linh kiện, biết cách viết code Mơ hình hoạt động ổn định, cịn vài lỗi nhỏ bỏ qua Các module hoạt động ổn định, hoạt động tốt Đề tài có tính áp dụng thực tiễn cao Có thể nghiên cứu phát triển sâu cho nghiên cứu khoa học đồ án tốt nghiệp 4.2 ĐÁNH GIÁ HỆ THỐNG 4.2.1 Ưu điểm Hệ thống hoạt động tốt với yêu cầu đặt Mở cửa nhập vân tay mật Hệ thống phản hồi nhanh xác Cảm biến vân tay R305 hoạt đợng khá tốt, ổn định với điện áp của Arduino, đáp ứng được yêu cầu xây dựng hệ thống chống trộm với tầm quét rộng 4.2.2 Nhược điểm Hệ thống phản ứng cịn chậm Nhóm chưa thiết kế mạch in cho hệ thống 4.3 HƯỚNG PHÁT TRIỂN CHO HỆ THỐNG Trong tương lai, nhóm cố gắng đưa công nghệ nhận diện khuôn mặt vào hệ thống để cải thiện mức độ bảo mật Hiện tại hệ thống có thể được áp dụng hộ gia đình, văn phòng làm việc, công xưởng Tương lai hệ thống có thể kết hợp thêm với camera hoặc internet để phát hiện, kiểm tra, đưa cảnh báo một cách hiệu quả nữa 69 TÀI LIỆU THAM KHẢO Trịnh Chất - Lê Văn Uyển Tính tốn thiết kế hệ thống dẫn động khí Nhà xuất giáo dục Việt Nam, 2010 Sổ tay hệ thống Cơ điện tử, PGS.TS Nguyễn Ngọc Phương - PGS.TS Nguyễn Trường Thịnh, Đại học Quốc gia TP Hồ Chí Minh, 2016 Vi Điều Khiển Và Ứng Dụng Hướng Dẫn Sử Dụng Arduino, PGS TS Trường Đình Nhơn & KS Phạm Quang Huy, Nhà xuất Thanh Niên, 11-2018 PHỤ LỤC Chương trình điều khiển: #include #include #include const int ROW_NUM = 4; // four rows const int COLUMN_NUM = 4; // four columns char keys[ROW_NUM][COLUMN_NUM] = { {'7','8','9', 'A'}, {'4','5','6', 'B'}, {'1','2','3', 'C'}, {'*','0','#', 'D'} }; byte pin_rows[ROW_NUM] = {13, 12, 11, 10}; // connect to the row pinouts of the keypad byte pin_column[COLUMN_NUM] = {9, 8, 7,4}; // connect to the column pinouts of the keypad Keypad keypad = Keypad(makeKeymap(keys), pin_rows, pin_column, ROW_NUM, COLUMN_NUM ); #include #include LiquidCrystal_I2C lcd(0x27, 16, 2); SoftwareSerial mySerial(A0, A1); int ledRed = 3; int ledGreen = 2; 70 int pinSpeaker = 1; int inputPin = 6; int val = 0; int cursorColumn=0; char code[4]; int count =0; int keycount = 0; Servo myservo; void setup() { pinMode(ledRed,OUTPUT); pinMode(ledGreen,OUTPUT); pinMode(pinSpeaker,OUTPUT); digitalWrite(pinSpeaker,LOW); Serial.begin(9600); lcd.init(); lcd.backlight(); lcd.begin(16,2); // put your setup code here, to run once: myservo.attach(5); pinMode(inputPin, INPUT); myservo.write(90); lcd.setCursor(0,0); lcd.print("Enter Password"); } void loop() { val = digitalRead(inputPin); lcd.setCursor(0,0); lcd.print("Enter Password"); char key = keypad.getKey(); if(val==HIGH){ myservo.write(0); 71 digitalWrite(ledGreen, HIGH); delay(1000); digitalWrite(ledRed, LOW); } else{ myservo.write(90); digitalWrite(ledGreen, LOW); } if(key && (keycount0 && keycount=2){ lcd.clear(); mySerial.begin(9600); mySerial.println("SDT: 0942787402"); 73 delay(500); mySerial.println("Your smart door device has been hacked"); delay(1000); lcd.print("System is clock"); digitalWrite(ledRed, HIGH); tone(pinSpeaker,1000); delay(5000); digitalWrite(ledRed, LOW); digitalWrite(ledGreen, LOW); noTone(pinSpeaker); myservo.write(90); lcd.clear(); count=0; } } 74 ... THIẾT BỊ CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG CỬA THÔNG MINH 1.1 LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CỦA HỆ THỐNG CỬA THÔNG MINH 1.2 MỤC TIÊU CỦA ĐỀ TÀI .10 1.3 PHƯƠNG PHÁP THỰC HIỆN ĐỀ TÀI... nhược điểm cửa thường Xuất phát từ yêu cầu đó, cửa thông minh thiết kế để tạo loại cửa vừa trì yêu cầu trước đây, vừa khắc phục nhược điểm cửa thông thường 1.2 MỤC TIÊU CỦA ĐỀ TÀI Nghiên cứu, chế... thống  Xác định vấn đề hệ thống Xây dựng phát triển hệ thống sở lý thuyết - Thiết kế cụ thể (Tính tốn lựa chọn thiết bị)  Xây dựng bước thiết kế cụ thể  Tích hợp hệ thống Đưa ý tưởng lựa