Thiết kế hệ thống an ninh sử dụng mã số nhập từ bàn phím

LỜI NÓI ĐẦU Ngày nay trên thế giới, lĩnh vực bảo mật là một mảng lớn mà chúng ta cần quan tâm. Chính vì thế, với mục đích làm quen bước đầu với việc thiết kế mạch điện tử chúng em chọn đề tài “ Thiết kế hệ thống an ninh sử dụng mã số nhập từ bàn phím ” để nghiên cứu và thực hiện. Hệ thống này cho phép ta quản lý và hạn chế được số người ra vào theo mã sè trong khu vực cần bảo mật với độ an toàn cao.Đề tài tuy không lớn song về mặt nguyên lý thì có thể phát triển thành các ứng dụng quản lý theo thẻ từ, mã vạch,mã hoá trong các khu vực đặc biệt cần phải có may tính hiện đại với CSDL,ngoài mật mã ra còn kiểm tra tần số giọng nói và camera kiểm tra hình ảnh… mà hiện nay đang rất cần thiết. Vì thế, đối với chúng em đây là bước cơ sở để nghiên cứu những ứng dụng lớn hơn sau này. Trong quá trình thực hiện đề tài, tuy đã rất cố gắng song do những hạn chế về thời gian tìm hiểu, kiến thức cũng như kinh nghiệm thực tế nên chúng em không tránh khỏi nhiều thiếu sót. Chúng em rất mong nhận được những ý kiến đóng góp của thầy cô và các bạn để đề tài của chúng em được hoàn thiện hơn, với nhiều chức năng hơn PHẦN1: GIỚI THIỆU CHỨC NĂNG HỆ THỐNG Đây là một hệ thống đóng mở theo mã cho phép một số Ýt người có thể ra vào theo mã của họ. Nó có thể được áp dụng làm cửa ra vào của các hệ thống cần mang tính bảo mật, giới hạn số người ra vào: Cửa ra vào cơ quan, nhà máy, các khu quan trọng Trên cơ sở đó, hệ thống phải đảm bảo được hai yêu cầu cơ bản sau: -Tính an toàn: do là cửa nên phải có chức năng bảo vệ. -Tính bảo mật. Do đó chúng em đã đưa ra yêu cầu một hệ thống có chức năng đóng mở như sau: 1. Chức năng hệ thống: • Hệ thống quản lí một số mã ứng với một số người được cho phép ra vào ở của này và hoạt động trên cơ sở các mã này. • Mã gồm có 6 chữ số. • Hệ thống giao tiếp với người sử dụng thông qua một bàn phím điều khiển và hiển thị trên màn hình. • Bàn phím gồm các phím số 0-9 và các phím chức năng: ON, Change, Enter, backspace(< ). • Khi bắt đầu , người điều khiển chọn chức năng thực hiện: + Nếu chọn Open: sau đó sẽ nhập mã. Kết thúc nhập mã băng nót Enter. -Nếu mã đúng: cửa sẽ mở(mô phỏng trên mạch bằng việc bật hay tắt đèn LED xanh) -Nếu mã sai: không có hiện tượng gì cả. Nếu nhập mã sai 3 lần liên tiếp chuông sẽ báo động. (mô phỏng trên mạch bằng việc bật hay tắt đèn LED đỏ) +Nếu chọn Change: Kiểm tra xem mã cũ có đúng hay không. -Nếu mã đúng: cho phép thay đổi mã bằng cách nhập vào mã mới và xác nhận đúng mã này một lần nữa. -Nếu mã sai: không có hiện tượng gì cả. Nếu nhập mã sai ba lần liên tiếp chuông sẽ báo động. +Trong quá trình nhập mã, nếu có nhầm lẫn có thể nhập lại bằng cách sử dông nót Backspace(< ) 2. Phân tích hệ thống: 2.1.Khả năng đáp ứng yêu cầu của hệ thống: Hệ thống giao tiếp với người sử dụng chỉ bằng bàn phím và hiển thị do vậy nó hạn chế được tác động của người sử dụng vào nội dung bên trong của khoá. Với số lượng mã không lớn (cỡ 10 mã), mỗi mã dài sáu chữ số thì xác suất tìm thấy mã đúng là: 10/1.000.000 = 0,0001%.Thêm vào đó là khả năng báo động khi nhập ba mã sai liên tiếp làm cho hệ thống có tính an toàn cao. Mỗi người có một mã riêng. Nếu nghi ngờ lộ mã, người dùng có thể thay đổi mã theo mong muốn. Nhờ đó mà khả năng bảo mật của hệ thống cũng tăng cao. 2.2. Phân tích hệ thống: Do giới hạn của bài tập, chúng em chỉ tập trung vào thiêt kế phần mạch điện tử để điều khiển hệ thống này. Theo yêu cầu đưa ra, hệ thống gồm 3 khối cơ bản: • Khối bàn phím: cần 14 nút gồm: - Các nút số từ 0-9 - Các nút chức năng: Open, Change, < - Sử dụng các phím bấm tự nhả để nhập vào. • Khối mạch xử lí: Xử lí các hoạt động đã nêu ở yêu cầu hệ thống. • Khối hiển thị: Giúp cho việc giao tiếp với người sử dụng trở nên dễ dàng hơn người sử dụng biết mình đang thực hiện thao tác gì với cửa. PHẦN 2: CÁC PHƯƠNG ÁN Trên cơ sở các yêu cầu đã đặt ra và các phân tích sơ bộ, từng khối đều có các phương án giải quyết nh sau: 1. Khối bàn phím: Sử dụng bàn phím 4 4 • Số đầu ra từ bàn phím là 8 dây. • Hình dáng đẹp, cân đối. • Còn dư 3 nót để mở rộng chức năng trong tương lai. Sơ đồ của bàn phím 4×4 2. Khối hiển thị: Yêu cầu đặt ra đối với khối hiển thị là thân thiện với người sử dụng. Trên cơ sở ta chọn dùng LCD. • Ưu điểm: Hiển thị rõ ràng có kèm theo chỉ dẫn. Thay đổi nội dung linh hoạt.Xử lý lập trình đơn giản hơn LED7 thanh và ma trận điểm. • Nhược điểm: Giá thành đắt. 3. Mạch xử lí: Dùng vi điều khiển: • Ưu điểm: - Vi điều khiển có khả năng điều khiển linh hoạt theo mong muốn của người sử dụng đưa vào phần mềm được viết. - Khả năng thay đổi mã có thể thực hiện được. - Hệ thống đơn giản hơn nhiều, kích thức nhỏ. Hơn nữa sẽ giảm được độ kém ổn định do nhiều linh kiện gây ra. - Có thể thay đổi, thêm chức năng bằng cách thay đổi phần mềm. • Nhược điểm: - Chất lượng của hệ thống phụ thuộc vào chất lượng chương trình được nạp cho vi điều khiển. PHẦN 3: PHƯƠNG ÁN DÙNG VI ĐIỀU KHIỂN 1. Thiết kế phần cứng: Định hướng thiết kế: Thiết kế một hệ vi điều khiển bao gồm cả việc thiết kế tổ chức phần cứng và viết phần mềm cho nền phần cứng mà ta thiết kế. Việc xem xét giữa tổ chức phần cứng và chương trình phần mềm cho một thiết kế là một vấn đề cần phải cân nhắc. Vì khi tổ chức phần cứng càng phức tạp, càng có nhiều chức năng hỗ trợ cho yêu cầu thiết kế thì phần mềm càng được giảm bớt và dễ dàng thực hiện nhưng lại đẩy cao giá thành chi phí cho phần cứng, cũng như chi phí bảo trì. Ngược lại với một phần cứng tối thiểu lại yêu cầu một chương trình phần mềm phức tạp hơn, hoàn thiện hơn; nhưng lại cho phép bảo trì hệ thống dễ dàng hơn cũng như việc phát triển tính năng của hệ thống. Từ yêu cầu và nhận định trên ta có những định hướng sơ bộ cho thiết kế nh sau: 1.1. Chọn bé vi điều khiển: Từ yêu cầu của đề bài ta dự kiến dùng các chip vi điều khiển thuộc họ MCS- 51 của Intel, mà cụ thể ở đây là dùng chip 8051 vì những lý do sau: • Thứ nhất 8051 thuộc họ MCS-51, là chip vi điều khiển. Đặc điểm của các chip vi điều khiển nói chung là nó được tích hợp với đầy đủ chức năng của một hệ VXL nhỏ, rất thích hợp với những thiết kế hướng điều khiển. Tức là trong nã bao gồm: mạch VXL, bộ nhớ chương trình và dữ liệu, bộ đếm, bộ tạo xung, các cổng vào/ra nối tiếp và song song, mạch điều khiển ngắt • Thứ hai là, vi điều khiển 8051 cùng với các họ vi điều khiển khác nói chung trong những năm gần đây được phát triển theo các hướng sau: -Giảm nhỏ dòng tiêu thụ. -Tăng tốc độ làm việc hay tần số xung nhịp của CPU. -Giảm điện áp nguồn nuôi. -Có thể mở rộng nhiều chức năng trên chip, mở rộng cho các thiết kế lớn. Những đặc điểm đó dẫn đến đạt được hai tính năng quan trọng là: giảm công suất tiêu thụ và cho phép điều khiển thời gian thực nên về mặt ứng dụng nó rất thích hợp với các thiết kế hướng điều khiển. • Thứ ba là, vi điều khiển thuộc họ MCS-51 được hỗ trợ một tập lệnh phong phú nên cho phép nhiều khả năng mềm dẻo trong vấn đề viết chương trình phần mềm điều khiển. • Cuối cùng là, các chip thuộc họ MCS-51 hiện được sử dụng phổ biến và được coi là chuẩn công nghiệp cho các thiết kế khả dụng.Với sinh viên mới làm quen với VĐK thì 8051 có nhiều tài liệu tham khảo,đồng thời cũng sử dụng đơn giản nhất. Mặt khác, qua việc khảo sát thị trường linh kiện việc có được chip 8051 là dễ dàng nên mở ra khả năng thiết kế thực tế. Vì những lý do trên mà việc lùa chọn vi điều khiển AT89C51 của hãng Atmel, đây là vi điều khiển thuộc họ MCS-51. Cấu hình hoạt động của chip AT89C51: -ROM trong: Flash ROM - 4KBytes -RAM trong: 128 bytes 1.2 Tổ chức ngoại vi: - Chip: AT89C51 - Ghép nối màn hình LCD: 16x2 Ngoài ra còn: - LED báo hiệu chương trình đang chạy - Tín hiệu cho phép chạy được xử lý bằng cách dùng một nút Ên Reset hệ thống. - Tín hiệu báo động, mở cửa, đóng cửa được đưa ra LCD Sơ đồ khối của hệ thống như sau: 2. Vi iu khin AT89C51: Chc nng ca tng khi : Khi x lý trung tõm CPU: Phn chớnh ca b vi x lý l khi x lý trung tõm (CPU=Central Processing Unit ), khi ny cú cha cỏc thnh phn chớnh : Thanh cha ACC (ký hiu l A). Thanh ghi cha ph (ký hiu l B) thng c dựng cho phộp nhõn v phộp chia. Khi logic s hc (ALU=Arithmetic Logical Unit). T trng thỏi chng trỡnh (PSW= Program Status Word). Bn bng thanh ghi (Blank). Con tr ngn xp (SP=Stack Point) cũng nh con tr d liu nh a ch cho b nh d liu bờn ngoi. Ngoi ra, khi x lý trung tõm cũn cha: Thanh ghi m chng trỡnh (PC= Progam Counter ). Hình 2.1: Cấu trúc của vi điều khiển 8051. Bộ tạo dao động CPU Điều khiển ngắt Nguồn ngắt trong. 8Kbytes ROM trong 256byte RAM trong 2bộ đếm / định thời Khối đ.khiển quản lý Bus. Port 0 Port 1 Port 2 Port 3 Giao diện nối tiép. XTAL 1.2 /PSEN/ALE Cổng I/O 8 bit Cổng I/O Đchỉ cao Dữ liệu 8 bit Cổng I/O Đchỉ thấp Dữ liệu 8 bit Cổng I/O Các chức năng đắc biệt Dữ liệu 8 bit Nguồn ngắt Đếm sự kiện. Bộ giải mã lệnh Bộ điều khiển thời gian và logic. Sau khi được Reset, CPU bắt đầu làm việc tại địa chỉ 0000h, là địa chỉ đầu được ghi trong thanh ghi chứa chương trình (PC) và sau đó, thanh ghi này sẽ tăng lên 1 đơn vị và chỉ đến các lệnh tiếp theo của chương trình. • Bộ tạo dao động: Khối xử lý trung tâm nhận trực tiếp xung nhịp từ bộ tạo dao động được lắp thêm vào, linh kiện phụ trợ có thể là một khung dao động làm bằng tụ gốm hoặc thạch anh. Ngoài ra, còn có thể đưa một tín hiệu giữ nhịp từ bên ngoài vào. • Khối điều khiển ngắt: Chương trình đang chạy có thể cho dừng lại nhờ một khối logic ngắt ở bên trong. Các nguồn ngắt có thể là: các biến cố ở bên ngoài, sự tràn bộ đếm/bộ định thời hay có thể là giao diện nối tiếp. Tất cả các ngắt đều có thể được thiết lập chế độ làm việc thông qua hai thanh ghi IE (Interrupt Enable) và IP (Interrupt Priority). • Khối điều khiển và quản lý Bus : Các khối trong vi điều khiển liên lạc với nhau thông qua hệ thống Bus nội bộ được điều khiển bởi khối điều khiển quản lý Bus. • Các bộ đếm/định thời: Vi điều khiển 8051 có chứa hai bộ đếm tiến 16 bit có thể hoạt động nh là bộ định thời hay bộ đếm sự kiện bên ngoài hoặc nh bé phát tốc độ Baud dùng cho giao diện nối tiếp. Trạng thái tràn bộ đếm có thể được kiểm tra trực tiếp hoặc được xoá đi bằng một ngắt. • Các cổng vào/ra: Vi điều khiển 8051 có bốn cổng vào/ra (P0 … P3), mỗi cổng chứa 8 bit, độc lập với nhau. Các cổng này có thể được sử dông cho những mục đích điều khiển rất đa dạng. Ngoài chức năng chung, một số cổng còn đảm nhận thêm mét số chức năng đặc biệt khác. • Giao diện nối tiếp: Giao diện nối tiếp có chứa một bộ truyền và một bộ nhận không đồng bộ làm việc độc lập với nhau. Bằng cách đấu nối các bộ đệm thích hợp, ta có thể hình thành một cổng nối tiếp RS-232 đơn giản. Tốc độ truyền qua cổng nối tiếp có thể đặt được trong một vùng rộng phụ thuộc vào một bé định thời và tần số dao động riêng của thạch anh. • Bộ nhớ chương trình: Bộ nhớ chương trình thường là bộ nhớ ROM (Read Only Memory), bộ nhớ chương trình được sử dụng để cất giữ chương trình điều khiển hoạt động của vi điều khiển. • Bộ nhớ số liệu : Bộ nhớ số liệu thường là bộ nhớ RAM (Ramdom Acces Memory), bộ nhớ số liệu dùng để cất giữ các thông tin tạm thời trong quá trình vi điều khiển làm việc. • Sự sắp xếp chân ra của vi điều khiển 8051 : Phần lớn các bộ vi điều khiển 8051 được đóng vào vỏ theo kiểu hai hàng DIL (Dual In Line) với tổng số là 40 chân ra, một số Ýt còn lại được đóng vỏ theo kiểu hình vuông PLCC (Plastic Leaded Chip Carrier) với 44 chân và loại này thường được dùng cho những hệ thống cần thiết phải tiết kiệm diện tích. Trong chương trình ta sử dụng loại 89C51 kiểu 2 hàng với 40 chân ra. 3. Chi tiết từng khối: 3.1 Khối phím số: Hệ thống sử dụng bàn phím 4x4 có giao diện nh sau: Các phím của bàn phím. Trong đó: Phím 0-9 dùng để nhập mã Các phím chọn chức năng: open(phím ON),đổi password(phím change),xóa ký tự vừa nhập(< ). [...]...Sơ đồ nguyên lý của bàn phím theo hình vẽ sau: Nguyên lý hoạt động bàn phím: Khi một phím được nhấn sẽ làm thông 2 transistor và cho đầu ra của phím đó từ +5V về 0V tức là từ mức lôgic 1 về mức lôgic 0 Sau đó ta đưa tín hiệu ra qua hệ thống cổng NAND xử lí xung từ bàn phím vào P3.10 Ta giải mã bàn phím được tín hiệu có 8 bít khi nhấn bàn phím ta lấy luôn tín hiệu này đưa vào Port2... Port2 của VĐK.Trong vi điều khiển ta lập trình nạp mã số dạng 8 bit như bàn phím mã hoá được vào lần lượt sáu thanh ghi trong ROM Ta đem so sánh mã bàn phím nhấn với mã được nạp Để mở rộng ta có thể giải mã bàn phím về dạng phức tạp hơn để tính bảo mật được tốt hơn Bảng mã hóa trạng thái bàn phím Phím ON 7 8 9 Change 4 5 6 1 2 3 0 < Trạng thái khi Ên phím 0 1 1 1 0 0 1 1 1 1 0 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 0... phát triển thêm chức năng giữ cho cửa mở trong một khoảng thời gian tuỳ ý theo người sử dụng Hiện nay, những hệ thống kiểm soát ra vào theo mã đã sử dụng những hình thức quản lí tiên tiến hơn như: thẻ từ, vân tay tuy nhiên chi phí còn rất cao Một hệ thống quản lí nh chóng em tập thiết kế vẫn còn có những ứng dụng nhất định Do là thiết kế đầu tiên nên không thể tránh khỏi sai sót nhất định Chóng em... dinh, de tranh tinh trang ;co nhung dot bien xung khong theo y muonxay ra trong mach ;Sau do no se nhan du lieu tu cong P2 dua vao thanh ghi tuong ung ;Ma thu nhat ghi vao thanh ghi R1; ;Ma thu hai ghi vao thanh ghi R2; ; ;Ma thu 6 ghi vao thanh ghi R6; ;Tat ca deu la thanh ghi bang 2 ;Sau khi ghi xong thi se lien tuc kiem tra xem bit P3.0 da ve muc 1chua, neu van dang con nhan phim, tuc la van dang muc... ;Cong P2 dung de nhan du lieu gui tu ban phim ;Chan P3.6 noi voi chan 6 ENcua LCD ;Chan P3.4 noi voi chan 4 RS cua LCD ;Chan P3.5 noi voi chan 5 RW cua LCD ;Chan P3.7 noi voi khoi tao tin hieu nhay den khi LED khi nhan phim ORG 0000H ;| -| ;Chuong trinh phuc vu ngat cho ban phim MAIN: MOV 50,#4H CLR P3.7 MAIN_ENABLE_LOOP: LCALL INIT_LCD ;Khoi tao trang thai ban dau cho LCD... R2,AGAIN1 DJNZ R1,NEXT11 RET END KẾT LUẬN Trên cơ sở lí thuyết đã học, chúng em đã thiết kế hệ thống khóa với độ tin cậy có thể chấp nhận được dùa vào chức năng quản lí chương trình bằng password trong máy tính với quy mô đơn giản hơn Để ứng dụng vào thực tế, hệ thống nàycòn cần được chỉnh sửa để tăng tính ổn định và kết nối với bộ phận cơ khí đóng mở cửa Ngoài ra hệ thống trên có thể phát triển thêm... ;Doan chuong trinh thuc hien viec nhap vao 6 ki tu ma ;Ghi du lieu nhan duoc vao cac thanh ghi tu R1 den R6 cua bang thanh ghi thu hai ;Viet ra ki tu * moi khi du lieu tren cac dau vao P2 duoc ghi ;hoan chinh vao trong cac thanh ghi tuong ung; ;Lap lai qua trinh 6 lan, neu co xoa, an phim CLEAR, thi ;phai co xu li ;Moi khi mot phim duoc nhan thi chuong trinh se dung lai ;trong mot khoang thoi gian... Don’t care * = initialisation settings 3.4 Khối báo động: Khi người sử dụng nhập mã sai 3 lần thì sẽ kích cho tín hiệu báo động Để đơn giản, tín hiệu báo động được đưa ra đèn led để chúng ta quan sát Mở rộng thiết kế khi thời gian nhiều hơn ta sẽ mắc rơle điều khiển động cơ 3.5 Sơ đồ khối toàn mạch: 4 Mã nguồn:được viết và dịch sang hex bằng phần mền READS51 4.1 Lưu đồ thuật toán 4.2 Viết chương trình... 1 1 0 1 1 0 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 0 1 1 0 1 0 3.2 Khối xử lý trung tâm: Nhiệm vụ của khối xử lý trung tâm: • Đọc mã phím từ bàn phím để kiểm tra xem phím nào đã được ấn và thực hiện chức năng của phím đó • Lưu giá trị của các mã để mở khóa • Lưu các chương trình xử lý phím ấn: mở khóa, đổi mã, báo động… • Lưu chương trình điều khiển LCD Chức năng của các chân của VĐK trung tâm: -Vcc: Chân cung cấp nguồn... liệu đầu vào của mã bàn phím -Port 3: Chân 3.6 nối với chân 4 RS của LCD Chân 3.4 nối với chân 6 E của LCD Chân 3.5 nối với chân 4 RW của LCD Chân 3.5 nối với khối tạo tiếng bíp khi có một phím đựơc nhấn -Chân số 9 nối với mạch reset, hoạt động ở mức High(1) -Chân số 18,19:nối với mạch dao động thạch anh để tạo dao động cho vi AT89C51 XTAL1, XTAL2 là tạo tín hiệu giữ nhịp với tần số được xác định bởi . chúng ta cần quan tâm. Chính vì thế, với mục đích làm quen bước đầu với việc thiết kế mạch điện tử chúng em chọn đề tài “ Thiết kế hệ thống an ninh sử dụng mã số nhập từ bàn phím ” để nghiên. trình ta sử dụng loại 89C51 kiểu 2 hàng với 40 chân ra. 3. Chi tiết từng khối: 3.1 Khối phím số: Hệ thống sử dụng bàn phím 4x4 có giao diện nh sau: Các phím của bàn phím. Trong đó: Phím 0-9. gồm có 6 chữ số. • Hệ thống giao tiếp với người sử dụng thông qua một bàn phím điều khiển và hiển thị trên màn hình. • Bàn phím gồm các phím số 0-9 và các phím chức năng: ON, Change, Enter,